1、哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 1 -本科毕业论文（设计）开 题 报 告论文题目 基于奥迪 Q5 的四轮转向系设计及运动仿真 班 级 姓 名 院（系） 汽车工程学院 导 师 开题时间 2013 年 12 月 23 日 哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 2 -1课题研究的目的和意义随着当今社会的发展、技术的进步,道路安全得到了人们更高的重视,为了保证行车安全,汽车的操纵稳定性也受到了重视。四轮转向技术是一种可以使前后轮同时改变方向的技术,后轮可以独立进行转向。汽车在低速行驶转向并且方向盘转向角度很大时，后轮相对于前轮反向转向，可以减小汽车的转弯半径,提高汽车的机动性;
2、汽车在高速行驶转向时，后轮与前轮同向转向，可以提高汽车行驶的操纵稳定性 1。这种转向方式的作用示意图如下图所示。四轮转向的作用示意图汽车四轮转向系统类型分为机械式、机电组合控制液压驱动式、电控四轮转向系统( 其中又有电控-电动和电控-液压驱动之分)。机械式四轮转向系统由前轮转向器、中央传动轴和后轮转向器三部分组成，前轮采用齿轮齿条式液压动力转向器，后轮采用机械式转向器，通过中心传动轴驱动后轮转向器。同时，后轮横拉杆形成转向联动装置。机电组合控制液压驱动四轮转向系统主要由前轮转向器、转向角度传输轴、电子传感器和控制单元、转向油泵、后轮转向器等组成。后轮的偏转方向由车速传感器控制，偏转角度则由机械
3、式转向角度传输轴控制。电控液压式四轮转向系统与机电组合液压驱动方式相似，区别在于后轮的偏转方向和偏转角度全部由传感器和控制单元控制，前轮转向器和后轮转向器之间没有任何机械传动装置，后轮液压驱动装置用油管与转向油泵连接。电控电动四轮转向系统的后轮转向采用电动机驱动，电动机通过传感器由四轮转向控制单元操纵。前轮转向器和后轮转向器之间既没有机械传动装置，也没有机械连接装置 2。本课题研究的目的在于设计一种四轮转向系统，并对汽车进行运动仿真，增强汽车在高速行驶时的操纵稳定性、低速转弯时的操纵灵活性。2 国内外研究现状随着先进汽车动力学控制技术的发展，四轮转向技术（Four Wheel 哈尔滨工业大学本
4、科毕业论文（设计）开题报告- 3 -Steering，简称 4WS）正是源于对高速工况下的汽车操纵稳定性和主动安全性的研究。相对于传统前轮转向汽车，四轮转向系统还将根据汽车当前的运动状态信息对后轮转向进行控制，以提高汽车的操纵稳定性和主动安全性。四轮转向技术按照其发展可以大致归纳为下面三个阶段 3：1、20 世纪初至 20 世纪 60 年代 这一阶段主要是四轮转向技术的萌芽和初步应用。1907 年，日本政府颁发了第一个关于四轮转向的专利证书 4，它是利用一根轴将前轮转向机构和后轮转向机构直接连接，从而实现后轮转向。当车辆低速行驶时，通过后轮相对于前轮的反向转向，能够减小低速时车辆的转弯半径，使
5、其具有更好的机动性。这可以算是四轮转向技术最初的应用实例了。 2、20 世纪 60 年代后期至 20 世纪 90 年代初 直到 1962 年，在日本汽车工程协会的技术会议上提出后轮主动转向的概念，才开始了四轮转向系统的汽车动力学研究。这一阶段，研究人员开始认识到四轮转向技术对于提高汽车高速时的操纵稳定性具有重要意义。 日本学者 Furukawa 通过一系列研究得出重要结论：在高车速范围内，应用后轮与前轮的同向转向可以减小汽车质心侧偏角，从而减小侧向加速度响应的相位滞后，表明主动控制后轮转向可以在很大程度上改善汽车的操纵稳定性 5。1985 年，Nissan 公司在实车上应用了世界上第一套四轮转
6、向系统，应用在该公司开发的一种高性能主动控制悬架上（High Capacity Actively-controlled Suspension， HICAS）,并于 1987 年和 1989 年相继开发出 HICAS II 和 SUPER HICAS，其后轮转向作用机理都是采用一套液压泵和液压系统来主动控制后轮的转向角度，比较明显地改善了汽车在高车速范围内的操纵稳定性 4。 3、20 世纪 90 年代至今 这一阶段，随着电子技术的广泛应用，以及现代控制理论的融入，主要是汽车底盘的综合集成控制的研究。研究人员开始从“行驶工况 驾驶员车辆”的闭环系统出发，综合研究汽车的纵向、侧向和垂向的动力学控制，
7、使得四轮四轮转向技术更加成熟。 如美国 GM 公司在其很多车型上应用了 Delphi 公司研发的 QuadraSteerTM的四轮转向技术，其后轮电动转向系统包括了车轮定位传感器、车速传感器和中央电子控制模块。系统以电子控制的形式对后轮转向进行实时控制，根据车速的不同对后轮转向进行控制以达到低速时反向转向和高速时同向转向，并与汽车的底盘控制系统一体化，可以在控制面板上选择开启或者关闭四轮转向系统。4WS 作为汽车新技术，目前在各国的应用都不是很广泛。日本虽然在 4WS的研究上做了很多的工作，也取得了很大的成果，如本田、雷诺、马自达推出了四轮转向的概念车，但是就日本每年生产的千万辆汽车而言，安装
8、 4WS 的只是很小一部分，仍然不能大规模地使用。其一是 4WS 在很多方面尚不是很成熟，哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 4 -其二是成本较高。尽管如此，4WS 技术在改善汽车操纵稳定性和增强汽车的安全性能上具有很明显的效果。郭孔辉按照不同控制方式，将汽车四轮转向系统分为以下七种类型 6：1. 定前后轮转向比四轮转向系统2. 前后轮转向比是前轮转角函数的四轮转向系统3. 前后轮转向比是车速函数的四轮转向系统4. 具有一阶滞后的四轮转向系统5. 具有反相特性的四轮转向系统6. 具有最优控制特性的四轮转向系统7. 具有自学习、自适应能力的四轮转向系统3. 本课题的研究内容及技术方案本
9、毕业设计主要是设计一种汽车四轮转向系统，并对汽车的运动进行仿真，其中关于转向系统的设计，偏重于转向传动机构。所谓转向传动机构，就是将转向器输出的力和运动传给转向节，使左右转向轮按一定关系偏转的机构。它主要由转向摇臂、转向直拉杆、转向横拉杆、转向节臂和转向梯形机构等组成。电机的控制策略等不在研究范围内。整车的四轮转向系统采用电控四轮转向系统，本论文研究的主要内容如下：1. 设计前转向桥的转向机构，采用齿轮齿条式转向器，具有结构简单、制造容易、传动效率很高、转向灵敏、啮合间隙无需调整等特点。2. 设计后转向桥的转向机构。由于是由电动机驱动转向，所以要选择合适的步进电动机，设计减速机构，常采用蜗轮蜗
10、杆机构或行星齿轮机构 7。3. 基于阿克曼转向原理，对与独立悬架配用的双梯形转向传动机构进行优化计算。4. 基于前后轮比例转向的控制策略，建立线型二自由度汽车运动模型，用MATLAB/simulink 进行运动仿真。4. 本设计的特色虽然两轮转向是当前转向技术中的主流，但四轮转向具有可以提高汽车操稳性的优点，所以，本设计基于奥迪 Q5 的参数，设计电控电动式四轮转向系统，运用 MATLAB 对转向梯形机构进行优化设计。同时，基于前后轮比例转向的控制策略，建立数学模型，进行运动仿真，验证四轮转向系统所具有的优点。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 5 -5. 进度安排第 13 周：搜集
11、资料，撰写开题报告。第 45 周：确定总成部件的基本数据；第 68 周：建立转向梯形数学模型并进行优化设计；第 913 周：对转向系统进行结构设计，并对转向器进行强度分析；第 1416 周：建立运动模型，用 MATLAB 进行仿真分析第 17 周：撰写说明书；第 18 周：准备答辩。6. 参考文献1 杨峰,高翔,王若平等.两轴四轮汽车四轮转向机构的运动分析J.中国农机化, 2004, 6: 49-55.2 胡宁等,现代汽车底盘构造M上海：上海交通大学出版社，2003: 1903 王辉. 四轮转向汽车的控制研究和操纵动力学仿真分析 DD. 上海交通大学, 2007.4 Irie N, Kurok
12、i J. 4WS technology and the prospects for improvement of vehicle dynamicsC/Transportation Electronics, 1990. Vehicle Electronics in the 90s: Proceedings of the International Congress on. IEEE, 1990: 429-437.5 Sano S, Furukawa Y, Shiraishi S. Four wheel steering system with rear wheel steer angle controlled as a function of steering wheel angleJ. Training, 1986, 2002: 02-22.6 郭孔辉,轧浩.四轮转向的控制方法的发展J.中国机械工程,1998,9(5): 73-75.7 汪东明, 陈南. 电控电动式四轮转向系统的研究与发展J . 汽车电器, 2004, 4: 8-10.开题报告检查组意见： 哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告- 6 -组长（签字）：年 月 日
