浅谈四轮转向的工作原理及特点

宋勋勋 宋明祥

摘 要：两轮转向具有结构简单、布置方便、成本低廉的特点，但在车辆转向的过程中其动力学响应特性受自身结构参数和外界条件的影响较大，汽车的机动性和操稳性并不理想。四轮转向汽车的前、后车轮都能参与转向，它能有效提高汽车低速转向的机动性和高速转向的操纵稳定性，使汽车在转向时后轮直接参与对汽车侧偏角和侧向运动的控制。

关键词：四轮转向 行驶稳定性

随着汽车技术的发展，主动安全性日益受到人们的重视。四轮转向是实现主动安全性的方法之一。近年来，很多汽车厂商纷纷推出了带有四轮转向系统的概念车，并把一些成熟的四轮转向技术应用到了它的普及型汽车中，提高了其汽车的主动安全性。

一、汽車四轮转向装置的基本工作原理

两轮转向汽车在转向运动的初期，只有前轮在自转的同时又以转向主销为轴心相对于车身发生偏转（公转），而后轮只自转而不发生偏转（公转），不起主动转向作用。当前轮偏转后，前轮先改变了前进的方向，地面就有一个侧向力通过前轮作用于车身，使车身横摆。车身在改变原来运动方向的同时产生离心力传给前轮和后轮。传给前轮的离心力平衡地面作用在前轮上的侧向力，而传给后轮的离心力使后轮轮胎产生侧偏并改变后轮行进的方向，这时后轮才参与汽车的转向运动。显然，两轮转向的汽车在转向时，从转动方向盘到后轮参与转向运动之间存在一定的滞后时间，使汽车转向的随动性（灵敏度）变差，并使汽车转向直径增大。另外，两轮转向汽车在高速行驶时相对于一定的方向盘转角增量、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。

而4WS汽车的后轮与前轮一样既可自转也能偏转。当驾驶员转动方向盘后，前后轮几乎同时转向，使汽车改变前进方向，实现转向运动。现代4WS汽车既能保证汽车低速行驶时转向的机动性，也能保证高速行驶时的操纵稳定性，使车身的横摆和侧倾减小，能有效的克服2WS汽车的缺点。

4WS汽车是在前轮转向系统的基础上，在汽车的后悬架上安装一套后轮转向系统，两者之间通过一定的方式联系，使得汽车在前轮转向的同时，后轮也参与转向，从而达到提高汽车低速行驶的机动性和高速行驶的稳定性。典型的电控4WS系统主要由前轮转向系统、传感器、ECU、后轮转向执行机构和后轮转向传动机构等组成。转向时，传感器将前轮转向的信号和汽车运动的信号送入ECU进行分析计算，向后轮转向执行机构输出驱动信号，后轮转向执行机构动作，通过后轮转向传动机构，驱动后轮偏转。同时，ECU进行实施监控汽车运行状况，计算目标转向角与后轮实时转向角之间的差值，来实时调整后轮转角。这样，可以根据汽车的世纪运动状态，实现汽车的四轮转向。

二、汽车四轮转向系统控制技术的发展趋势

目前，对于4WS汽车的研究和开发仍处于不断发展和完善阶段。尽管科研人员从结构到控制原理上对四轮转向进行了大量的研究，4WS技术已取得不少进展。

在技术相对成熟的4WS汽车中，大多数采用电控液压动力4WS系统。随着电子技术的飞速发展，计算机技术在汽车中的广泛应用，电控电动4WS系统将是4WS汽车的发展趋势。虽然在4WS系统的研究和开发方面已经取得了很大的发展，但是，作为4WS系统的核心技术问题──4WS系统控制器的设计，究竟以什么作为最佳的控制目标，采用什么样的控制方法，在该研究领域仍然没有较为一致的看法。早期的研究是将汽车轮胎看成线性进行建模的，一般的4WS控制也就基于轮胎所受的横向力比例于车轮侧偏角的假设，这种假设只是在横向加速度较小的范围内有效。当在横向加速度较大的范围内时，轮胎的侧偏特性将进入非线性区域，轮胎侧偏角对轮胎所受横向力的响应不再呈比例关系，与轮胎所受的纵向力、垂直载荷等都有关系。实际上，汽车在转弯行驶时，轮胎基本上都工作在非线性区域。此时，再用线性控制理论来进行研究，就显得勉为其难。随着控制技术的不断发展，一些先进的现代控制方法已经被应用于4WS系统的控制研究中，如最优控制、自适应控制、滑模控制、鲁棒控制等，近年来，又出现了模糊控制、基于人工神经网络理论的控制方法等。对4WS控制系统的研究逐渐从线性领域向非线性领域过渡，一些多自由度的4WS汽车动力学模型已有提出，但大多处于研究的初级阶段，尚不成熟。

参考文献

[1]边明远.汽车四轮转向（4WS）技术及其发展前景[J].世界汽车，1999（6）：261-270.