越野车后轮转向机构设计分析

张志运，黄妙华，陈 谦

(1.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉430070;2.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉430070)

在普通前轮转向的汽车行驶过程中，驾驶员通过操纵方向盘使汽车前轮作一定的转向运动，这种转向系统虽然结构简单，但是难以保证车辆的良好转向性能。为获得良好的转向特性，人们采取了一系列措施改进转向系统，如使用主动转向改变前轮转角，但是都没有解决轻与灵的矛盾，而四轮转向技术通过后轮转角的调整使解决这一矛盾成为可能。后轮转向可以从两个方面对整车的行驶性能进行优化，一是通过后轮与前轮反方向的偏转，减小转弯半径，由此可以在城市运行或泊车时减小负担;二是可以改善整车的稳定性，通过前轮和后轮的同向偏转可以使整车在高速行驶时具备更好的稳定性。

四轮转向技术可以极大地提升大中型车辆的操纵性、稳定性、安全性及舒适性，甚至与制动防抱死系统、牵引力控制系统TCS 一样，成为具有重要意义的汽车领域的技术革命［1］。在某越野车固有后悬架结构的基础上对后轮转向系统进行了液压机械结构的设计，并用AMESim 软件进行了可行性分析，仿真结果表明，后轮液压转向系统具有较高的灵敏度。

1 后轮转向理论分析

越野车后底盘部分安装有转向节和转向节臂，后车轮上左右的转向节臂分别通过一根横拉杆与悬架相连;该车采用双横臂独立悬架，横拉杆的外侧球头销在以内侧球销为中心的球面上运动，并且产生侧向位移;转向节沿着悬架摆臂决定的几何曲线上下运动，只要该曲线与上述球面不一致就会导致转向节绕主销回转并且产生被动转向，利用悬架的运动形成后轴的转向，后轮转向机构三维实体模型如图1 所示。

图1 后轮转向机构三维实体模型

车速较低时，通过后轮的逆向偏转，车辆的转弯半径明显减小;车速较高时，通过前后轮的同向偏转，此时前后轮产生的侧向力同向，使得绕重心的偏驶力矩减弱，车辆轨迹曲线中心点后移，相当于增大了车辆的轮距，行驶稳定性增强［2］。

由阿克曼几何学可知，普通前轮转向转弯半径计算图如图2 所示，整车的最小转弯半径为：

式中：L为轴距;βmax为外轮最大偏转角;l为轮胎接地中心面与主销中心线间距离。

图2 普通前轮转向转弯半径计算图

将R=8.25 m，L=4 m，l=0.049 m 代入式(1)可得βmax=30.3°。

当后轮也为转向轮时，四轮转向转弯半径计算如图3 所示，后轮转角不大，且假设后轴处于平行几何关系，推导的整车最小转弯半径为［3］：

式中：K为轮距;γ 为后轴转角。

将R'=7.5 m，K= 1.82 m，l=0.049 m，βmax=30.3°代入式(2)可得γ= 3.96°。

对比式(1)与式(2)可知，后轴3.96°的转角偏转便可使最小转弯半径减小0.75 m，即最小转弯直径可减小1.5 m。

图3 四轮转向转弯半径计算图

2 后轮转向方案分析

液压系统由于具有运动平稳、容易实现往复直线运动、位置误差小和控制精度高等特点［4］，且后轴只需要偏转3.96°即可实现最小转弯直径减少1.5 m 的目的，因此后轮转向系统采用全液压转向，从而保证后轴移动的精度。

图4 液压缸三维结构图

液压缸三维结构如图4 所示，二维结构如图5 所示。后轮液压缸由对中缸和转向缸组成，汽车中低速直线行驶时，液压系统无转向功能，转向缸不工作，即油口1 和油口6 均不进油和出油;而此时对中缸工作，油口2 进油，液压油经过油口3进入与其始终连通的油口5，从而推动两边活塞向中间运动，油口4 出油，液压缸对中，保证后轴处于中心位置;转弯时，为减少转弯半径，转向缸工作，对中缸跟随转向缸一起运动。

结合越野车底盘结构的布置，最终的后轮转向系统及悬架总成的装配图如图6 所示。

图5 液压缸二维结构图

图6 后轮底盘三维结构图

3 后轮转向原理分析

后轮转向系统采用全液压式，通过后轮转向系统中电磁控制阀的开闭程度控制液体流量，与前轮协调一致完成整个转向过程，从而保证后轮全液压转向方案的可行性。

越野车从低速左转弯状态恢复直线行驶时(此时前后轮为逆相位转向状态，后转向轮需要从右转状态回正)，电磁阀接收方向盘转角传感器信号，三位四通电磁阀A 从左位切换到右位，三位四通电磁阀B 从中位切换到左位，电磁阀E从左位切换到右位。液压油进入转向缸右腔，向转向缸加载反向油压，车轮开始回正，在大量实验数据保证下，转向缸活塞运动到中间位置时，三位四通电磁阀A 切换到中位，卸载油压，转向缸锁死，如图7 所示。与此同时，对中缸辅助工作，液压油进入对中缸左腔，由于C 油口和D 油口相通，液压油流入右腔，在左右腔液压压力作用下，活塞向中间运动，两个活塞遇到挡块时对中完成，在接收下一个方向盘转角信号前，对中缸一直工作，油压始终加载，如图8 所示。图中箭头表示液压油流向，“×”表示油路不通。越野车从右转状态恢复直线行驶时的油路与图7 和图8 相似。

越野车从低速直线行驶状态到左转弯状态时，后转向轮需要从对中位置右转，电磁阀接收到方向盘转角传感器信号时，电磁阀A 从中位切换到左位，电磁阀B 从左位切换到右位，电磁阀E从左位切换到右位。液压油进入转向缸左腔，车轮开始右转，对中缸右腔中的液压油经过单向阀和电磁阀E 进入油箱，此时对中缸处于随动状态，如图9 所示。同理，后转向轮需要从对中位置左转时其油路与图9 相似。

图7 左转向恢复直线行驶油路Ⅰ

图8 左转向恢复直线行驶油路Ⅱ

越野车高速行驶时，前后轮同相位转向，其原理可参考图7 ～图9。

后轮转向系统中，单向阀可防止液压油倒流;蓄能器可在液压泵工作不稳定，输出压力不够时保证整个系统的液压稳定;溢流阀可在系统压力超过设定值后快速恢复;调速阀可调节液压流量，达到调整活塞移动速率的目的［5］，使整个后轮系统满足越野车不同工况的使用要求。

图9 直线行驶切换至左转向油路

4 后轮液压系统仿真分析

当后轮也为转向轮，尤其是后轮转向系统采用全液压的越野车，其响应特性对整车的操纵稳定性有着很重要的影响，当越野车需要急转弯时，对后轮的转向可靠性要求更高。液压伺服机构接收到方向盘转角传感器的转向信号后，后轮液压转向缸必须及时进入工作状态，配合前轮进行同相位或者逆相位转向。转向缸灵敏程度决定了后轮转向系统的特性，对中缸只有锁死功能，因此建模时，未考虑对中缸，建立后轮液压系统AMESim模型仿真图如图10 所示。

图10 后轮液压系统AMESim 模型仿真图

AMESim 参数设置如表1 所示。仿真主要侧重于液压缸响应品质的测试，用方波信号代替经过处理的且伺服阀接收到的方向盘转角信号。

表1 AMESim 参数设置

由图11 可知，活塞杆移动速度在波动比较小的情况下能较好地过渡，并与仿真结果十分吻合。方波信号能较好地模拟汽车连续转弯时的方向盘转动工况。若在行驶过程中出现连续转弯的道路，方向盘需要从中间位置逆时针转动到θ 角度，再顺时针转动到θ 角度，循环重复整个过程，即可模拟蛇形试验工况［6-7］。

将方波信号与活塞位移的负反馈信号进行叠加，进行PID 处理［8-10］，处理后的PID 信号控制伺服阀的开启程度，液压油进入活塞，当活塞的位移与方波信号值一致时，叠加后信号为0，伺服阀关闭。活塞杆位移响应与输入信号对比曲线如图12 所示，由图12 可知，活塞杆位移的响应与输入信号变化趋势一致，响应较快，在误差允许的范围内，实车试验数据与仿真数据趋势一致。因此，在一定程度上，该模型可以满足活塞在小位移下的精度，能够在越野车连续转弯时保持较高的灵敏度。后轮液压缸的活塞杆位移响应曲线能较好地与输入信号相符，表明后轮转向系统具有良好的响应品质，保证了后轮转向系统方案的可行性。

图11 活塞杆速度

图12 活塞杆位移响应与输入信号对比曲线

5 结论

在节约资源及能够量产的情况下对某越野车的后悬架底盘结构进行了改造，建立了一种新型的后轮液压转向系统。该后轮转向系统最主要的部件为液压缸，液压缸由对中缸与转向缸组成，需要转向时转向缸工作，对中缸随动;直线行驶时对中缸对中锁死，转向缸辅助对中。通过AMESim 对液压转向机构进行了仿真分析，分析结果表明，该后轮液压转向系统具有较高的灵敏度。

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