汽车四轮转向系统发展与展望

刘 钊

（长安大学，陕西 西安 710064）

汽车四轮转向系统发展与展望

刘 钊

（长安大学，陕西 西安 710064）

介绍了汽车四轮转向系统的发展历程、特点及优势，分析了当前四轮转向技术的发展程度及控制策略，结合电控转向技术的应用对四轮转向系统的发展方向进行了展望。

汽车四轮转向；电控转向技术；发展方向

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-23-04

引言

目前，我国机动车保有量增速越来越快，而市区道路的扩建明显滞后，车辆在狭窄道路上转弯、掉头也较为困难，给人们带来很大的不便。同时，我国高速公路发展迅速，伴随着交通事业的蓬勃发展，高速公路事故数量也逐年递增，特别是在湿滑路面上，由于地面附着系数降低而引起的车辆失控。在对事件进行分析的同时，人们发现汽车四轮转向技术可以较好地解决这两个问题。

四轮转向汽车的前后四个车轮都具有转向功能，并且根据前后车轮不同的摆角和相位，能够减小或增大汽车的转弯半径，从而提高车辆的灵活性或稳定性。因此，四轮转向汽车相比传统前轮转向汽车有两个优点：在低速时，后轮偏转方向与前轮相反，使得转弯半径减小，能够实现更灵活的转向；在高速时，后轮偏转方向与前轮相同，使得转弯半径增大，可以提升车辆的稳定性。

从上世纪80年代，四轮转向技术就开始应用于汽车，然而并未得到普及，其原因在于四轮转向系统结构较为复杂，而且对电子控制技术要求较高，因此增加了成本，降低了转向系统的可靠性。

1、四轮转向系统的发展

四轮转向技术起源于日本。1907年，日本政府颁发了第一个关于四轮转向的专利证书。1962年，日本汽车工程协会提出了后轮主动转向的四轮转向技术，开始了汽车四轮转向的研究。1985年，Nissan公司首先在客车上成功应用了世界上第一套四轮转向系统[1]。

最早的四轮转向系统采用机械式机构，前、后轮转向系统通过中间转向轴相连，转向时转向盘的转角首先作用于前轮转向系统，同时利用中间转向轴将转向盘转角向后轮转向齿轮传递，操纵后轮转动。

随后出现了电液式四轮转向机构，前、后轮均采用液压动力转向，当前轮转向时，由中间转向轴将信号传递给后轮动力转向机构。后轮动力转向机构根据前轮转角、车速和后轮转向角度比率，由控制器控制电机带动助力油缸动作，从而改变后轮的转动方向与角度。

目前较为先进的是电动式四轮转向机构，省去了中间转向轴以及液压管路，使得结构更为简单，该机构由控制单元采集当前信息，驱动前、后轮转向系统的转向电机进行转向，也可以分别为每个车轮单独配备转向电机，实现四轮独立控制[2]。

2、四轮转向系统的控制

在轮式车辆转向机构的设计中，要求转向系统满足阿克曼转向原理，即要求四个车轮能够在无侧滑等理想状态下绕着同一个中心原地转圈，此时，四个轮胎均作纯滚动，无滑磨状态，如图1所示。则两个转向轮应满足关系式：

式中：β——外轮转角

α——内轮转角

M——转向轴两主销中心距

L——车辆轴距

传统前轮转向汽车是利用梯形机构来满足阿克曼原理的。转向梯形机构中，下底边长度（两主销中心距）M 是由车辆总体设计给出的，两腰长相等。因此其中只有两个独立变量有待确定，一个是上底边（横拉杆）长度，另一个是两腰（梯形臂）长度，而这两个参数还可以转化为梯形底角θ及腰长m，如图2所示。

通常在设计时，根据θ和m值，需要用作图法作出所选机构参数在转向轮转角范围内（α<αmax），内、外轮转角α和β的一组实际对应值，并将这组对应的转角（αi，βi）按图3所示作出实际特性曲线，与理论特性曲线进行比较，得到转角的偏差值Δβ。其中直线GF为阿克曼原理所确定的理论特性曲线，弧线GE为梯形机构参数所确定的实际特性曲线，若两条特性曲线接近, 即最大偏差值Δβmax小于允许偏差，说明转向梯形几何参数选择合理；如果Δβmax大于允许偏差，则须重新选择梯形参数[3]。

由此可以看出，梯形转向机构仅仅能够在一定范围内近似满足阿克曼原理，减少转弯时的轮胎磨损。而在四轮转向汽车的设计中，由于高、低速转向时后轮摆角的差异，引起其转向轴距的变化，使得梯形转向机构不适宜用在四轮转向汽车上。如图4，图5所示，四轮转向汽车应满足：

由于四轮转向汽车在高速和低速变换时，L1和L2均有改变，且L1变化较大，这将给四轮转向汽车的设计带来很大的困难。

有一些四轮转向系统是在前轮转向的基础上，为汽车的后轮加装另一套转向装置，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。这种四轮转向系统虽然结构简单，可靠性高，但是无法满足阿克曼原理，使得轮胎磨损严重，行驶阻力增大，油耗增加。

由于后轮的转角在高速和低速时可实现同相位转向和逆向位转向，四轮转向汽车的转弯半径变化较大，若采用传统梯形转向机构则会出现误差较大的情况，因此有必要对各个轮胎实行独立控制，以满足阿克曼原理。

近年来，电子技术广泛应用于汽车领域，并且随着电子设备可靠性的提高，一些原本较为复杂的机械结构也逐步为电子结构所代替。对于汽车转向系统，经过多年的研究与实践，目前也出现了电控转向技术。2012年，Nissan公司将电控转向技术应用于“英菲尼迪Q50”型汽车，成为了首个在量产车上使用电控转向技术的企业。电控转向系统取消了转向盘与转向器之间的机械连接，利用电信号和马达控制轮胎的转向。首先利用传感器检测方向盘的转角，之后 ECU（电子控制单元）将轮胎应转过的角度转换成控制信号，通过汽车内部线束传送到控制轮胎转向的马达，实现转向。因为转向盘操作是经由线束传递而非转向轴，所以叫作电控转向[4]。同时该车为了保证转向系统的可靠性，将传统转向系统中转向盘与转向器之间的机械连接依然保留。由此看出，电控转向技术用在传统前轮转向汽车上似乎有些“多此一举”，但是对于四轮转向汽车却意义重大。有了电控转向技术作为基础，四轮独立转向就可以很快实现，而四轮独立转向则是四轮转向汽车满足阿克曼原理的关键。

3、四轮转向系统的控制策略

目前主要有两种四轮转向系统的控制方法，分为转角随动型（图6）和车速感应型（图7）。

转角随动型的特点是后轮偏转方向和转角大小受转向盘转角大小的控制。当转向盘转角很大时，后轮相对于前轮异向偏转，认为此时车速较低；当方向盘转角很小时，后轮与前轮同向偏转，认为此时处于高速行车状态。然而这种系统没有考虑到人为误操作的可能，会使汽车在高速急转弯时的操纵稳定性恶化，故很少采用。

车速感应型的特点是后轮偏转的方向和转角大小主要受车速高低的控制，同时还受前轮转角、侧向加速度、横摆角速度等动态参数的综合控制。汽车低速行驶转向时前后轮逆向偏转，高速行驶转向时前后轮同向偏转。这种系统综合考虑了汽车的各种动态参数对汽车转向行驶过程中的操纵稳定性的影响，是目前四轮转向汽车上主要采用的控制方法[5]。

四轮转向系统的控制目标主要有：减小侧向加速度与横摆角速度之间的相位差以及它们各自的相位；减小汽车质心处的侧偏角等。目前用于一些四轮转向汽车上的控制方法主要有：前后轮转向比一定的四轮转向系统；前后轮转向比是前轮转角的函数；前后轮转向比是车速的函数；具有一阶滞后的四轮转向系统；具有反相特性的四轮转向系统；具有最优控制特性的四轮转向；具有自适应能力的四轮转向等[6]。

当然除了这些动态参数所确立的客观控制方法之外，还应考虑驾驶员的主观驾驶感受。目前驾驶员所习惯的转向方式是传统的前轮转向，其车辆转弯半径与方向盘转角具有线性比例关系，而四轮转向汽车低速时转弯半径较小，高速时转弯半径较大，这种变化与前轮转向汽车的驾驶感受有较大的不同。因此，对于四轮转向汽车控制策略的研究，还需考虑驾驶员的驾驶感受这一重要元素，从主观评价出发，在高低速转换阶段，尽量采用驾驶员不敏感的过渡方式，保持主观评价与客观评价的统一。

4、展望

由于电控转向技术的应用，使得四轮转向技术的发展又向前迈出了一大步。近年来，汽车主动安全技术发展迅速，主要包括ABS防抱死系统、ASR驱动防滑转控制系统、EBD电子制动力分配系统、TCS牵引力控制系统、ESP汽车动态控制系统、EBA紧急刹车辅助系统、ACC自适应巡航控制系统、EMB电子机械制动系统等[7]。这些主动安全技术绝大部分是基于对制动系统的控制而发展起来的，通过检测车辆运行状态，在车辆即将发生侧滑、倾翻时分别干预各个车轮的制动，使车辆脱离危险。当事故发生时，存在由于驾驶员经验不足，猛打方向的情况，这样会增加脱离危险的难度。

因此仅仅对车辆制动系统的干预显然是不够的，如果能够同时对转向系统也进行干预，那么车辆的安全性能将会大大提高。

同制动系统可单独对某一车轮实施制动一样，四轮转向系统各个车轮的转向也是独立控制，这就为二者的配合提供了基本条件。当车辆出现侧滑或侧向加速度过大时，ECU能够同时控制制动和转向系统，对外侧车轮进行制动并使车轮朝外侧偏转，以减小车辆侧向加速度。

[1]王东明.汽车四轮转向系统的研究与发展[J].上海汽车，2003(10)： 24-27.

[2]魏东.后轮独立控制的四轮转向系统研究[D].重庆：重庆交通大学，2011.

[3]邬华芝，魏晓静.轮式车辆转向梯形机构的图解解析法[J].工程机械，1999，30(8)：18-20.

[4]张亮.日产电控转向：颠簸路面也能稳定畅行[J].汽车维修，2014(3)：6-7.

[5]王建胜.汽车四轮转向运动规律分析[J].专用汽车，2004(5)：23-25.

[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]边立舰，刘昭度，齐志权.汽车主动安全电子技术的发展[J].中国集成电路，2004，13(7)：33-37.

Car wheel steering system development and prospect

Liu Zhao
（Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064）

Describes the car four-wheel steering system development process, characteristics and advantages of four-wheel steering technology analysis of the current level of development and the control strategy, combined with electronically controlled four-wheel steering application of technology to the development direction of the steering system are discussed.

Car wheel steering; Electrically controlled steering technology; Development direction

U463.4

A

1671-7988(2015)04-23-04

刘钊，就读于长安大学。