车辆转向系统及研究

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 车辆转向系统及研究 孟玲琴 , 李纯彬 , 王志伟 (河南机电高等专科学校 机电工程系 , 河南 新乡　453002) 摘要 :介绍了车辆转向系统的组成及工作情况 ,分析了现有转向系统的优缺点及其应用场合 ,提出了转向系统有待解决的问题 及发展趋势。 关键词 :转向系统 ; 机构 ; 操纵 ; 驱动 中图分类号 : U463. 4　　　　　文献标识码 : A　　　　　文章编号 : 1006- 0006 (2008) 04- 0109- 02 Study of Veh icle Steer ing System M EN G L ing2qin, L I Chun2bin, WAN G Zhi2w ei (Henan Mechanical and Electrical Engineering College, Xinxiang 453002, China) Ab s tra c t: The paper Introduced the composition and the working condition of the vehicles steering system, analyzed the merit and fault of the existing steering system, and its app licated field, p resented the solution question and the development tendency of the steering system. Key wo rd s: Steering system; O rganization; Steer; D rive 　　车辆在行驶过程中变换车道和转弯时 ,司机需通过专门的机 构———车辆转向系统 ,使车辆改变行驶方向。另外 ,转向系统还可以 修正因路面倾斜等原因引起的车辆跑偏。因此 ,转向系统不仅关系 到车辆行驶安全 ,还关系到延长轮胎寿命及降低油耗等。 随着科学技术的发展 ,市场对车辆性能的要求也越来越高 ,特别 是车辆的操纵稳定性。转向系统的好坏直接影响到车辆的操纵稳定 性、转向轻便性以及驾驶员的工作强度和工作效率 ,因此转向系统的 设计是车辆设计中很重要的一个部分。 1　基本要求及关键技术 为使车辆实现车轮无侧滑的转向 ,车轮的偏转在车辆行走系统 为刚性、车辆行驶过程中无侧向力的前提下 ,整个转向过程中全部车 轮必须围绕同一瞬时中心相对于地面作圆周滚动 [ 1～2 ] ,例如对于图 1所示两轮转向情况 ,前内轮转角β与前外轮转角α之间应满足如 下公式 cotα - cotβ = B /L (1) 图 1　两轮转向要求 F ig. 1 S tee ring D em and o f Le ft and R igh tW hee ls 车轮的偏转是通过转向机构带动的。对于两轮转向车辆 ,为减 小车轮侧滑 ,转向机构应使两前轮偏转角在整个转向过程中始终尽 可能精确地满足式 ( 1 )关系。因此从运动学角度来看 ,两轮转向机 构的设计涉及到的关键技术主要是 :确定能满足转向传动功能要求 的机构结构组成;确定能近似实现式 ( 1 )关系的机构运动尺寸。从 系统和机构学角度来看 ,转向系统的组成及其相互关系可用框图 2 表示 ,其中转向机构是该系统的执行机构。 图 2　转向传动系统的组成 F ig. 2 Com po s itio n o f S tee ring Sys tem 2　两轮转向 2. 1　技术现状 2. 1. 1　与非独立悬架配用的转向机构 1)转向梯形后置 ,转向直拉杆纵置 如图 3a所示 ,在前桥仅为转向桥时 ,由转向横拉杆 5和左、右转 向梯形臂 4组成的转向梯形一般布置在前桥之后 ,以避免其在转向 过程中与车轮发生干涉。 2)转向梯形前置 ,转向直拉杆纵置 如图 3b所示 ,在发动机较低或转向桥兼驱动桥的情况下 ,为避 免干涉 ,往往将转向梯形布置在前桥之前。 3)转向梯形前置 ,转向直拉杆横置 如图 3c所示 ,若转向摇臂 1不是在车辆纵向平面内前后摆动 , 而是在与道路平行的平面内左右摆动 ,则可将转向直拉杆 2横置 ,并 借球头销直接带动转向横拉杆 5,从而使两侧梯形臂转动。 1. 转向摇臂 　2. 转向直拉杆 　3. 转向节臂 　4. 梯形臂 　5. 转向横拉杆 图 3　与非独立悬架配用的转向机构 F ig. 3 S tee rng M echan ism w ith No n2indep enden t S u sp en s io n 收稿日期 : 2007- 11- 23 ·901· 第 35卷第 4期 　　　　　　　　　　　　　　　拖拉 机 与 农 用 运 输 车 　　　　　　　　　　　　　　　　Vol. 35 No. 4 2008 年 8 月　　　　　　　　　　　　　　　Tractor & Farm Transporter　　　　　　　　　　　　　　　　Aug. , 2008 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 2. 1. 2　与独立悬架配用的转向机构 [ 3～4 ] 图 4为与循环球式 (BS型 )转向器配用的转向机构 ,转向摇臂 1 为主动件 ,绕固定铰点作往复摆动。其中图 4a中两根转向横拉杆 3, 4布置在车轴的后方 ,形成两段式结构 ;图 4b中两根转向横拉杆 3, 4 布置在车轴的前方 ,和转向直拉杆 2一起构成三段式的前置梯形 结构。 1.转向摇臂 　2.转向直拉杆　3.左转向横拉杆　4.右转向横拉杆　5.左梯形臂 6. 右梯形臂 　7. 摇杆 　8. 悬架左摆臂 　9. 悬架右摆臂 图 4　与循环球式转向器配用的转向机构 F ig. 4 S tee rng M echan ism w ith C yc le Sp he rica lD eflec to r 图 5为与齿轮齿条式 (RP型 )转向器配用的转向机构两种布置 形式 ,其中图 5a中转向器位于前轴后方 ,前置梯形 ;图 5b转向器位 于前轴前方 ,前置梯形。 图 5　与齿轮齿条式转向器配用的转向机构 F ig. 5 S tee rng M echan ism w ith R ack W hee lD eflec to r 2. 2　存在的问题 车辆两轮转向技术虽经历了近 200年的发展 ,应用也较广泛 ,但 仍存在如下主要问题 : 1)两轮转向车辆在转弯时 ,现有各类转向机构均不能保证全部 车轮绕瞬时中心转动 ,从而在技术上难以完全消除车辆行驶中的车 轮侧滑。 2)独立悬架车辆中的转向梯形断开点难以确定 ,这将导致横拉 杆与悬架导向机构之间运动不协调 ,使车辆在行驶中易发生摆振 ,从 而加剧轮胎磨损 ,转向性能随车速、转向角、路面状态的变化而变化 , 车速越高 ,操纵稳定性越差。 3)在采用两轮转向方式时转弯半径较大 ,车辆的机动灵活性 不高。 随着电子技术的不断发展及在车辆中的应用 ,可以从多方面改 善转向系统的各种性能 ,但这种改善往往是局部的和微小的。就目 前的技术和经济性而言 ,两轮转向在性能上难以再有突破性进展。 3　四轮转向 3. 1　方式的提出及其特点 鉴于两轮转向方式存在的诸多不足 ,日本于 20世纪 60年代首 先提出通过四轮转向方式来提高车辆的操纵稳定性 ,到 20世纪 80 年代末 ,四轮转向系统得到实际应用。1990年 ,本田、马自达、尼桑 3 家汽车公司首先在部分轿车上推出了四轮转向系统。1991年 ,美国 克莱斯勒和日本的三菱也推出了四轮转向车型。 所谓四轮转向 ,是指车辆行驶过程中四个车轮能同时发生偏转 的转向方式。其中后轮偏转角一般不超过 5°。根据转向时前、后轮 偏转方向的异同分为同向偏转及逆向偏转两类。对于行驶中的四轮 车辆 ,当采用同向偏转时 ,车身的动态偏转减小 ,从而可显著提高车 辆高速行驶稳定性 ;当采用逆向偏转时 ,则可显著减小车辆转弯半 径 ,有利于车辆的转向调头。因此采用四轮转向方式时 ,在一定程度 上提高了横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应性能指标。所以四轮 转向方式具有转向能力强、转向响应快、直线行驶稳定性高、低速机 动性好等优点。 3. 2　驱动方式 实现四轮转向的关键是如何将转向盘的转动量传递给前后转向 轮 ,并为转向轮提供动力使其发生协调、联动偏转。本文根据转向盘 转动量传递途径以及转向轮动力来源的不同 ,对四轮转向系统作如 下的分类 [ 1 ]。 3. 2. 1　集中驱动 当用机械传动链将转向盘的转动量分别传递给前后轮转向机 构 ,从而在前后转向轮偏转量与转向盘的转动量之间形成确定的机 械联系时 ,即属集中驱动四轮转向系统。其结构框图如图 6所示 ,其 中前后转向轮偏转的驱动动力来自于转向盘以及由液压系统等提供 的辅助动力。 图 6　集中驱动四轮转向系统结构框图 F ig. 6 C en tra lized D riving S tee ring S ystem fo r 4W S 此类集中驱动转向系统可进一步分为机械式和机电控制式两 种 ,其差异主要在后轮偏转方向的操纵方式上。机械式集中驱动四 轮转向系统没有图 6中的电子控制单元虚框 ,前后轮的偏转方向和 偏转角大小均由转向盘操纵 ,并通过机械传动链获得确定的协调关 系。这种四轮转向系统结构简单 ,转向特性固定 ,与车速无关。对于 机电控制式集中驱动四轮转向系统 ,后轮偏转角大小由转向盘操纵 , 而后轮偏转方向则根据传感器获取的前轮偏转方向与角度以及车速 信息由控制单元确定。集中驱动四轮转向系统的制造成本较低 ,但 当传动链零件磨损后不能精确保证前后轮转角大小关系。 3. 2. 2　分散驱动 在图 7所示分散驱动四轮转向系统中 ,前轮转向动力由转向盘 直接提供 ,前转向轮偏转方向及偏转量与转向盘转动量之间通过机 械传动链形成确定关系 ;后转向轮偏转的操纵由专门的液压系统或 电动机提供动力 ,至于后轮偏转方向及偏转量则根据传感器获取的 转向盘转动方向与转角信息以及车速等其他信息由控制单元综合确 定。分散驱动四轮转向系统的基本特征在于 :前后转向轮偏转的驱 动动力是分开的 ,前后转向轮偏转方向和偏转角度之间不是靠机械 传动链形成固定的联系 ,而是靠电子控制系统进行协调控制实现预 设关系 ,因此后轮转向控制灵活、方便 ,能够获得更加精确和复杂的 转向特性。 图 7　分散驱动四轮转向系统结构框图 F ig. 7 D isp e rs io n D riving S tee ring S ys tem fo r 4W S 3. 3　四轮转向的研究方向 对四轮转向技术的研究主要表现在硬件技术和软件技术两个方 面。硬件技术的发展体现在如何采用新材料、新工艺、新结构等来更 好地发挥出四轮转向的优势 ,更好地实现四轮转向系统所预定的目 标 ;研究和开发高灵敏度、高精度、低成本的传感器和控制系统 ,为四 轮转向系统的具体应用提供可靠成熟的技术条件。 目前 ,尽管科研人员从结构到控制原理上对四轮转向进行了大 量的研究 ,但尚未取得突破性进展 ,四轮转向技术还没有真正地步入 全面推广阶段。其主要原因在于尽管四轮转向技术的一些开环指标 有较大程度的改善 ,但是对其进行主观评价的效果并不理想。这就 要求从主观评价出发 ,考虑闭环综合性能指标 ,即将人 -车 -路看成 (下转第 119页 ) ·011· 拖拉机与农用运输车 　第 4期 2008年 8月 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 表 1　征兆量词及其对应的权系数 [ 3 ] Tab. 1 S ign Q uan tifie rs and Co rre spo nd ing W e igh ts 　　　A B rij 不可能引起 未变 0 基本不可能引起 很轻微 0～0. 3 有点可能引起 轻微 0. 3～0. 5 可能引起 不太明显 0. 5～0. 7 很可能引起 明显 0. 7～0. 9 非常可能引起 比较明显 0. 9～1. 0 必然引起 很明显 1 　　注 ① A为故障征兆与故障原因之间的逻辑关系分析 ; B为故障征兆的表 现程度。 3. 2　制冷不足故障征兆及原因分析 1)故障征兆有 5个 ,并表示为 :出风口不凉 ( x1 ) ;制冷剂循环量 少 ( x2 ) ;压缩机不能正常运转 ( x3 ) ;高压系统压力过高 ( x4 ) ;低压系 统压力过低 ( x5 )。 2)故障原因有 6个 ,并表示为 :制冷剂过少 ( y1 ) ;制冷剂过多 ( y2 ) ;温控器调整不当 ( y3 ) ;电磁离合器打滑 ( y4 ) ;冷凝器散热片脏 污 ( y5 ) ;膨胀阀堵塞 ( y6 )。 3. 3　建立模糊关系矩阵 通过对搜集到的汽车维修企业关于汽车空调制冷不足的大量故 障诊断案例资料进行统计分析 ,确定其一故障征兆 x i是由某一故障 原因 y j引起的可能性大小的具体百分比数值 (即隶属度或权系数 ) , 可得到模糊关系矩阵 ,如表 2所示。 表 2　汽车空调制冷不足故障征兆与故障原因集 Tab. 2 Fau lt S ign s and C au se s fo r Lack o f R efrige ran t o n Au tom o tive A ir2 co nd itio n ing 原因 征兆 x1 出风口 不凉 x2 制冷剂循 环量少 x3 压缩机不 能正常运转 x4 高压系统 压力过高 x5 低压系统 压力过低 y1 (制冷剂过少 ) 0. 7 0. 5 0 0 0. 7 y2 (制冷剂过多 ) 0. 1 0 0. 3 0. 3 0 y3 (温控器调整不当 ) 0. 6 0 0 0 0 y4 (电磁离合器打滑 ) 0. 8 0. 7 0. 9 0 0 y5 (冷凝器散热片脏 ) 0. 5 0 0 0 0 y6 (膨胀阀堵塞 ) 0. 7 0. 9 0. 5 0. 9 0. 9 3. 4　计算 根据对故障征兆的进一步检测可知 ,在制冷不足故障的 5个征 兆中 ,本次故障只有高压系统压力过高、低压系统压力过低和制冷剂 循环量少 3个征兆。根据故障征兆出现取 1 ,不出现则取 0的原则 , 其故障征兆集为 X = { x1 　x2 　x3 　x4 　x5 } = { 0, 1, 0, 1, 1} 根据表 2,模糊关系矩阵为 R = 0. 7 0. 1 0. 6 0. 8 0. 5 0. 7 0. 5 0 0 0. 7 0 0. 9 0 0. 3 0 0. 9 0 0. 5 0 0. 3 0 0 0 0. 9 0. 7 0 0 0 0 0. 9 因此 ,故障原因为 Y = X·R = (0, 1, 0, 1, 1) · 0. 7 0. 1 0. 6 0. 8 0. 5 0. 7 0. 5 0 0 0. 7 0 0. 9 0 0. 3 0 0. 9 0 0. 5 0 0. 3 0 0 0 0. 9 0. 7 0 0 0 0 0. 9 = (1. 2, 0. 3, 0, 0. 7, 0, 2. 7) 其中第 6项 2. 7为最大 ,即 y6 所对应的各种有关征兆的隶属度 的总值为最大 ,据此可认定故障原因为 y6 ,即膨胀阀堵塞。 经查确系膨胀阀堵塞。 4　结束语 汽车空调系统是一个相对独立且封闭的系统 ,但同时它又在很 大程度上受到发动机的影响和制约 ,因此在实际工作过程中 ,它会发 生多种故障。由于汽车空调系统的封闭性和复杂性 ,导致许多故障 征兆与原因之间的关系极不明朗且错综复杂 ,因此汽车空调系统故 障非常适合用模糊诊断技术进行诊断。这种诊断技术的应用 ,为实 现计算机辅助汽车空调故障诊断系统奠定了良好的基础。 参考文献 : [ 1 ]　周志英. 模糊数学在汽车故障诊断中的应用 [ J ]. 长沙大学学报 , 2005, 19 (2) : 19～21. [ 2 ]　汤峰 ,陈跃华. 模糊逻辑诊断方法在液压系统故障诊断中的应用 [ J ]. 筑 路机械与施工机械化 , 2007, 24 (5) : 56～58. [ 3 ]　肖云魁. 汽车故障诊断学 [M ]. 北京 :北京理工大学出版社 , 2001. (编辑 　郭聚臣 ) 作者简介 :崔选盟 (1963 - ) ,男 ,陕西西安人 ,副教授 ,交通部汽车专业学科带 头人 ,主要从事汽车检测与维修专业教学工作。 (上接第 110页 ) 一个系统 ,建立合理、可行的闭环性能评价体系 ,实现主观评价与客 观评价的统一。另外 ,还要把四轮转向技术与其他主动安全技术 (如 ABS、EBD、EPS等 )相结合 ,获得更高的车辆主动安全性。 4　发展趋势 1)新型转向机构的研究与应用。即围绕减小转向机构的误差、 优化转向机构的设计、减轻转向机构的磨损、提高转向机构的效率等 方面开展工作 ,加强新型转向机构的研究与应用。 2)助力转向技术的推广。即为减轻驾驶员疲劳 ,提高操纵轻便 性和稳定性 ,助力转向系统的应用日益广泛。 3)考虑主动安全性的转向技术。即从操纵轻便性、稳定性和安 全行驶的角度 ,广泛使用更先进的工艺方法制造、使用变速比转向 器、高刚性转向器 ,采用防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等 ,并 逐步推广。 4)先进电子技术和控制技术在转向系统中的应用。即随着传感 技术、控制技术的不断发展及在车辆中的应用 ,可以从多方面改善转 向系统的各种性能 ,诸如汽车的低速行驶轻便性、汽车的稳态转向特 性、汽车的回正能力、转向盘中间位置操纵稳定性、前轮的摆振等等。 参考文献 : [ 1 ]　屈求真. 四轮转向汽车的动力学控制现状及展望 [ J ]. 中国机械工程 , 1999 (8) : 27～31. [ 2 ]　《汽车工程手册 》编辑委员会. 汽车工程手册 (设计篇 ) [M ]. 北京 :人民 交通出版社 , 2001. [ 3 ]　王志伟 ,孟玲琴. 机械设计基础 [M ]. 北京 :北京理工大学出版社 , 2007. [ 4 ]　张春林 ,曲继方 ,张美麟. 机械创新设计 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 1999. (编辑 　姜洪君 ) 作者简介 :孟玲琴 (1973 - ) ,女 ,讲师 ,硕士 ,主要从事机构创新设计教学及研究。 ·911· 崔选盟 :基于模糊逻辑诊断技术的汽车空调系统故障诊断方法研究