基于阿克曼轉向角在四驅電動汽車中的運用分析

申川川

河南省安陽市 455000

1 引言

隨著新能源電動汽車的發展，國內外對電子差速器的研究也逐漸增多。采用電子差速器，利用軟件對各驅動輪的轉速和轉矩進行合理分配，可以減少了機械傳動部件，使電動汽車具有傳動效率高、空間布置靈活、易于實現底盤系統空間布局優點。阿克曼轉向原理要求車輪軸線在汽車轉向時相交于轉向中心，不考慮其他干擾因素，車輪在轉向時以純滾動、無側偏的方式轉動，防止車輪磨損過快。阿克曼轉向理論是一種理想的轉向狀態，不過很多電動汽車轉向機構無法完全滿足阿克曼轉向角，都存在一定程度的誤差。這其中的原因主要與轉向機構的預設參數有關。

2 阿克曼轉向原理概述

電動汽車阿克曼轉向原理是指在車輛忽略側向力、輪胎偏磨等因素的理想狀態下，電動汽車的所有車輪的旋轉中心線能最終交于一點。

由阿克曼原理得到的前輪內輪轉角和外輪轉角的關系可表示為圖1簡易幾何模型：

四驅電動汽車根據傳統汽車阿克曼轉向理論進行設計時，在低速時能保證汽車順利轉彎而不發生磨胎現象，不僅提高汽車輪胎使用壽命，還增加了駕駛電動汽車的安全性。

根據上述阿克曼理論的可行性，為了便于實驗開展分析，在低速情況下，對前輪進行阿克曼轉向幾何學進行分析，故在以下差速轉向設計分析中不考慮路況、輪胎偏模、車輛質心等干擾參數。

圖1中 為前輪的左右轉向角，K為轉向輪中心距，L為電動汽車的軸距。由此根據幾何計算得出車輪轉向角公式（1）如下：

式1

假設在理想運行狀態下，得出車輪行駛速度關系公式（2）：

式2

在公式（2）中V為電動汽車的重心速度，R為電動汽車重心到轉向中心的距離；V1、V2分別表示前輪左右輪的車速；R1、R2分別表示為前輪左右輪中心到交匯點的距離。

假定V0表示汽車的初始速度，根據汽車轉向時幾何關系圖，可以計算前輪左右輪的轉速V1、V2得出公式3、公式4：

式3

當轉動方向盤時，系統判定方向盤轉動量計算出前后輪的轉動角度，最后根據轉向角信息信號和汽車的初始速度分別計算出前輪左右輪速度V1、V2，最后驅動電機以V1和V2為轉速目標設定值，對轉向輪進行干涉。

圖1 阿克曼簡易幾何模型

3 四驅電動汽車阿克曼轉向優化思路分析

由于分布式驅動電動汽車的驅動輪轉矩和轉速均可獨立控制，使得分布式驅動電動汽車的驅動系統效率更優，更加利于整車布置，動力學響應的速度更快。

根據阿克曼轉向原理得知汽車的轉向角約為30度，可以把前后輪中左右兩個輪的轉向節設計連接裝置，通過螺桿式拉桿連接起來，利用伺服電機來控制轉向角的變化，當車身控制模塊PIM收到轉向信號時，控制伺服電機運轉，通過螺桿式連桿控制左右輪的轉向，當車身控制模塊PIM接收到大變量轉向信號，同時控制前后伺服電機運轉，實現前后輪同時轉向，并時刻采集轉向節角度位置傳感器的信號來控制轉向角度的變化和修正。車身模塊控制程序根據轉向節角度傳感器的信號反饋，來控制電機做差速運轉來配合轉向過程。由于后輪介入轉向過程，所以車輛的轉彎半徑非常小，并且轉向角度精確。行駛中根據轉向角度位置傳感器的信號來加強修正，保證車輛的直線行駛狀態。

4 實車驗證分析

本文采用蔚來ES8作為試驗車型，該車型驅動模式為雙電機全時四驅模式，測得該車軸距為L=3010mm，輪距B=1925mm，內外側車輪中心距=1755mm。

對左右前輪實驗數據測算后得出下列對照曲線圖：

下述圖中曲線與阿克曼理論數值基本吻合，證明阿克曼轉向理論在電動汽車上運用是切實可行的。

5 四驅電動汽車后輪轉向控制方法優化步驟

（1）ECU將角度傳感器和車速傳感器信號通過CAN總線傳遞給后輪控制器；

（2）后輪控制器對車速進行計算，若車速高于25km/h，則執行步驟4，若車速低于25km/h，則執行步驟3；

（3）后輪轉向控制器給后輪轉向電機斷電，由于電機不工作所以后輪不發生轉向，前輪根據阿克曼理論起主導轉向作用；

圖2 左前輪實驗數值與阿克曼理論數值對照

圖3 右前輪實驗數值與阿克曼理論數值對照

（4）后輪轉向控制器計算出轉向偏差值，得到后輪跟隨轉向角度；

（5）后輪位置傳感器將轉向電機轉動的位置數據反饋給后輪轉向控制器，并由其計算出實際后輪轉向角度；

（6）后輪轉向控制器對比預設計算出后輪跟隨轉向角度與實際后輪轉向角度，得出兩者的偏差值；

（7）后輪轉向控制器將偏差值作為后輪轉向電機的供電時間參考值，隨后后輪轉向電機根據通電時間轉動相應的角度，一般規定電壓信號左轉為正電壓，右轉為負電壓。

（8）后輪轉向控制器不斷計算誤差值，直至誤差值等于0，后輪不再介入電動汽車轉向操作。

6 結語

根據布勞海特理論，電動汽車在運用阿克曼前輪轉向理論的同時，控制后輪也適當地轉向（控制在5度以下），可使電動汽車轉向在高速時有良好的性能。同時在電動汽車轉向機構的優化設計時，要考慮到優化設計變量和約束條件，轉向機構的傳動角應該在一定的范圍之內，以防機構在運動過程中桿件受力過大。

總之，汽車轉向機構的轉向中心誤差值越小，表明轉向機構的轉向特性越好，與阿克曼轉向理論匹配程度越高。轉向前束角有正負值之分，正值表明轉向電動汽車轉向程度過大，負值表明電動汽車轉向程度不足，轉向角前束越小則電動汽車轉向特性越佳。