馬慧，黃兵鋒，范衛(wèi)兵，薛敏

（1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)汽車(chē)集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

特種車(chē)由于其工作環(huán)境特殊，需要實(shí)現(xiàn)極低車(chē)速下的大轉(zhuǎn)角、越野工況下的穩(wěn)定性和通過(guò)性以及高速下的操縱穩(wěn)定性，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（four wheel steering，4WS）可有效提高汽車(chē)低速轉(zhuǎn)向時(shí)的機(jī)動(dòng)性及高速轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱穩(wěn)定性［1］。隨著研究的不斷深入，4WS系統(tǒng)功能進(jìn)一步得到提升，如美賽德?tīng)柛９鹃_(kāi)發(fā)的Quadrasteer4WS系統(tǒng)、日產(chǎn)公司在Skyline與InfinitiG車(chē)系上應(yīng)用的四輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及雷諾公司將在其Laguna Coupe上采用的“Active Drive”4WS技 術(shù) 和 寶 馬 公 司 第5代 新7Serise的電動(dòng)4WS系統(tǒng)［2］。朱晨曦等利用MATLAB/Simulink對(duì)模糊控制的四輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行了驗(yàn)證，表明基于最優(yōu)控制4WS的車(chē)輛具有良好的橫向控制穩(wěn)定性［3］；周麗等設(shè)計(jì)了以橫擺力矩輸出作為反饋的模糊控制器，提高了汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性［4］。文中基于某特種車(chē)輛加裝了后輪液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，與原有的前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一起，由4WS控制器協(xié)調(diào)控制，構(gòu)成了4WS系統(tǒng)。聯(lián)合TruckSim與MATLAB進(jìn)行了對(duì)比仿真，驗(yàn)證了4WS系統(tǒng)在機(jī)動(dòng)性和操縱穩(wěn)定性方面的改進(jìn)。

1 4WS系統(tǒng)功能

在低速工況、中速工況和高速工況下，前后輪轉(zhuǎn)角關(guān)系變化采用不同的控制策略實(shí)現(xiàn)，從而保證車(chē)輛在高速下的穩(wěn)定性和低速下的機(jī)動(dòng)性。在高速行駛或側(cè)向風(fēng)力作用時(shí)，后輪與前輪同相位轉(zhuǎn)向，有利于減少車(chē)輛側(cè)滑或扭擺，對(duì)某特種車(chē)輛在各種工況下的行駛均有改善，提高了汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性［5］。低速轉(zhuǎn)彎時(shí)，前后車(chē)輪異相位轉(zhuǎn)向，減小車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎直徑（轉(zhuǎn)彎直徑≤12m）。高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，前后輪主要作同相位轉(zhuǎn)向，減少車(chē)身的橫向擺動(dòng)，改善車(chē)輛甩尾特性，從而提高車(chē)輛操縱穩(wěn)定性。越野行駛時(shí)需要退出后輪模式，即鎖定后輪，避免出現(xiàn)車(chē)身不穩(wěn)定的現(xiàn)象；在4WS出現(xiàn)故障的情況下，后輪應(yīng)回正并鎖定退至2WS模式。在進(jìn)入狹窄的道路作業(yè)時(shí)，采用低速同向模式實(shí)現(xiàn)側(cè)方位停車(chē)。

2 后輪液壓轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)

基于某特種車(chē)輛設(shè)計(jì)了后橋電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由4WS控制器通過(guò)液壓油路驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，對(duì)后橋轉(zhuǎn)向進(jìn)行獨(dú)立控制，并根據(jù)不同行駛工況實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)向模式。在轉(zhuǎn)向時(shí)保持車(chē)輛的質(zhì)心側(cè)偏角基本為零，并在低速時(shí)極大地減少汽車(chē)轉(zhuǎn)彎直徑，提升車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性能。后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用前饋式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由ECU、液壓系統(tǒng)、傳感器、后橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和動(dòng)力單元等組成，其中動(dòng)力單元包含1個(gè)液壓泵，由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.1 后橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了改善底盤(pán)空間，便于整車(chē)總布置，設(shè)計(jì)了新型集成式液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)后橋轉(zhuǎn)向，使后橋轉(zhuǎn)向的角度達(dá)到前橋同等水平。根據(jù)整車(chē)需要，具體轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)值由液壓缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保證。集成式液壓缸具有2個(gè)互相平行的液壓缸筒，包括負(fù)責(zé)主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能的驅(qū)動(dòng)缸和負(fù)責(zé)對(duì)中回正功能的對(duì)中缸，如圖1所示。2個(gè)液壓缸全部獨(dú)立封閉，可避免后輪由于受道路沖擊而帶來(lái)的意外轉(zhuǎn)向動(dòng)作，對(duì)后輪進(jìn)行鎖定。驅(qū)動(dòng)缸中的橫拉桿與對(duì)中缸中活塞桿左端固連，實(shí)現(xiàn)同步線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)。該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相比傳統(tǒng)與獨(dú)立懸架匹配的雙擺臂式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，具有質(zhì)量輕、布置方便和輸出力大等優(yōu)點(diǎn)。后橋轉(zhuǎn)向液壓缸中集成雙芯片采用了線(xiàn)性位移傳感器以檢測(cè)前輪轉(zhuǎn)角，傳感器通過(guò)標(biāo)定測(cè)試與后橋執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配，確定各位移信號(hào)的代碼含義、信號(hào)傳輸協(xié)議及傳感器精度，與4WS控制器進(jìn)行通訊。

圖1 后橋轉(zhuǎn)向機(jī)械系統(tǒng)布置圖

2.2 液壓系統(tǒng)的工作過(guò)程

系統(tǒng)包括主動(dòng)轉(zhuǎn)向回路和應(yīng)急對(duì)中回路，液壓油路原理見(jiàn)圖2。系統(tǒng)中共有2組液壓缸筒機(jī)構(gòu)，每組液壓缸都有對(duì)應(yīng)的1個(gè)二位二通電磁閥作為控制器。前輪轉(zhuǎn)角通過(guò)線(xiàn)性位移傳感器進(jìn)行反饋，可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)電磁閥的單獨(dú)控制。

圖2 液壓油路示意圖

主動(dòng)轉(zhuǎn)向回路負(fù)責(zé)系統(tǒng)正常時(shí)的主動(dòng)轉(zhuǎn)向和回位；應(yīng)急對(duì)中回路負(fù)責(zé)系統(tǒng)故障時(shí)使后橋立即對(duì)中并鎖死，此時(shí)整車(chē)恢復(fù)成只有前輪轉(zhuǎn)向的應(yīng)急轉(zhuǎn)向模式。在主驅(qū)動(dòng)油路，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)向系統(tǒng)供油，通過(guò)液壓泵出油過(guò)濾器使流過(guò)該管路的液壓油一定，控制著液壓轉(zhuǎn)動(dòng)和回正時(shí)的路徑，可防止機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)動(dòng)或者是回正的過(guò)程中由于載荷突然增大等故障造成的液壓油回流。主驅(qū)動(dòng)油路回油路中的節(jié)流閥用以克服負(fù)的載荷產(chǎn)生和載荷突變，對(duì)車(chē)輪擺振起穩(wěn)定作用，使系統(tǒng)中多余的流量回流至油箱，使液壓回路中的壓力保持恒定；對(duì)中油路中的節(jié)流閥具有控制流量的作用，降低對(duì)中時(shí)對(duì)中缸的回正速度，保證了轉(zhuǎn)向動(dòng)作的穩(wěn)定性。不同位置的電磁閥在系統(tǒng)中起著不同作用，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)缸舉升的快慢控制，電磁閥開(kāi)通液壓油流過(guò)油缸流量增大，油缸舉升快，其關(guān)閉則油缸舉升速度較慢。由高壓儲(chǔ)能器保證能源供應(yīng)，目標(biāo)轉(zhuǎn)向速比通過(guò)的比例伺服控制。在對(duì)中油路，由高壓儲(chǔ)能器保證能源供應(yīng)。在系統(tǒng)發(fā)生故障、控制器燒毀和整車(chē)失電情況下均能起到鎖止轉(zhuǎn)向橋功能。

系統(tǒng)上電后，液壓油經(jīng)電磁閥下位、節(jié)流閥和比例伺服電磁閥，推動(dòng)液壓缸的活塞桿伸出，實(shí)現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。后輪回正時(shí)，驅(qū)動(dòng)缸短路閥開(kāi)通，液壓油經(jīng)過(guò)液壓泵、溢流閥，關(guān)閉對(duì)中缸短路閥，推動(dòng)對(duì)中缸的活塞桿伸出，實(shí)現(xiàn)后輪回正。

3 4WS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)工作電壓為5V，而車(chē)輛輸入供電電壓通常為18～28V，因此選用電源芯片A5972D，采用開(kāi)關(guān)降壓方式對(duì)電源電路進(jìn)行降壓，轉(zhuǎn)換效率高，具備過(guò)溫過(guò)流保護(hù)，符合汽車(chē)級(jí)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。電磁閥工作電流為1A，采用驅(qū)動(dòng)芯片VND7NV04，可持續(xù)驅(qū)動(dòng)3A的電磁閥負(fù)載，其內(nèi)部集成過(guò)溫、過(guò)流及短路保護(hù)功能，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，系統(tǒng)電源采用電感儲(chǔ)能式DC-DC降壓。采用型號(hào)為SPC5606B的32位高性能汽車(chē)級(jí)單片機(jī)，CPU主頻為64MB，具有1MB的片內(nèi)flash以及豐富的外部接口資源，其中多路CAN接口可以滿(mǎn)足系統(tǒng)與傳感器間、系統(tǒng)與其他車(chē)載控制器間的數(shù)據(jù)信息交流。選擇線(xiàn)性位移傳感器（LVDT），將其采集的數(shù)據(jù)作為輸入量，LVDT具有CAN總線(xiàn)通訊接口、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)、靈敏度高、線(xiàn)性范圍寬、重復(fù)性好，分辨率高、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、零位可恢復(fù)等特點(diǎn)。根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)主控制器供電電路如圖3所示，系統(tǒng)為主控制器與傳感器分別設(shè)計(jì)了2套獨(dú)立的供電電路，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響主控制器的正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。本電路在滿(mǎn)足穩(wěn)定設(shè)定電壓輸出外，同時(shí)能濾除紋波、吸收浪涌、防反接、有一定過(guò)流過(guò)熱保護(hù)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖3 系統(tǒng)電源電路

3.2 軟件設(shè)計(jì)

圖4為4WS系統(tǒng)的主程序流程圖。車(chē)輛啟動(dòng)初始，系統(tǒng)通過(guò)自檢模式，判斷是否有故障存在，若4WS模式出現(xiàn)故障則后輪回正且鎖定，退至2WS的模式，若2WS模式也出現(xiàn)故障，則進(jìn)入應(yīng)急轉(zhuǎn)向模式，如圖4中虛線(xiàn)所示，若模式出現(xiàn)故障，后輪鎖定，進(jìn)入2WS模式。無(wú)故障存在時(shí)，控制器將采集的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車(chē)速信號(hào)根據(jù)前后輪轉(zhuǎn)向關(guān)系圖轉(zhuǎn)化為控制器可識(shí)別的電信號(hào)，控制各電磁閥相位的開(kāi)閉，驅(qū)動(dòng)后輪作相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制整車(chē)期望的轉(zhuǎn)向動(dòng)作。同時(shí)后輪轉(zhuǎn)角信號(hào)反饋至控制器進(jìn)行對(duì)比修正。系統(tǒng)所有動(dòng)作控制程序函數(shù)均獨(dú)立封裝，安全可靠，能實(shí)現(xiàn)4WS功能。

圖44 WS系統(tǒng)流程圖

4 實(shí)車(chē)與仿真試驗(yàn)

4.1 二自由度4WS某特種車(chē)輛模型的建立

4WS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)確保車(chē)輛無(wú)側(cè)滑，即質(zhì)心側(cè)偏角的理想值為零，橫擺角速度增益與兩輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)保持一致，因此將二自由度的前輪轉(zhuǎn)向車(chē)輛模型的橫擺角速度增益作為理想跟蹤模型，其運(yùn)動(dòng)微分方程［1］為

由運(yùn)動(dòng)微分方程可求得理想橫擺角速度：

式中：m為整車(chē)質(zhì)量；a為整車(chē)質(zhì)心到前軸的距離；b為整車(chē)質(zhì)心到后軸的距離；βd為車(chē)輛期望的橫擺角速度；krd為比例系數(shù)，即二自由度2WS汽車(chē)橫擺角速度增益；τrd為一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；δf為前輪轉(zhuǎn)角；Iz為整車(chē)?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；kf、kr分別為前后輪側(cè)偏力。某汽車(chē)相關(guān)參數(shù)如表1所示，根據(jù)表1參數(shù)以及數(shù)學(xué)模型在MATLAB/Simulink中建立2WS模型如圖5所示。模糊PID控制器的輸入變量是系統(tǒng)誤差E和誤差變化量EC，輸出變量是Δkp、Δki、Δkd。在MATLAB的模糊控制工具箱中搭建模糊PID控制器，模糊控制系統(tǒng)的Simulink模型如圖6所示。

表1 汽車(chē)參數(shù)

圖5 2WS模型

圖6 模糊PID控制器

仿真采用TruckSim2016.1 搭建整車(chē)及各零部件的模型，利用MATLAB/Simulink搭建4WS控制系統(tǒng)模型，并與TruckSim軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，聯(lián)合仿真控制模塊如圖7所示。在TruckSim中，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)分別裝配有4WS系統(tǒng)和2WS系統(tǒng)的某特種車(chē)進(jìn)行了仿真對(duì)比。分別通過(guò)質(zhì)心側(cè)偏角、車(chē)輪轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)傾角等方面來(lái)評(píng)判4WS車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性、靈活性、機(jī)動(dòng)性等特性［6］。

圖7 聯(lián)合仿真控制模塊

4.2 實(shí)車(chē)試驗(yàn)

1）最小轉(zhuǎn)彎直徑試驗(yàn) 低速工況下依據(jù)GB/T 12540—2009進(jìn)行最小轉(zhuǎn)彎直徑試驗(yàn)［7］。試驗(yàn)結(jié)果表明，低速時(shí)4WS車(chē)輛質(zhì)心軌跡的轉(zhuǎn)彎直徑為11.8m，2WS車(chē)輛質(zhì)心軌跡的轉(zhuǎn)彎直徑為18.5m?？紤]到車(chē)身尺寸對(duì)轉(zhuǎn)彎直徑的影響，4WS車(chē)的最小轉(zhuǎn)彎直徑約為12m，2WS仿真結(jié)果約為19m。可見(jiàn)4WS車(chē)輛的后輪異相轉(zhuǎn)向，極大減小了最小轉(zhuǎn)彎直徑，實(shí)車(chē)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖8 最小轉(zhuǎn)彎直徑實(shí)車(chē)試驗(yàn)

2）蛇形試驗(yàn) 因試驗(yàn)實(shí)車(chē)屬于N2類(lèi)車(chē)型，依據(jù)GB/T12540—2009設(shè)置蛇形試驗(yàn)的樁距為30m，基準(zhǔn)車(chē)速為50km·h?1，最高車(chē)速不超過(guò)80km·h?1。當(dāng)車(chē)速達(dá)到70km·h?1時(shí)，2WS汽車(chē)失穩(wěn)；當(dāng)車(chē)速達(dá)到75km·h?1時(shí)，4WS汽車(chē)也失穩(wěn)。試驗(yàn)中，車(chē)速為50～70km·h?1，處理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。結(jié)果表明：在同樣的車(chē)速下行駛且目標(biāo)軌跡相同時(shí)，與2WS車(chē)輛相比，4WS車(chē)輛只需要較小的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角即可完成繞樁試驗(yàn)，行駛時(shí)偏離車(chē)道中心的距離略小于2WS車(chē)輛。4WS車(chē)輛的側(cè)傾角、側(cè)向加速度、橫擺角速度均明顯低于2WS車(chē)輛，隨著車(chē)速的不斷增加，2WS車(chē)輛后軸側(cè)滑程度比4WS車(chē)輛嚴(yán)重，更早出現(xiàn)失穩(wěn)情況。因此4WS汽車(chē)在蛇形試驗(yàn)中的操縱穩(wěn)定性明顯好于2WS車(chē)輛。

表2 蛇形試驗(yàn)實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

4.3 仿真試驗(yàn)

1）最小轉(zhuǎn)彎直徑試驗(yàn) 最小轉(zhuǎn)彎直徑試驗(yàn)為駕駛員閉環(huán)測(cè)試，車(chē)速為10km·h?1。最終4WS車(chē)輛轉(zhuǎn)彎直徑為9.85m，2WS轉(zhuǎn)彎直徑為16.23m。因?yàn)榈退俟r時(shí)，4WS車(chē)輛前后輪異相轉(zhuǎn)動(dòng)，增加了低速轉(zhuǎn)彎的靈活性，縮短了轉(zhuǎn)彎直徑，從而使得大型車(chē)輛具有如同小型車(chē)輛的操縱及泊車(chē)敏捷性。

2）蛇形試驗(yàn) 從圖9a中可以看出，在同一車(chē)速下，2WS車(chē)型的側(cè)傾角比4WS要大，在行駛的過(guò)程中，4WS汽車(chē)能夠保持更好的穩(wěn)定性和安全性。從圖9b看出，在同一車(chē)速下，4WS汽車(chē)的方向盤(pán)更加輕便、靈活，大大減少了駕駛員的駕駛途中的疲勞感。從圖9c可看出，在同一車(chē)速下，4WS汽車(chē)的橫擺角速度震蕩幅度明顯較小，能夠有效地改善汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。

圖9 蛇形仿真試驗(yàn)

5 結(jié)論

4WS汽車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)明顯減小了質(zhì)心側(cè)偏角。低速轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)彎直徑明顯減小，提高了汽車(chē)的操縱性和機(jī)動(dòng)性；高速轉(zhuǎn)向時(shí)，汽車(chē)的穩(wěn)定性和抗側(cè)翻能力明顯提高。后橋液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用了高精度的線(xiàn)型位移傳感器，可根據(jù)行駛工況自動(dòng)對(duì)后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)中或鎖止，后輪可實(shí)現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向，大幅度降低了最小轉(zhuǎn)彎直徑。