论文——四轮转向系统稳定性于动力性分析

猛龙哥

摘要
四轮转向（4WS）技术是具有广阔应用前景的先进技术，它作为提高汽车操纵稳定性的一种有效手段已得到了广泛的认可。这种转向方式将后轮也作为转向轮，它对于改善汽车高速时的操纵稳定性和减小低速时的转弯半径起到非常大的作用。
四轮转向的系统有很多种，本论文详细的介绍了汽车机械式四轮转向系的组成，工作原理，以及设计过程，同时对系统及器件的选择，检测，关键部件的保养及注意事项也进行了说明。

关键词：汽车   四轮转向   机械式   设计
Abstract
Four change direction (4WS) Technology has broad advanced technology of employing the prospect, it has already been approved by the extensive one as improving a kind of effective means that the car handled stability. This kind turn to way too as turn wheel to, it play a very great role for manipulation stability and turn radius when the low-speed of reducing when being high-speed to improve car rear wheel.
There are many kinds of four systems turned to, machinery type four composition that turn to the department of detailed introduction car of this thesis, operation principle, and design process, the choice to system and device at the same time, measure, the maintenance of the key part and attentive matters have been expl

Keyword: Car    Four change direction    Machinery type    Designained.  
目  录
摘 要...................................................Ⅰ
Abstract...............................................Ⅱ
目 录...................................................Ⅲ
第1章 绪 论..............................................1
1.1四轮转向系统在现代汽车中的应用发展................1
1.1.1四轮转向技术的发展趋势 .....................3
1.2四轮转向系统控制方式的分类........................3
第2章 机械式四轮转向系统的总体结构设计...................8
    2.1 机械式四轮转向机构的主要组成及原理．．．．．．．．．．．．．．．8
         2.1.1机械式四轮转向机构的传动原理．．．．．．．．．．．．．．．．8
2.2 机械式四轮转向机构的优缺点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
2.3 机械式四轮转向机构的可靠性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
2.3.1 机械式四轮转向系统的力学特性分析．．．．．．．．．．14
2.4 四轮转向系统的工作特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
2.5 四轮转向系统原地转动力矩的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
2.5.1 四轮转向的载荷试验计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
第3章 前轮转向器设计....................................18
3.1前轮转向器的结构.................................18
3.1.1前轮转向器的工作原理.......................18
3.2齿轮齿条式前轮转向器.............................18
3.2.1动力齿条齿轮...............................20
3.3 前轮转向器和横拉杆的拆装........................20
3.3.1拆卸.......................................20
3.3.2 装配......................................21
     3.4 前轮转向器保养与维护...........................21
第4章 后轮转向器设计....................................22
4.1后轮转向器的结构及其作用.........................22
4.2 后轮转向器的工作原理............................22
4.3 后轮定位及转向角的确定..........................22
4.3.1主销后倾...................................23
4.3.2 主销内倾..................................23
4.3.3 后轮外倾..................................24
4.3.4 后轮前束..................................25
结  论..................................................27
致  谢..................................................28
参考文献................................................29
附  录1.................................................31
附  录2.................................................35
第1章  绪论
1.1 四轮转向系统在现代汽车中的应用与发展
现代汽车，特别是高级汽车，发动机的功率在不断的增加，行驶速度也在不断提高，尤其是两轮转向汽车在高速行驶时，相对于一定的转向角增量车身的横摆角速度和横向加速度的增量也增大，从而使汽车在高速行驶时的操纵性和稳定性变差。为改善汽车转向操纵性能，提高汽车高速行驶安全性和车辆转弯的灵活性，自20世纪80年代末，四轮转向的汽车已相继推出。
四轮转向系统，在汽车低速行驶转向并且转向盘转动角度很大时，其后轮相对于前轮反向偏转，并且偏转角度随转向盘转角增大而在一定范围内增大。如汽车急转弯﹑掉头行驶、壁障行驶或进出车库时，从而使汽车转向半径减小，转向机动性能提高。汽车在高速行驶转向时，后轮应相对于前轮同向偏转，从而使汽车车身的横摆角度和横摆角速度大为减小，使汽车高速行驶时的操纵稳定性显著提高。。1907年日本政府曾颁发了一个关于4WS系统的专利证书，这套4WS系统是利用一根轴将前后轮转向机构相连来实现的，这可以算是4WS概念的最初想法。军用和建筑用汽车早已采用一种低速时后轮与前轮转向相反的系统来减小转弯半径，但是在很长的一段时间里，4WS在汽车上没有得到广泛的应用，直到近些年对汽车动力性的分析表明，主动控制后轮转角可以很大程度地改善汽车的操纵性和稳定性，特别是在中高车速范围内，人们才开始注意到4WS在小客车上的应用。
  国内现阶段的4WS系统设计，力图达到以下目的：
（1）        缩短横向加速度及偏转运动的响应时间
（2）        减少车体的侧滑角
（3）        增加稳定性
（4）        当汽车参数变化时，保持良好的转向响应
国外一些有代表性的研究进展如下：
YOUNG H.CHO和J.KIM文章中讨论了4WS的最优设计，并把4WS基础上带反馈的汽车速度性能系统作为研究的实例，提出了两种新的VSF4WS系统设计的方案，并比较了最优化的4WS系统和显存的VSF4WS系统，所设计的第一系统以最大稳定性为目的，第二个系统用来仿效最优的4WS系统的响应。
H.INOUE和F.SUGASAWA文章中提出了一种综合前馈和后馈控制的系统，使其能够跟随计算得出偏移速率，选择最优的控制斯通常量，把对转向输入响应的控制和对抗外部干扰的稳定性控制分离开。前者用前馈控制，后者用反馈控制，且两种功能的设定可以相互独立。
Laszlo PALKOVICS文章中对显存的4WS系统，即：前轮和后轮的转向可由反馈补偿自动控制，提高汽车高速时的转向性能和侧风干扰下的转向性能，提出在汽车参数变化下系统的响应问题，分析了后轮胎压低于正常情况下，汽车的过度转向以及控制系统如何稳定汽车的运动。
I KAGEYAMA和R.NAGAI文章中探讨令人拖车在高速时的稳定性问题，用后轮转向的四轮转向的客车运动行为类似于加挂拖车后的客车的运动行为，这是一个用线性运动方程的最优控制问题，采用状态变量反馈的控制系统。解决了告诉直线运动的稳定性问题，进一步指出拖车系统稳定性的解决方向。
大体上说，国外对4WS的研究，一般均把汽车模型看做线性二自由度“自行车”模型，只研究向心加速度和绕汽车纵轴的旋转，控制形式主要有以下两种：
（1）“车速感应型”：当车速小于某一数值是（一般为45-55km/h）s时，前后轮转向相反；而当车速高于该数值是，前后轮转向相同。
（2）“转角感应型”:当转角小于某一角度(如：本田4WS为240度)时，前后轮转向相同；当大于该角是，转向相反。
控制策略主要有三种：比例控制、动态补偿控制和主动控制，其中比例控制又分为前馈控制（前后轮转向角与车速依存式）和反馈控制(将车辆的运行状态反馈到控制系统，自行调节后轮转向角)；动态补偿式也分为前馈控制（转向角动态补偿）和反馈控制（转向力矩动态补偿）；主动控制则要求横摆速率低、高速时提高稳定性和转向响应性，低速时提高小转弯打转向角的转向操纵性。
早期的样车有：本田汽车公司的4WS是控制前后轮的转向角，马自达汽车公司是我4WS是由车速直接控制前后轮的转向角之比，三菱汽车公司的4WS是采用液压控制，日产汽车公司的4WS是动态的对质心侧偏角进行补偿，大众汽车公 司的4WS是调节横摆角速度。
1.1.1 四轮转向的发展趋势
(1) 新型转向机构的研究与应用  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已成为生产企业和科研单位的追求的目标。
(2) 动力转向技术的推广  为减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性，动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须采用，在高级轿车上应用较多，而且在中型汽车上也已逐渐推广。
(3) 考虑主动安全性的转向技术  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。新时代下的汽车转向装置设计充分考虑了驾乘的舒适性和安全性，诸如4WS转向技术的应用、EPS动力转向技术的应用等等。
(4) 先进电子技术和控制技术在转向系统中的应用  随着传感技术、控制技术的不断发展及在汽车中的应用，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。
1.2 汽车四轮转向系统的控制方式的分类
除了个别专用车以外，传统的汽车均是用前轮转向。随着汽车性能的提高，人们开始期望快速的转向反应，以便如想象的那样迅速改编路径并提高行驶的安全性。随着汽车技术的发展，人们开始感受到汽车应该具有更快的跟随驾驶员指令的反应能力，于是便出现了汽车后轮也参与转向的想法，并致力于四轮转向的控制，这样不仅可以减少转向力产生的滞后，而且还能独立的控制汽车的运动轨迹与姿态，使汽车的方向角与姿态角重合，提高了汽车的侧向稳定性。此外，对一些转向性能不尽满意的汽车，在不改变结构的情况下，通过一定的转向控制策略，即能达到所希望的转向特性要求。
早期的4WS的控制形式主要有以下几种：
(1)前馈型四轮转向
前馈型四轮转向系统如图1- 2所示，后轮转角 取决于前轮转角 的大小，而汽车的运动状态考驾驶员来进行反馈控制，因此这种系统能够修正转向以抵御如侧向风及路面激励等外部干扰。即使在松开方向盘时，转向回正力矩的作用能使4WS比2WS更迅速的趋于稳定。
由于前后轮转角的输入在一定程度上减轻了横摆角速度与侧向加速度的偶合程度，研究发现在保持横摆角速度响应不变的情况下，前后轮同向转动可以减小侧向加速度的滞后相位。基于这种观点，很多学者开始了这方面的工作。Shibahata等人提出了一种控制方案：通过推迟后轮转向，对减小横摆角速度和侧向加速度的相位滞后均有效。但此方法局限于低频区，对于0.7-1.0Hz的高频区没有多大效果。

图1-2后馈型四轮转向系统
根据汽车转向响应的两个最基本自由度：横摆角速度 和车体侧偏角 ，可得到侧向加速度的表达式为：
                                                   （1-1）
对于2WS，随着车速u的提高，车体侧偏角 的超前时间常数减小，造成侧向加速度相位滞后比横摆角速度严重。其主要原因是车体侧偏角 的稳态增益随着速度的提高而下降，在高速时变成负值。由此得出一种控制观点是：通过控制后轮按一定关系转向，使得车体稳态侧偏角在任何车速下保持为零。
                                          （1-2）
式中         u为车速km/h；
m为汽车质量kg；
l为汽车的轴距mm；
k为后轮与前轮转角比；
a、        b分别为汽车重心离前后轴的距离mm；
分别为前后轮胎的侧片刚度。
按照公式（2）的传动，可保证在0-1Hz之间横摆角速度与侧向加速度的相位滞后基本相等。但是按照上述控制理论原理，并不能保证车体侧偏角在瞬态时也能为零。为此Takeuchi等人将式（1.2）扩展到瞬态过程，其传递函数表达式为：
                                （1-3）
Fukui等人基于下述观点：当方向盘快速转动时，后轮与前轮反向。以使得汽车转向灵敏，反之，当方向盘慢速转动时，前后轮同时转动，以获得高稳定性。研究结果表明4WS系统能够快速地按照驾驶员的指令完成转向，并且明显减少了非常有害的摆尾现象。
⑵反馈型四轮转向
反馈型四轮转向系统的后轮转角大小取决于汽车的运行参数，其特点是响应快，能有效地减小外界干扰的影响。
Sato等人使用了反馈控制来补偿后轮转角，其控制原则是：在车速极低时，后轮与前轮反向转动，且比例为1：1，这样可使的后轮的运动轨迹相同。随着车速的提高，通过横白角速度的反馈，补偿后轮的附加转角，其控制规律了表达为：
                                  （1-4）
其中 、 分别为汽车的前后轮转角，且 。
这种通过汽车运动参数反馈控制后轮转角的方法能够改变汽车侧向动力学方程的特征根，增强系统抵御外界干扰的能力（如侧向风）。现代的四轮转向控制方法都是一次为基础而建立起来的，如图1-3所示。

图1-3 后馈型四轮转向系统
另一种反馈控制方式是方向盘不直接通过机械传动系统与前后轮联结，而是由控制器根据方向盘的指令主动控制前后轮转向，如图1-4所示。这种控制方案的特点是可同时独立控制两个状态变量。后轮的转向不仅有助于减少转弯力产生的时滞，还可令汽车的路径与姿态分别独立地受控。
基于控制机构的考虑，有两种类型的控制方案一是前轮直接通过机械传动系统与方向盘相联结，由驾驶员控制，后轮由控制器控制。另一类型为控制器根据方向盘的指令，主动控制前后轮的转向。前者只能控制一个状态变量(横摆角速度)，而后者可同时控制两个状态变量。
⑶机械式四轮转向
    该转向系要由转向盘、前轮转向器、后轮取力曲轴箱、后轮转向传动轴、后轮转向器等组成。后轮转向也是绕转向节主销偏转的，其结构和前轮相似。
该结构的主要传动路线如下：前后轮都有齿轮机构，中间有连接轴连接。转向时，转向盘的旋转传递到齿轮齿条转向器，由齿条带动拉杆左右运动，使前轮转向。同时，小齿轮向后输出动力，通过连接轴传给后轮机构。
本设计为室内用车，为保证其可靠性和安全性，采用了这种传动方式。













第2章  机械式四轮转向系统的结构设计
2.1 机械式四轮转向机构的主要组成及原理
机械式四轮转向系统的结构很简单，主要由转向盘、前轮转向器、后轮转向传动轴、后轮转向器等组成。
  1—后轮转向取力齿轮箱   2—转向器    3—后轮转向传动轴   4—后轮转向器
2.1.1 机械式四轮转机构的传动原理
机械式四轮转向机构的传动原理如下：全机械式四轮转向系统是前轮转向响后轮转向角由前轮转向角确定。该机构的前后轮都有齿轮机构，中间由连接轴连接;转向时，转向盘的旋转传递到齿轮齿条转向器〔前轮转向器〕，由齿条带动横拉杆左右运动，使前轮转向。同时，小齿轮转向输出动力，通过连接轴带动扇形齿发生一定角度的偏转，从而带动后轮转向器使后轮转向。

如图1所示，转弯时，转弯中心位于前后轮纵向平面法线交点处P（x0，y0），转弯半径按PQ或PO计算。当前后轮转动方向相反时，汽车转弯半径最小，否则转弯半径增大。即便是后轮不动，前轮转动，转弯半径也大于前后轮相反方向转动的半径。
2.2 与前轮转向系统相比机械式四轮转向系统的优缺点
四轮转向汽车有如下优点：
⑴ 低速转弯是，转向半径小，汽车的灵活性高。
⑵ 高速行驶是，能迅速改变 车道，而车身不致产大的摆动，减少了摆尾产生的可能性，使司机更容易控制汽车的姿态。

            图2-1前轮转向（2WS）与四轮转向（4WS）的比较
⑶ 有效降低∕消除车辆侧滑事故的发生机率，明显改善了车辆高速行驶的稳定性及安全性。
⑷ 4WS作为汽车新技术，目前在各国的应用都不是很广泛，作为汽车领域新技术，4WS在很多方面尚不是很成熟，还不能大批量的应用，因此成本较高，这也是在日益提倡家用轿车小型化、环保化的今天，不能大规模安装的主要原因。
尽管机械式四轮转向还有这样或那样的不足，但4WS技术在改善汽车操纵稳定性和增强汽车的安全性能上有着很明显的效果和不可忽视的作用。自从1987年首次应用四轮转向系统以来，汽车的操纵稳定性大为提高，世界各大汽车厂家纷纷研制四轮转向装置。随着计算机技术和电子技术的飞速发展现今的四轮转向装置也在不断地发展前进。
2.3 机械式四轮转向系统的可靠性分析
19世纪发明汽车以来，前轮转向一直是汽车转向的主要方式，这种源自四轮马车的转向系统，被作为理所当然的转向形式。然而，随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，市场对汽车，尤其是轿车性能的要求也越来越高，轿车的车速较高，就要求有更高的安全性和舒适性。因此汽车的操纵稳定性，已经成为当代汽车研究的一个重要方面。转向系统的好坏直接影响到汽车的操纵稳定性、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汽车设计中很重要的一个部分。普通汽车的转向是靠驾驶员转动方向盘，从而带动前轮的转动来实现，前轮是转向轮。前轮转动后，车身方向跟着改变，无转向的后轮与车身的行进方向产生差距，产生偏离角，从而发生转弯力，产生转向。由此可见，传统的前轮转向汽车具有低速时转向响应慢，回转半径大，转向不灵活；高速时方向稳定性差等缺点。而四轮转向（Four Wheel Steering—4WS）这种方式则将后轮也作为转向轮，它对于改善汽车高速时的操纵稳定性和减小低速时的转弯半径起到非常大的作用。汽车操纵稳定性的理想目标就是达到车身的零侧偏角，因此，为改善汽车转向特性，提高方向可操纵性和行驶稳定性，使转向时车身摇摆减小，从而增加舒适性和安全性。国外从70年代末，就开始研究开发了四轮转向系统，即在前轮转向的基础上，通过动力装置控制后轮的转向角。以便提高高速时的操纵稳定性，改善低速时的操纵灵活性，提供小半径回转等优良特性。 目前四轮转向装置是在保持车身侧偏角为零(几乎不变)，根据车速决定前后轮的转向传动比的。但在实际行驶工况中，因环境(路面摩擦系数、加速、减速、接地负载的变化)等因素的影响，车身的侧偏角不断地发生变化。也就是说，车速的变化对车身侧偏角的影响最大．其次是路面与轮胎之间的摩擦系数等。为保持车身侧偏角为零，使汽车操纵更稳定、安全，必须控制最佳转向传动比。由于本设计为室内用车，因此一般情况下不会出现过高的车速，对于侧偏角这一问题不予过多考虑，再次，本车采用纯机械式传动，这就进一步解决了其可靠性问题。
汽车的操纵稳定性包含互相联系的两个部分，即操纵稳定性，操纵性是指汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力；稳定性是指汽车受到外界干扰时保持稳定行驶的能力，两者很难断然分开，故统称为操纵稳定性。汽车的操纵稳定性不仅影响到驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能。
汽车操纵稳定性涉及到问题较为广泛，需采用较多的物理参数从几个方面来评价。见下表：
汽车操纵稳定性的基本内容及评价所用物理参数
基本内容        主要评价参量
1.方向盘角阶跃输入下进入的稳态响应—转向特性方向盘角阶跃输入下的瞬态响应        稳态横摆角速度增益—转向灵敏度反应时间，横摆角速度波动的无阻尼圆频率
2.横摆角速度频率响应特性        共振峰频率，共振时振幅比，稳态增益
3.回正半径        回正后剩余横摆角速度与剩余横摆角，达到剩余横摆角速度的时间
4.转向半径        最小转向半径
5.转向轻便性
原地转向轻便性
低速行驶转向轻便性
高速行驶转向轻便性        转向力，转向功
6.直线行驶性
侧向风稳定性
路面不平度稳定性
微曲率弯道行驶性        侧向偏移
侧向偏移
转向操舵力矩梯度
7．典型行驶工况性能
蛇行性能
移线性能
双移线性能—回避障碍性能        方向盘转角，转向力，侧向加速度，横摆角速度，侧偏角，车速等
8.极限行驶能力
圆周行驶极限侧向加速度
抗侧翻能力
发生侧滑时的控制性能        极限侧向加速度
极限车速
回至原来路径所需时间
评价汽车瞬态响应的指标：
1.反应时间 在方向盘角阶跃输入下，汽车的横摆角速度不能立即达到 ,而是经过时间 （单位s）后才能第一次过到 。滞后时间 称为反应时间。2.执行上的误差 设最大横摆角速度为 ,则该误差定义为 ,亦称为超调量。
3.横摆角速度的波动  在瞬态响应中，横摆角速度 在 值上下波动的频率 。
4.进入稳态所经历的时间 横摆角速度达到稳态值95%～105%时即进入稳态响应，这段时间 称为稳定时间，即进入稳态所经历的时间。
个别汽车也可能出现横摆角速度 不能收敛的情况，即 愈来愈大，车向半径R愈来愈小，由于急剧增加的离心力，汽车将发生侧滑甚至翻倒。
我们只考虑横向运动和横摆运动，通过牛顿第二定律导出车辆运动学方程。横向运动：

绕Z轴的横摆运动：
  
式中， 为车辆重心外的侧偏角
r为车辆重心外的横摆角速度
m为汽车质量
为车辆绕z轴的转动惯量
V为车辆的行驶速度
分别为车辆质心至前轴和后轴距离
分别为车辆前轮转角和后轮转角
一般情况下，因为 很小，故 ≈1, ≈1前后轮胎的侧偏角由 和 表示。如果 很小，且V变化缓慢，则

因此，四轮转向车辆的二自由度模型运动学方程为
该模型针对影响汽车四轮转向系统稳定性的两个主要运动建立了力学模型，简单而且具有实际指导意义，便于研究。
2.3.1 机械式四轮转向系统的力学特性分析

如图2所示，后轮转角与前轮转角成一定的比例且方向一致时，转向性能类似2WS，但后轮以与前轮转动相同的方向转动时，横摆速度减小，中高速行驶时，汽车的转向稳定性和操纵能力均得以改善。
2.4 四轮转向系统的工作特性
当车速低于29㎞／h时，如果转向盘转动，后轮会立即开始与前轮相反的方向转动，在车速为零时，后轮最大转角是6度。后轮转角减小的程度随车速变化，在29㎞／h时后轮转角几乎为零。
当车速增至大于29㎞／h时，转向盘在最初200°转角内，后轮转向与前轮方向一致。在这个车速范围内，转向盘大于200°时后轮会转向相反的方向。当车速提高到96㎞／h并且转向盘转角是100°时，那么后轮将会向与前轮相同的方向转动大约1°。在这个车速下，如果转向盘转动500°，后轮将会与前轮相反的方向转动大约1°。
2.5 四轮转向系统原地转动力矩的计算
在设计前必须知道地面对车轮的转动阻力矩，根据多年来汽车设计者保留下来的经验方法确定，转向时驾驶员作用到方向盘的手力与转向轮在地面上回转时产生的转向阻力矩有关，影响阻力矩的主要因素有转向轴的负荷，轮胎与地面之间的滑动磨擦系数和轮胎气压。目前常用的计算公式为：

—在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩N•㎜
f—轮胎与地面之间的滑动磨擦系数
G—转向负荷N
P—轮胎气压Mpa
已知前轴满载负荷为735㎏,轮胎气压为0.18Mpa；
∴G=735×9.8=7203N
查得地面磨擦系数取f＝0.7这样我们就可以算出原地转向阻力矩了

如果转向节臂长为140㎜，那么转向节臂的力度为
2.5.1 四轮转向的载荷试验计算
试验载荷为弹簧允许承受的最大载荷，即将应力加到许用应力的1.1～1.3倍。
即τs=﹙1.1～1.3﹚=
  
按Ⅰ类载荷考虑取试验切应力

由τs计算试验载荷

因此回位弹簧的最大载荷为3215N.
























第3章  前轮转向器设计
3.1 前轮转向器的结构及原理
前轮转向器主要由前转向横拉杆、机械式齿轮齿条转向器和后轮转向取力齿轮箱等组成。其中最主要部件就是后轮转向取力齿轮箱。后轮转向取力齿轮箱中只有一对齿轮即齿条传动机构，其齿条与前轮转向器中的齿条共用，取力齿轮固定在与后轮转向传动轴相连的齿轮轴上，齿轮轴通过衬套支撑在齿轮箱壳的轴承孔中，后轮转向取力齿轮箱固定在车架上。
3.1.1 前轮转向器的工作原理
当转动转向盘使前轮转向时，后轮转向取力齿轮箱中的齿条在前轮转向器中转向齿条的带动下左、右移动，驱动与其啮合的取力齿轮旋转，并带动后轮转向传动轴旋转，转向盘的转向操纵力的方向、大小、快慢就由后轮转向传动轴传给后轮转向器。
3.2 齿轮齿条式前轮转向系统
齿条齿轮式转向系统已迅速成为汽车、小型货车及SUV上普遍使用的转向系统类型。 其工作机制非常简单。 齿条齿轮式齿轮组被包在一个金属管中，齿条的各个齿端都突出在金属管外， 并用横拉杆连在一起。


小齿轮连在转向轴上。 转动方向盘时，齿轮就会旋转，从而带动齿条运动。 齿条各齿端的横拉杆连接在转向轴的转向臂上（请参见上图）。
齿条齿轮式齿轮组有两个作用：
将方向盘的旋转运动转换成车轮转动所需的线性运动。
提供齿轮减速功能，从而使车轮转向更加方便。
在大多数汽车中，一般要将方向盘旋转三到四周，才能让车轮从一个锁止位转到另一个锁止位（从最左侧转到最右侧）。


转向传动比是指方向盘转向程度与车轮转向程度之比。 例如，如果将方向盘旋转一周（360度）会导致车轮转向20度，则转向传动比就等于360除以20，即18:1。比率越高，就意味着要使车轮转向达到指定距离，方向盘所需要的旋转幅度就越大。 但是，由于传动比较高，旋转方向盘所需要的力便会降低。
一般而言，轻便车和运动型汽车的转向传动比要小于大型车和货车。 比率越低，转向反应就越快，您只需小幅度旋转方向盘即可使车轮转向达到指定距离。这正是运动型汽车梦寐以求的特性。 由于这些小型汽车很轻，因此比率较低，转动方向盘也不会太费力。
有些汽车使用可变传动比转向系统，在此系统中，齿条齿轮式齿轮组的中心与外侧具有不同的齿距（每厘米的齿数）。 这不仅能提高汽车转向时的响应速度（齿条靠近中心位置），还能减少车轮在接近转向极限时的作用力。3.2.1 动力齿条齿轮
当在动力转向系统中应用齿条齿轮时，齿条的设计会略有不同。部分齿条包含一个中心有活塞的圆筒。 活塞连接在齿条上。 圆筒上有两个油孔，分别位于活塞的两侧。 当向活塞的一侧注入高压液体时，将迫使活塞向另一侧运动，进而带动齿条运动，这样便提供了辅助动力。
3.3 前轮转向器和横拉杆的拆装
3.3.1 拆卸
⑴ 从转向臂处松开横拉杆球销防松螺母﹝该螺母的拧紧力矩为30﹞，分别拆下左右横拉杆的球铰链一端。
⑵ 拆下转向支架上的左、右横拉杆另一端﹝该端自锁螺母的拧紧力矩为45﹞这样分别拆下左、右横拉杆。
⑶ 从支架上拆卸转向减震器活塞杆端，从转向器壳体上拆下转向减震器活塞杆的另一端，取下转向减震器。
⑷ 齿条的输出端铣有扁舌，平面上钻有两孔，分别用两只Μ10的螺栓以45拧紧力矩与转向支架相连接。因此，拆下这两支Μ10的紧固螺栓，可使转向器齿条输出端自由。
⑸ 拆下锁紧螺母与调整螺栓，取出补偿弹簧，更换密封圈，这样可使齿条与齿轮啮合放松。
⑹ 拆下转向器壳体左、右凸台与车身的链接螺栓﹝拧紧力矩为20、35﹞可取下转向器﹝这时转向柱管下段早已拆去﹞。
3.3.2 安装
     安装顺序基本上与拆卸次序相反，这里再指出一些注意事项：
  ⑴ 连接转向柱下段与齿轮轴时，夹块应推至转向转向柱下段上，其自锁螺母的拧紧力矩为25。外面套有密封胶套密封环应嵌入转向器壳体上的环形槽中。
  ⑵ 转向器壳体的紧固螺栓不可拧得太紧。
  ⑶ 波纹橡胶管可在转向器安装后进行调换，这时在齿条上端涂ΑΕΚ063 000 04转向器黄油。
  ⑷ 波纹管挡圈推至齿条限位处；将波纹管一端用夹筛夹紧在环槽中。
  3.4 转向传动机构的保养与维护
在机械式转向系中由于维护调整不当、磨损、碰撞变形等原因，会使转向器过紧、转向传动机构和转向操纵机构松旷、变形、发卡等，从而造成转向沉重、行驶跑偏、单边转向不足、低速摆头、高速摆头等故障。因此对转向传动机构的正确保养就显得格外重要了。除了要定期检测外，更要注意日常的保养工作，定期更换润滑油，进过螺栓螺母等。

第4章  后轮转向器设计
4.1 后轮转向器的结构及其作用
后轮转向器它主要由偏心轴、内齿环、行星齿轮、滑块、导向块、横拉杆和后轮转向器壳等组成。
后轮转向其的作用是利用后轮转向传动轴传来的转向操纵力，驱动后轮偏转并实现后轮转向。另外，还要控制后轮在转向盘的不同转角下，相对于前轮作同向或异向偏转。
4.2 后轮转向器的工作原理
     后轮转向器输入的转向操纵力首先驱动偏心轴使其绕轴线Ο转动，这时行星齿轮在偏心销的带动下绕轴线Ο公转，同时还与内齿环啮合绕轴线Ρ自转，偏执在行星齿轮上的偏心销穿过滑块的中心孔并带动滑块运动，滑块的水平运动通过导向块传给横拉杆，驱动后轮作转向运动。
当车速低于35km／h时，扇形控制齿板在步进电动机的控制下向负方向偏转。假设转向盘向右转动，则小锥齿轮、大锥齿轮分别向空白箭头方向转动，摆臂在扇形齿板和大齿轮的带动下最终向右上方摆动，使后轮向左偏转，即后轮相对于前轮反向偏转。使车辆转向半径减小，从而提高了低速时的机动性。
当车速高于35km／h时，扇形控制齿板在步进电动机的控制下向图中正方向移动。假设这时转向盘仍向右转动，摆臂向左上方摆动，结果使后轮向右偏转，即后轮相对于前轮同向偏转，因而使汽车高速行驶时的操纵稳定性显著提高。
当车速等于35km／h时，扇形控制齿板处于中间位置，摇臂处于与大锥齿轮轴线垂直的位置。不管转向盘向左还是向右转动，后轮保持与汽车纵向轴线平行的直线行驶状态。
4.3 后轮定位及转向角的确定
为了保证汽车稳定地直线行驶，转向轮具有自动回正作用，为减少轮胎和机件的磨损。应使主销和转向节保持一定的安装角度称为转向轮定位。这些定位参数有：主销后倾，主销内倾，后轮外倾和后轮前束。
汽车在使用中，如果安装车轮的车架发生永久变形，车轮在车架上定位不准或紧固不良，汽车的左右侧车轮及前后车轮之间的距离及位置关系不正确，都会影响汽车稳定行驶，并会造成轮胎异常磨损。因此，汽车在使用中要注意经常检查并保持每个车轮的正确位置和定位关系
4.3.1 主销后倾
主销后倾角是指车辆侧面看，转向主销轴线与铅垂线的倾角γ称为主销后倾角。主销后倾角的作用主要是为了保持汽车直线行驶的稳定性，并使汽车转向后，后轮也与前轮一样有自动回正的作用。
主销具有后倾角时，主销轴线的延长线与路面的交点a位于轮胎与地面接触点b的前面。当汽车直线行驶时，若转向轮偶然受到外力作用而稍有偏转，车轮向右偏摆，汽车将转弯。这时由于汽车车身离心力的作用，在车轮与路面接触点b处，路面对车轮作用着一个侧向反作用力Y。Y对车轮形成绕主销轴线作用力的回正力矩M=YL，其方向与车轮偏转方向相反，有使车轮恢复到原来中间位置的作用，故称为稳定力矩。同理，在汽车转弯时此力矩也力图使偏摆的转向车轮自动回正。车速越高，Y值也越大，后倾角越大。L值越大，前轮的稳定效应也越强，特别是在高速和大转弯时，其作用尤为突出，但后倾角不宜过大，否则在转时将使转向盘沉重。
现代汽车γ一般在2°～3°，在高速车由于路面的侧向反力γ较大，并且常使用超低压子午线扁平轮胎，轮胎弹性也大，行驶时轮胎与路面接地点后移，稳定力矩的力臂L增加，因此后倾角可以减少甚至为负值。而我设计的四轮转向系统中的主销倾角为3°，在调整时应以这个数值为标准。
4.3.2 主销内倾
转向主销内倾角是指从车辆正面看在转向轮上转向主销轴线与铅垂直线的夹角β叫主销内倾角。其作用也是为了保持汽车直线行驶的稳定性。
主销具有内倾角β后，当转向车轮在外力作用下由中间位置偏转一个角度时，车轮的最低点将陷入路面以下，但事实上车轮不可能陷入路面以下，而是将前轮连同汽车前部向上抬起相应高度。这样，汽车本身的重力有使前轮回复到原来中间位置的倾向，特别是低速和小转弯时其作用尤为突出。
主销内倾角度越大或转向偏角越大，而转向轮自动回正的作用越大。
主销内倾还使得主销轴线与路面交点到车轮中心面与地面交点的距离c减小，从而使转向轻便。内倾角不宜过大，否则在转向时车轮绕主销偏转的过程中，车轮与路面产生较大的滑动，因而增加了轮胎磨损，同时使转向沉重。一般内倾角β不大于8°，距离c一般为40～60㎜。为了提高直线行驶稳定性，高速车，急起步，急加速，急制动，急转向工况行驶安全性的需要。目前β角有增大的趋势，减少力臂c，有时此力臂为负值，这样，可有效地防止双管路对角线排列的制动系统，在一管路故障的情况下，制动跑偏的问题。由于力臂c为负值，就产生了一个抗偏力矩：M= ﹙- c﹚当然，过大的内倾会使转向沉重。但由于转向助力器的广泛使用，β角仍然可适当增大。所以此设计中的 值应为7°，距离c为50㎜。
4.3.3 后轮外倾
理想状态是四个车轮的运动外倾角均为零，这样轮胎和路面的接触良好，从而得到最佳的牵引性能。车辆外倾角不是静态的，它随悬架的上下移动而变化。车辆加载后悬架下沉就会引起车轮外倾角改变。
后轮安装在车桥上时，其旋转平面上方略向外倾斜，这种现象称为车轮外倾。在通过车轮轴线的垂真面内，车轮轴线与水平线之间所夹的锐角α，也等于垂线与车轮中心平面所构成的锐角，叫后轮外倾角。轮胎呈现“八”字形张开时称为负外倾，而呈现“V”字形张开时正外倾。一般为1°左右，后轮外倾的作用是避免汽车重载时如车轮产生负外倾，提高汽车行驶安全性。
如果空车时车轮正好垂直于路面 ，则满载时车轮将因承载变形而可能出现车轮内倾。车轮内倾后，将加速汽车轮胎偏磨。同时，地面对车轮的垂直反力便产生一个沿转向节轴向外的分力。此力使车轮外轴承及其锁紧螺母等零件负荷增大，寿命缩短，严重时使车轮脱出。当安装车预留有外倾角时，就能防止车轮内倾。同时，车轮外倾还可以与拱形路面相适应。但随着高速公路的出现和车速的不断提高，车轮外倾角α减小，有的还为负值。因为高速转向时，离心力较大，车身的外倾加大，使轮胎产生更大的正外倾，轮胎外倾变形加剧。外侧边滚边拖，内侧边滚边拖，俗称“吃胎”。采用后轮胎负外倾，使轮胎内外磨损均匀，提高了纯滚动车向性能和车身的横向稳定性。根据以上的情况而言，所以后轮外倾角为0.5°。
4.3.4 后轮前束
汽车的前束角是汽车纵向中心平面与车轮中心平面和地面的交线之间的夹角。如果车轮的前部靠近汽车纵向中心面，则前束为正值；反之则为负值。总前束角是左，右车轮前束之和。实际上多用前束值，即左，右车轮轮辋边缘后部间距大于前部的余量，一般指在空载时车轮停在直线行驶位置的状态下，在车轮中心高度上测量。
后轮安装时，同一轴两端车轮的旋转平面不平行，前端略向内束，这种现象称为后轮前束。左右轮后方距离A与前放距离B之差称为前束值。当A-B﹥0时，前束值为正，反之则为负。
后轮有了外倾角后，在滚动时类似于滚锥。两侧车轮有向外滚开的趋势，由于车桥和转向横拉杆的约束，两后轮在向外侧滚动的同时向内侧滑动，其结果使车轮磨损增加。后轮前束的作用就是使锥体重心前移，消除车轮外倾带来的这种不良后果。因此，前束与外倾相互关联，属性相同地成对出现。后轮前束可通过改变横拉杆的长度来调整，使两轮的前后距离差值符合规定要求，一般此值在0～12㎜之间。由于外倾角有的为负值，而前束是为了协调外倾的不良后果，因此，前束值也有减小或为负值的趋势。根据以上的情况论述，所以我设计的后轮前束为8㎜，在调整时应以这个数值为标准。
高速车很重视前后轮胎轨迹的重合性。只有轨迹重合，才利于提高车速，直线行驶稳定，使前后轮胎相对横向滑移量。为此，有的高速汽车后轮也有外倾和前束。
         




















结论
四轮转向（4WS）技术是具有广阔应用前景的先进技术，它作为提高汽车操纵稳定性的一种有效手段已得到了广泛的认可。汽车四轮转向是汽车研究与应用的新技术。与二轮转向汽车相比，四轮转向汽车有如下优点：低速转弯时，转向半径小，汽车的灵活性高；高速行驶时，能迅速改变车道，而车身又不致产生大的摆动，减少了摆尾产生的可能性，使司机更容易控制汽车的姿态,从而增加了汽车的安全性和舒适度。汽车四轮转向系统的动力学特性与控制研究具有丰富的内容，其中蕴涵着大量的非线性现象和不确定性因素。
本文主要介绍的是机械式四轮转向机构，从它的结构到原理以及各方面的可靠性都做了详细的说明。机械式四轮转向机构在现代汽车上已经很少运用了，但由于本设计为室内用车为保证其可靠性与稳定性我还是选择了机械式的传动方案，该设计的主要创新点在于它的后轮转向器上及扇形齿的运用上，这两个简单部件的运用再加上与前轮转向器完美结合就达到了四轮转向的复杂目的，这种简单快捷的传动方式在这个追求效率的社会定会被再度重视，也许在不久的将来，四轮转向系统，四轮转向系统将会像空调，ABS系统，电动门窗一样普遍的使用在车上。
总之，要对4WS研究领域不断注入新方法新思想，并将成果不断的转化为生产力，为社会创造效益，这样的研究才是前景光明的。


            


致谢
值此毕业设计完成之际，我首先要向我尊敬的导师郑德林老师致以最诚挚的谢意。
同时，还要感谢在本次毕业设计中对我提供过帮助的每一位同学，谢谢你们！
在论文工作中，郑德林老师和席振鹏老师对我做了许多耐心的指点与启发，使我能够较快地掌握课题背景并迅速深入到课题的研究中去，在此向他表示衷心的感谢！
在大学毕业来临之际，特别感谢我的父母、姐姐和姐夫多年来无微不至
的关心、支持和鼓励！















参考文献
1. 机械式四轮转向系统简析 - 齐齐哈尔师范学院学报：自然科学版 - 张晓丹
2.  电控电动式四轮转向系统的研究与发展 - 汽车电器 - 汪东明 陈南
3.  现代汽车四轮转向系统 - 汽车驾驶员 - 李正銮 王传胜
4.  汽车四轮转向系统 - 公路与汽运 - 王志新
5.  轿车的四轮转向系统 - 济南交通高等专科学校学报 - 王林超
6． 两种现代四轮转向系统 - 汽车运用 - 杨华 董素荣
7.  汽车的四轮转向系统 - 汽车杂志 - 柯愈治 苗志明
8.  电动转向系统——四轮转向系统 - 汽车与配件 - 无
9.  四轮转向汽车的转向系统 - 汽车运输 - 周来良
10. 马自达轿车的电子控制四轮转向系统 - 汽车维修与保养 - 陈燕 苑金梁
11. 汽车四轮转向系统的研究与发展 - 上海汽车 - 汪东明
12  本田序曲牌汽车的四轮转向系统 - 汽车之友 - 宋进桂
13. 汽车四轮转向系统的非线性控制 - 机械强度 - 王洪礼 张锋 等
14. 汽车四轮转向系统的H2／H∞混合控制 - 汽车工程 - 王洪礼 张锋 乔宇 张伯俊
15. 汽车四轮转向系统的H∞控制 - 天津大学学报：自然科学与工程技术版 - 王洪礼 张伯俊 张锋 乔宇
16．YOSHIMI FURUKAWA,NAOHIRO YUHARA,A Review of Four-Wheel
Steering Studies from the Viewpoint of Vehicle Dynamics and Control,Vehicle
System Dynamics,18(1989),pp.151-186.
17．YOUNG H.CHO and J.KIM,Design of Optimal Four-Wheel Steering System,
Vehicle System Dynamics,24(1995),pp.661-682.
18．H.INOUE and F.SUGASAWA,Comparison of Feedforward and Feedback
Control for 4WS,Vehicle System Dynamics,22(1993),pp.425-436.
19．Laszlo PALKOVICS,Effect of the Controller Parameters on the Steerability of
the Four Wheel Steered Car,Vehicle System Dynamics,21(1992),pp.109-128.
20.I.KAGEYAMA and R.NAGAI,Stabilization of Passenger Car-Caravan
Combination Using Four Wheel Steering Control,Vehicle System Dynamics,
24(1995),pp.313-327.

  














附录1
Final assembly plant test bed on complete car, places new demands on the implementation of software in electronic systems
Jan Schachtschabel
Volvo car corporation, product &process engineering, manufacturing engineering electrical systems.
Abstract: the current and future demands on greatly reduced emissions from motor vehicles will display new technology and solutions for engine control systems.
A control system performs a number of tasks in addition to the “control job”, It must also continuously supervise all signals from the network and find malfunctions or deviations from a normal function in the control system.
The implementation of those supervisory functions into software is mainly performed by the supplier of our systems.
When considering a complete vehicle, including a number of different control systems, it is an obvious fact that the supervisory functions will differ from system to systems.
The purpose embedding the supervisory functions the control system is to facilitate the development, production and service of the vehicle.
When using supervisory function in final assembly plant, to secure the total vehicle quality, we have seen the possibility for improvements of the software.
Final assembly plants, the flow, the time demands and the handling of the complete or incomplete vehicle focus on new demands for system software and its design and implementation into the control systems in the vehicle.
This article describes the ideas and new requirements, from a production point of view, on software for engine control systems which have been developed while on the Volvo 850 Turbo. The vehicle is equipped with a new engine, a 5cylinder(in line)2.3liter, a control system from Robert Bosch GmbH(Motronic M4.3)and an automatic gearbox with a , control system from AISIN AW Co. Ltd.
Air pollution is partly caused by emissions from vehicles with faulty emission control systems. Emissions from new vehicles have been drastically reduced, but the emissions from the malfunction vehicles are responsible for an increased share of the total emissions from motor vehicles.
On board Diagnostics(OBD)systems began to appear LDV: is in the beginning of the 80:s, due to the improved,“ closed loop ”,fuel control systems.
The OBD I requirements were introduced in 1988 by the California Air Resources Board (CARB). The purpose of the regulation was to expedite the proper repair of emissions, The OBD I system was to monitor the function of the onboard computer, computer sensor components, the fuel metering system and the exhaust gas recirculation.
Model year 94, the CARB introduces a new regulation, called OBD II, requiring powerful monitoring of the vehicle emission system, The system shall inform the driver that there is a malfunction in the emission control system by illuminating a lamp, the Malfunction Indiator Lamp (MIL), in the dashboard. The system shall also store Diagnostic Lamp (MIL), in the dashboard. The system shall also store Diagnostic Trouble Codes (TDC), that the workshop can later read out over the diagnostic link with an OBD II Diagnostic Scan Tool.
The production preparations for this new vehicle also included the development of a new tool for the final assembly factory, the purpose of which was to ensure quality in the complete vehicle.
The tool or system shall use information from the car via adiagnostic link in the same manner as a “workshop tool=VST(Volvo System Tester)”reads the DTC(Diagnostic Trouble Codes).
Based upon a flow diagram describing the flow of assembly in the Gent factory(Where the 850 is manufactured) it was discovered early on that the new OBD II functions could not be tested with any degree of certainty in the final assembly factory’s complete vehicle testing in the dynamometers.
The results produced by the process flow and the planned production rate for the Volvo 850 indicated that the driving of a maximum 300 seconds does not fulfil the requirements for long ,all—round driving which are required in order for OBD II supervisory functions to release a fault code. We predicted that the existing driving tomes were hard pressed. The final assembly plant expressed a desire to reduce the driving times in order to achieve a higher capacity.
Directly after the test in the dynamometer the vehicle shall be driven to a station which reads all system, their diagnostic-of-line-test. The reading use the diagnostic link based on OBD I/Volvo Diagnostic I concept.
Note that we read all systems, not only those effected by emission.
A Quick conclusion of this study shows us that the software’s supervisory and security requirements, when detecting a fault in the vehicle, do not correspond with the requirements for a quick and secure final test like the one of the factory.
Since we are in the final assemble factory we are at a great advantage in that there are a large number of identical new vehicles.
To a certain degree, the test conditions in the final assembly factory are ideal; many new vehicles, clear-cut test instructions and a small number of chosen, well trained operators.
























附录2
摘要：现在和将来都要求利用新技术和解决发动机的控制系统来大大降低交通工具的消耗。
新的交通工具包括大量传感器，输入/输出的一个网络控制系统。一个控制系统除了“控制工作”还运行许多的工作，它一直不断地自网络提供的所有信号而且找来自一个正常的功能故障或偏离。那些管理的协能落实进入软件之内主要地被我们的系统供应者运行。当考虑完整的车辆的时候，包括许多的不同控制系统，管理的功能将会区别此系统和其他功能。目的是引用控制系统的管理功能的时候，确保了车辆质量，我们为软件的进步看到了可能性。
最后集中安装，流程，时间要求和完全的或不完全的交通工具在系统软件和它的设计和落实控制系统之内的目标。
这个文章描述从制造观点的主要核心要求，当外Volvo 850 Turbo的时候，发动机控制已经被外理过了。车辆被装备一个新的引擎，5cylinder(在线中)2.3liter,有来自AISIN AWCO的一个控制系统和来自罗勃特Bosch GmbH(Motronic M4.3)的自动变速箱。
空气污染是由于车辆的排放和控制系统的不良排放引发的。来自新的车辆的排放已经被减少。然而，来自新的交通工具的人代会放有大幅减速少，但是来自发动机的故障排放占较大比例。
OBD系统是在80年代初开始清理LDV的，由于改良的“闭环”燃料控制系统。
OBDⅠ需求被介绍在1988年加州空气资源董事会（CARB），规则的目的要加快排放的适当修理OBD系统要检测计算机的功能，感应器成份，燃料燃烧系统成分。
例如94年，CARB介绍一条新的规则，叫做了OBDⅡ，需要车辆排放系统有力监听，由一个故障灯（千分之一寸）系统将告知驾驶员在排放控制系统中有故障，在仪表板中。系统也将储存诊断的故障密码（DTC），那么处理器将调出一个OBDⅡ的诊断码。产品为这种新车辆的工具发展而准备，目的要确定整车中的质量。工具或系统将使用来自同一处理器的汽车信号读DTC（诊断的故障密码）。基于OBDⅡ所在的动力工厂，测试新的OBDⅡ标准不能在任何温度下测试。
结果被Volvo 850的程序流程和计划的制造率表明，为Volvo 850的传统比率指示传统的测试最大值300秒的驾驶不符合在OBDⅡ上的标准 。为了得到大马力得减少驱动次数。
在测试之后直接在动力车辆将被驱使到读所有的系统，他们的诊状态和任何的被储存的被注册的DTC的OBD/Volvo诊断代码联编。
注意我们读了所有的系统，不只有那些被排放导致的。
这项研究的结论说明我们的那些软件的管理和安全需求，当在交通工具发现一种过失的时候，像工厂中的那些测试不相符合。
因为我们是在一个有很多的新型交通工具的高利益工厂。
对于某程度，在总装厂中测试的情况是许我新型的理想的交通工具，但是很少的选择训练良好的操作员。

derekkong

不错。 内容不全