電動(dòng)汽車后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

錢 偉，張 弛，王書賢

（湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽441053）

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，燃油汽車的缺陷日益突出，而中國(guó)作為汽車保有總量最大的國(guó)家之一，每一個(gè)技術(shù)的創(chuàng)新都會(huì)對(duì)中國(guó)汽車市場(chǎng)發(fā)展有著重要意義。新能源汽車的發(fā)展趨勢(shì)日益迅猛，純電動(dòng)汽車在行駛、操作、維修方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)燃油汽車，但是其現(xiàn)有的發(fā)展瓶頸主要在于電池續(xù)駛里程、充放電限制、制造成本及安全性等問題，導(dǎo)致很多購買者對(duì)其止步觀望，這也是電動(dòng)汽車最大的缺陷。目前一方面除了要考慮電池綜合性能的提升問題，還可以從減輕車身質(zhì)量的角度去考慮，在底盤結(jié)構(gòu)方面作進(jìn)一步的優(yōu)化。

根據(jù)收集文獻(xiàn)和市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的汽車底盤結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，并且大部分汽車底盤都占了整車整備質(zhì)量的一半以上，但后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展將極大程度上解決這些問題，基本可以省去發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、萬向傳動(dòng)裝置、差速器總成及其半軸，真正實(shí)現(xiàn)汽車“硬件的軟化”，并在制動(dòng)上可以實(shí)現(xiàn)可再生制動(dòng)。由于轉(zhuǎn)向角度由電腦自行控制，因此可以進(jìn)一步提高行車安全，在獨(dú)特的后輪轉(zhuǎn)向上也有著明顯的駕駛快感。因此對(duì)于在新能源汽車推行的背景下改善汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著重要的意義。

1 前輪轉(zhuǎn)向特性

現(xiàn)有車輛具有三種轉(zhuǎn)向行駛特性，分別為：不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向。不足轉(zhuǎn)向表現(xiàn)為車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度比前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度小，前輪出現(xiàn)了向外側(cè)的滑動(dòng)；過度轉(zhuǎn)向表現(xiàn)為車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度比前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度大，后輪出現(xiàn)了向外側(cè)的滑動(dòng)；中性轉(zhuǎn)向表現(xiàn)為車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度恰好是前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，這種轉(zhuǎn)向特性往往可以達(dá)到最大的轉(zhuǎn)彎速度。對(duì)于前輪驅(qū)動(dòng)的車輛來說，在出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向時(shí)，可以通過降低車速來解決。但是，如果出現(xiàn)較嚴(yán)重的過度轉(zhuǎn)向，則需要反打方向并配合加油來通過，不過這對(duì)駕駛員的駕駛技術(shù)要求很高，若真正實(shí)現(xiàn)理想轉(zhuǎn)向僅僅依靠駕駛員有著較大難度。

2 后輪轉(zhuǎn)向機(jī)理

我們提出的后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)主要是針對(duì)于純電動(dòng)汽車，兩前輪利用兩臺(tái)輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)（兩輪位置與車身處于恒定角θ=0°），這種結(jié)構(gòu)由原來的通過方向盤控制前輪擺動(dòng)的功能變成了調(diào)節(jié)前輪輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速差的功能；油門也由原來控制節(jié)氣門開度的功能改變成為調(diào)節(jié)兩輪轂電機(jī)的總輸出功率P[w]的功能。利用固定于方向盤上的角度傳感器[1]、加速踏板的位移傳感器[2]與兩輪轂電機(jī)上的角速度傳感器[3]分別連接行車電腦ECU的輸入端口進(jìn)行信號(hào)計(jì)算與比較，具體工況如下（A、B、C、D 均為常數(shù)變量）：

（1）當(dāng)車輛保持直線行駛狀態(tài)時(shí)，加速踏板X[w]=A有位移信號(hào)，兩輪轂電機(jī)動(dòng)作P[w]=C，方向盤θ[w]=0角度傳感器為“低電平”，故綜合判斷為“不轉(zhuǎn)向”，產(chǎn)生影響為繼續(xù)保持直線行駛。

（2）當(dāng)加速踏板X[w]=A位移傳感器動(dòng)作、兩輪轂電機(jī)動(dòng)作P[w]=C、方向盤θ[w]=B角度傳感器動(dòng)作時(shí)，故綜合判斷為“轉(zhuǎn)向”。后輪擺動(dòng)的具體方向角可通過A、B的大小來計(jì)算，使其達(dá)到不打滑轉(zhuǎn)向。同時(shí)產(chǎn)生擺角V[w]=D，并反饋給電腦與轉(zhuǎn)速傳感器的感知量進(jìn)行對(duì)比修正，最終產(chǎn)生影響為不打滑轉(zhuǎn)向。

（3）當(dāng)加速踏板無位移X[w]=0，兩輪轂總功率P[w]=0時(shí)，可判斷為駐車狀態(tài)。若方向盤出現(xiàn)θ[w]=B的角度時(shí)，可進(jìn)一步判斷為“原地轉(zhuǎn)向”，具體的轉(zhuǎn)向方向角為駐車程序所控制，產(chǎn)生影響為原地轉(zhuǎn)向以便于汽車啟動(dòng)行駛。

（4）當(dāng)加速踏板X[w]=0，兩輪轂總功率X[w]=0時(shí)，可判斷為駐車狀態(tài)。若方向盤θ[w]=0，可進(jìn)一步綜合判斷為“原地不轉(zhuǎn)向”。

以上四類情況為正常使用汽車的通例[4]。綜上所述，這幾種情形能更好的實(shí)現(xiàn)前輪的行駛功能和后輪的轉(zhuǎn)向功能，并且對(duì)駕駛員的操作要求簡(jiǎn)單，在行駛過程中可以完全保證不打滑行駛，另外，后輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)彎半徑更小，轉(zhuǎn)向中心大致位于車輛中心，轉(zhuǎn)向更加平順流暢。還有就是結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，省去了絕大部分的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此可大大減輕整車質(zhì)量并增加了續(xù)航里程。車輛轉(zhuǎn)向控制流程圖如圖1所示。

圖1 車輛轉(zhuǎn)向控制流程圖

3 后輪轉(zhuǎn)向機(jī)理分析

為了分析后輪轉(zhuǎn)向車輛的合理性，從轉(zhuǎn)向特性出發(fā)，并采用二自由度模型對(duì)前、后輪轉(zhuǎn)向車輛進(jìn)行比較。

3.1 側(cè)向加速度時(shí)域特性分析

行駛過程中在轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同的情況下，前輪轉(zhuǎn)向車輛與后輪轉(zhuǎn)向車輛的重心處于側(cè)向角速度相反的方向上，后輪的從動(dòng)效果使得重心位于轉(zhuǎn)彎半徑靠?jī)?nèi)一側(cè)，內(nèi)外側(cè)輪胎基本受力均勻，整車重心處的側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)值將減小，車輛過彎時(shí)會(huì)更加平順，在低摩擦系數(shù)的條件下更不容易出現(xiàn)側(cè)滑的現(xiàn)象。因?yàn)楹筝喌霓D(zhuǎn)彎半徑大于前輪，所以對(duì)軸距過大的車輛來講不會(huì)出現(xiàn)后輪內(nèi)輪差[4]的現(xiàn)象，使車輛行駛更加安全。

后輪轉(zhuǎn)向特性與前輪轉(zhuǎn)向特性存在兩種反向情況，這兩種情況表現(xiàn)出兩種完全不同的轉(zhuǎn)向特性（如圖2所示），也就是同向削弱不足轉(zhuǎn)向，反向減輕過度轉(zhuǎn)向，這樣會(huì)讓汽車有更好的平衡性。

圖2 前輪轉(zhuǎn)向車輛和后輪轉(zhuǎn)向車輛階躍響應(yīng)比較

3.2 側(cè)向偏角時(shí)域特性比較

高速行駛時(shí)，若前、后輪轉(zhuǎn)向相同，前輪轉(zhuǎn)向車輛和后輪轉(zhuǎn)向車輛所產(chǎn)生的車輛重心側(cè)偏角方向相反（如圖3所示），這種變化會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向特性的改變，后輪轉(zhuǎn)向可彌補(bǔ)由于使用橡膠型充氣輪胎所導(dǎo)致的車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的先天缺陷，這種后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理類似于ESP系統(tǒng)，即車輛高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過制動(dòng)某個(gè)或某幾個(gè)車輪，以保持車輛行駛狀態(tài)的穩(wěn)定。

圖3 側(cè)偏角隨車速的變化規(guī)律

4 后輪轉(zhuǎn)向特性

在低速時(shí)，后輪轉(zhuǎn)向車輛的后輪產(chǎn)生與彎道相反的轉(zhuǎn)角，整車的轉(zhuǎn)向中心移至前輪（如圖4所示），駕駛員擁有更開闊的駕駛視角，行車更加安全。前輪轉(zhuǎn)向車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)整車重心會(huì)偏向外側(cè)后輪（如圖5所示），這樣就會(huì)受到背離彎道較大的離心力作用，由于輪胎設(shè)計(jì)一般在切線方向有較大的抓地力，而法線方向摩擦力不足，在摩擦系數(shù)較小的路面直接會(huì)出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象，嚴(yán)重影響駕駛安全。而后輪轉(zhuǎn)向時(shí)后輪的側(cè)向位移會(huì)彌補(bǔ)重心側(cè)移量，帶來的好處是側(cè)滑力消失，四輪抓地力相等，從而使駕駛安全得到了極大的提高。但這種情況也有其不足之處，后輪在轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑會(huì)比前輪大（如圖6所示），因而產(chǎn)生與前輪轉(zhuǎn)向一樣的前輪內(nèi)輪差，并且由于后輪半徑大于前輪，在車輛停車時(shí)必須留有后輪轉(zhuǎn)向行程的空隙，因此無法停靠路面邊緣。

圖4 前輪轉(zhuǎn)向車情況

圖5 后輪轉(zhuǎn)向情況

圖6 前、后輪轉(zhuǎn)向出庫情況

5 結(jié)束語

綜上所述，后輪轉(zhuǎn)向所具有的優(yōu)勢(shì)為：車輛總體質(zhì)量大大減輕，車身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化使其能量利用率大大提高，駕駛視角更加開闊，且重心側(cè)移角為零。然而后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)主要集中在控制系統(tǒng)上，工作時(shí)控制系統(tǒng)只需要接受車輛的各種動(dòng)態(tài)行駛信號(hào)（來自各傳感器），然后綜合判斷輸出一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)向角度，任何計(jì)算的失誤都有可能導(dǎo)致車輛失去控制，特別是在車輛高速行駛時(shí)。

對(duì)于現(xiàn)有的純電動(dòng)汽車來說，相關(guān)的科技人員在車載電源系統(tǒng)、電控系統(tǒng)以及電機(jī)系統(tǒng)都已取得了一定的研究成果，但是很少有在車身結(jié)構(gòu)上作出一定的改進(jìn)，另外新能源汽車的瓶頸問題也讓我們止步不前。后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)也還沒有步入實(shí)際應(yīng)用階段，主要的原因是缺少客觀認(rèn)識(shí)和科研投入力度不足，但近年來在一些指標(biāo)[5]上面（穩(wěn)態(tài)側(cè)偏角，橫擺角速度和側(cè)向角速度的幅相頻特性等）還是有較大程度的改善的（如下式所示）。

其中：E為軌道誤差；δ為方向盤角位移；y為側(cè)向角速度；β為重心側(cè)偏角速度。

后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究可以說是一種創(chuàng)新性的研究方向，其有前輪轉(zhuǎn)向無法帶來的特性，雖然后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)真正運(yùn)用于汽車上面可能會(huì)有一些問題，例如安全問題，交通法規(guī)，控制程序等，但是只要有更多人去鉆研這個(gè)問題，相信在不久的未來利用后輪轉(zhuǎn)向的純電動(dòng)汽車會(huì)出現(xiàn)在公路上。