基于线控转向系统的交叉变轮距底盘的探讨陶新武

基于线控转向系统的交叉变轮距底盘的探讨陶新武

陶新武

(杭州锣卜科技有限公司310000)

摘要：本文主要对车辆转向过程中每个车轮之间的运动关系进行分析，将我国农业的实际情况作为基础，提出基于阿克曼梯形转向结构的交叉变轮距底盘技术方案。之后将交叉变轮距底盘作为基础，结合了线控转向系统，由4个转向电机对4个车轮进行独立驱动，同时保留转向盘与转向轮的机械连接。通过研究与分析可以看出，该交叉变轮距底盘可以加强变轮距、前轮转向与四轮转向的效果，同时在其中使用线控转向系统可以增强汽车的转向性能，从而对农用机械的开发提供便利与帮助。

关键词：线控转向系统；车辆转向；交叉变轮距底盘；阿克曼转向梯形

前言：由于转向动力能源不同，可以将汽车转向系统划分成机械转向与动力转向两种。对于汽车转向系统方面，其可以确保车辆在任何工况基础上，在转动转向盘时使各项操作更加稳定，操作的稳定性与优化线控转向系统也作为当下的研究热点问题之一。在国外较为著名的汽车企业中已经开发出使用线控转向系统的概念车，但将其应用在农用机械中的相关研究还较少。对于变轮距的车辆转向系统来说，无论是国内还是国外研究都会将研究重点防在伺服控制与液压驱动转向车轮方面，从而达成阿克曼的转向目标。液压动力转向的效率很低，还会消耗很多能量，结构十分复杂，成本也十分高昂。但使用线控转向系统可以减少驾驶员的操作负荷，减少能量消耗[1]，还由于将转向盘与转向轮之间的机械连接取消，利用软件自由设定转向系统之间的传动比，因此可以将传统转向系统固定传动比存在的问题有效解决，还可以对其他系统集成性、统一性等相关控制提供便利。因此开发一种交叉变轮距底盘，将其作为基础加入线控转向系统，这样不仅可以充分满足车辆变轮距的多方面需求，还可以使变轮距车辆的转向功能更加高效。

一、车辆转向机构的运行学相关内容概述

对于转向系来说，其会正确匹配左转向轮与又转向轮之间不同的转角，从而确保企业可以按照设定的轨迹进行运动。

（一）转向机构运动学原理

车辆在转向过程中，为了降低行驶的阻力与轮胎受到的磨损程度，确保车辆完成纯滚动动作，不会出现侧滑情况，需要每一个车轮围绕相同的中心点进行滚动，也可以将其看作为利用阿克曼转向原理完成转向轮偏转角。

对于利用前轮进行转向的汽车来说，在转弯过程中，转弯中心为O，其会处于非转向轮中心轴线的延长线中，为了使其内转向轮与外转向轮以理想的方式进行转动，需要利用该公式进行计算：[2]。其中，表示外转向轮的偏转角；表示内转向轮的偏转角；B表示两个转向主销中心线与地面交点之间的距离；L表示轴距。

（二）阿克曼转向梯形原理

阿克曼梯形转向机构的主要特征会将两个梯形臂的转角差异充分利用，从而充分满足车辆的转向条件。基于确定车辆轴距与轮距的基础上，设m表示梯形臂的长度，λ表示车辆的转向特性，从而可以对这两个参数合理设置，增强车辆的转向特性。

车辆底盘的主要作用为固定轮距与轴距，由于轮距与轴距处于固定不变的状态，因此可以直接利用转向特性不会发生变化的阿克曼梯形转向机构成为转向装置。对于轮距会发生变化的车辆来说，由于其底盘轮距与轴距会发生变化，因此变轮距车辆的底盘转向要求，使用传统定参数阿克曼梯形转向机构无法完全适用。

二、较差变轮距底盘机械式转向系统

通过绘制的交叉变轮距底盘的设计图可以看出，在其中使用了阿克曼梯形转向结构，在1号车桥的部分设置了独立的转向单元。转向单元中，无论是传入角度还是传出角度都会使用阿克曼转向原理。在前轮进行转向的过程中，会经过一系列的连杆机构，若车轮1的转向与转角相位、角度相同，之后转入到转向单元中，其发生几何的变换角度之后，会以合适的转从转出梯形臂传出，之后再利用连杆机构将右前轮转臂的转动充分带动起来，从而完成右前轮的转向动作。由于转向单元发挥的作用，传入角度与传出角度之间的关系会利用阿克曼转向原理，因此通过设计该交叉变轮距底盘就可以使车辆以机械的方式完成前轮的转向动作。

三、基于线控转向系统的较差变轮距底盘探讨

若提供动力方式不同，将会对汽车动力转向划分为液压助力转向系统、电动液压转向系统、电动助力转向系统与线控转向系统。使用线控转向系统可以对汽车的转向力传递特性进行自由设计，还可以对汽车转向角传递特性进行设计，从而使本文设计的交叉变轮距底盘与变轮距转向功能充分实现，因此就会采用线控转向系统。

（一）线控转向系统使用的工作原理

在线控转向系统中包含方向盘总成、转向执行总成与主控制器、自动方故障系统等。车辆在转向的过程中，驾驶员的转向数据会经过数据总线为主控制器传递，传感器会将这个过程进行检测，之后将相关信息转换为电信的方式为转向电机传递，使用转向电机对转向轮的转动过程进行控制。车轮生成的转向信息会经过转角传感器，之后反馈到主控制器中[3]，完成数据的处理之后将信号传递到信息电机中，驾驶员就可以以这种方式获得路感。

（二）交叉变轮距底盘转向与变轮距功能的实现途径

在该设计中，将转向盘与转向轮之间的机械部分进行完全保留，车辆在转向过程中，并不会使用机械的连接方式，而是依赖电子控制器完成控制，之后将路况与方向盘转动力度、转动角度与速度作为基础进行综合性的各项计算，从而对转向电机机构进行指挥完成车轮的转向。采用3个ECU进行并联，会对不同的区域负责，一个ECU会对相同车桥中的左前轮与左后轮进行控制；一个对另一个车桥中的右前轮与左后轮进行控制；第三个ECU会对方向盘进行控制。3个ECU还会承担彼此监视的责任，获取其他两个ECU的实际运行情况。若其中一个ECU出现问题被检测出来，离合器会将车辆中的备用模式马上激活，之后恢复成机械式的转向模式。通过这样的方式，若在线控转向系统出现失效或错误情况时，依然可以使用机械连接的方式确保喷药机运行稳定，还可以使喷药机进行正常转向，避免发生喷药机的失控情况。

对于普通的车辆来说，车桥都会使用平行的方式布置，在进行轮距改变时，只能使用液压缸或人工的方式对轮距进行调整，通过交叉布置车桥，车轮的转动就会带动轮距发生变化。设b为轮距，θ表示交叉车桥间的夹角，驾驶员在转动方向盘的过程中，会将转向角α传递给转向控制器，其会按照事先设定好的程序，将信号分别发送给4个车轮互相对应的执行电机，使车辆左前轮与右后轮顺时针转动同样的角度β，右前轮与左后轮在转动相同的角度β后，达到一定的角度后，转向控制器就会将电机的电源切断，车轮中心O1、O2、O3、O4会将OC当做圆心，将车桥作为直径进行圆周运动，车轮的行驶方向若不同，就可以对轮距进行扩大与缩小的调整。

结语：本文设计的交叉变轮距底盘，使用了阿克曼梯形转向机构中的转向单元，可以完成交叉变轮距车辆的机械式转向动作。之后将其作为基础加入线控转向系统，可以达成车辆的线控转向目标，还可以利用线控转向系统对每一个车轮进行独立控制，从而将车辆轮距无极可调的问题有效解决。利用线控转向系统，可以增加车轮转向的灵活性，提升汽车转向的精确性，还可以将原结构转向盘与转向轮的机械连接充分保留，提升转向过程的稳定性。

参考文献：

[1]孟广耀,孔光,王作娟,黄居鑫,李忠政.交叉变轮距车辆磁流变悬架系统的优化设计[J].中国工程机械学报,2017,15(05):415-420.

[2]孟广耀,孔光,王作娟,黄居鑫,李忠政.交叉变轮距车辆磁流变悬架系统的模糊PID控制[J].中国科技论文,2017,12(22):2531-2536.

[3]孔光,孟广耀,王作娟,黄居鑫,李忠政.一种专用差速器齿轮传动系统的动力学分析[J].机械传动,2017,41(08):53-57.