基于电动轮式的多轴汽车转向及车轮驱动控制的研究

为解决目前多轴汽车采用梯形臂式纯机械转向机构导致的操纵稳定性和使用经济性差这一问题，本项目采用实验与理论分析相结合的手段对各车轴车轮转向角度之间的关系以及内外侧车轮驱动力矩之间的关系对操纵稳定性的影响进行研究，建立多轴汽车动力学模型，探索多轴汽车全轮转向时的操纵稳定性问题，在此基础上提出转向控制策略，并通过驾驶员对五轴全轮转向样车的驾驶来改进转向角度和驱动力矩的控制模式，最终实现基于总线控制的电动轮式多轴汽车全轮独立转向控制，可根据车辆转向模式的需要，单独地控制每个车轮转向角度的大小和方向以及驱动车轮滚动的力矩大小和方向，从而实现非常灵活的多种转向模式，使车轮对地面附着系数的利用达到最佳，避免车轮的驱动打滑和转向时的轮胎滑移，降低油耗和轮胎磨损。对揭示多轴汽车转向时的车轮偏转角与车轮力矩控制对操纵稳定性的影响规律有重要意义，为基于电动轮式的多轴汽车转向控制提供思路。

多轴汽车在公路运输中承担了重要的运输任务，但由于整车尺寸大，导致操纵稳定性差、安全性差、灵活性低。本项目对多轴汽车高速行驶的操纵稳定性和低速行驶的机动灵活性进行研究，为解决转向控制精度的问题，降低转向时的轮胎磨损和行驶阻力，提出无梯形式线控转向系统，并以汽车转向中心与第1轴的距离在汽车纵向轴线上的投影距离D为控制转向模式的参数，研究表明汽车在转向过程中，动态的改变D值，即先减小再增大最后减小，会使汽车在具有良好的动态响应特性，即汽车具有较快的转向响应，同时横摆角速度和侧向加速度的收敛时间缩短，超调量减小，而稳态值也不会太小，使驾驶员具有良好的驾驶感受。据此提出变质心侧偏角控制策略，通过分析发现当质心侧偏角的控制方向与转向方向相同时，汽车的运行轨迹远离仅前轮转向的试验方案，汽车转弯半径较大，横摆角速度超调量比仅前轮转向缩小88.8%，比简单的同相位转向缩小58.3%，同时收敛时间也大幅度缩短，汽车的侧滑最小，但后轴车轮转动角度波动最大，车轮转向磨损最大，甩尾的可能性大幅度降低，这种控制策略一般对应于汽车在低附着系数的路面上行驶，同时转向时车速较高的情况，此种方案可以显著提高汽车的安全性和操纵稳定性。同时应注意，质心侧偏角的绝对值不要太大，否则会增加汽车转向操作难度，例如驾驶员需要转动更多的方向盘角度。当质心侧偏角的控制方向与转向方向相反时，汽车的运行轨迹接近仅前轮转向的试验方案，汽车转弯半径最小，横摆角速度超调量比仅前轮转向缩小87.4%，比简单的同相位转向缩小53.0%，有较大的横摆角速度，同时收敛时间较短，汽车的侧滑较小，后轴车轮转动角度波动最小，车轮转向磨损最小，因此这种控制策略一般对应于汽车在良好附着系数的路面上行驶，同时转向时车速不太高的情况。但同时应注意，质心侧偏角的绝对值不要太大，否则会增加汽车甩尾的可能性。而采用变质心侧偏角控制策略，可以兼顾二者的优点。通过电动轮驱动力矩控制的研究发现，采用DYC-TCS控制后，汽车质心侧偏角的最大值均得到了明显降低，稳定时间明显缩短，特别是在车速为130km/h时，质心侧偏角的最大超调量降低了16.3%，稳定时间缩短31.8%，使汽车在一定程度上实现良好的轨迹跟踪性。提出了低速行驶时的转向控制策略，通过小型样车的试验分析，通过不同转向模式的切换，可以大大提高多轴汽车的机动灵活性。