四轮转向技术的原理及应用前景浅析

苏梦飞

摘 要 随着我国汽车保有量越来越多，而市区道路扩建滞后，使得车辆在狭窄道路上转弯掉头十分困难，给人们带来的出行带来很大的不便。而且在湿滑路面上，地面附着系数的降低会使车辆失控从而引发交通事故。而四轮转向技术的发展可以很好地解决上述问题，所以研究四轮转向技术显得尤为重要。本文主要介绍了四轮转向技术的发展现状、系统类型、工作原理以及所面临的问题和发展前景。

关键词 四轮驱动 汽车运用 控制系统 操纵稳定性

一、引言

四轮转向是指汽车在转向的过程中，4个车轮可依据前轮或行车速度等信号同时相对车身发生偏转。四轮转向的目的在于当车辆低速行驶时依靠逆向转向（前轮与后轮的转角方向相反）改善汽车的操作性，获得相对较小的转向半径。在中高速行驶时依靠同向转向（前轮与后轮的转角方向相同），从而提高汽车的操纵稳定性。最近几年各国的汽车公司对四轮转向技术有了更深的发展，从最初的以减小转弯半径为目的到现在以高速稳定性为目的，四轮转向技术受到人们越来越多的关注。

二、四轮转向系统类型及原理

汽车在转向时有两种运动，即重心的平移和绕重心的转动，这两种运动的结合使汽车完成转向的过程。对于2WS系统来说，当汽车具有确定的车速和一定的方向盘转角时，前轮转向（FWS）汽车的行驶方向是单一的。且后轮转向是由依靠离心力的侧偏作用，故后轮方向的改变具有一定的迟滞性，从而导致汽车转向的灵敏度变差、汽车转向半径增大等现象出现。对于4WS系统，其行驶状态则因后轮与前轮之间的角度差异而变得更加灵活，产生不同的行驶状态，从而达到汽车机动性、操纵稳定性等使用性能需求。

（一）机械式

机械式系统，转向器分别安装在前后轮上，两转向器之间通过一机械装置相连接。转动汽车方向盘时，齿轮—齿条式转向器的齿条带动前轮转向器中的小齿轮，齿条的左右运动变换成为小齿轮的转动，经中间传动装置使后轮转向齿轮产生相应动作。当转向盘转动角度小时，后轮与前轮同向偏转；当转向盘转动量大时，后轮与前轮反向偏转。

（二）液压式

液压式4WS系统由储油罐、油泵、控制阀等组成。当转动转向盘时，前轮油泵把油液送入到前轮齿轮齿条机构的旋转阀中，导入前转向动力缸中，此时前轮动力缸及控制阀侧压力腔压力升高，推动柱塞移动，同时后轮转向油泵输出油液经过控制阀的特定通道进入后转向动力缸，使其中的柱塞产生位移，通过活塞杆对后轮悬架的中间球铰接头产生作用力，从而使后轮产生偏转。其中，转向盘转速越高、操纵力越大、转角越大，油液压力就越高，柱塞的移动量也越大。

（三）电控式

电控式4WS系统主要由ECU、转向角度传感器、车速传感器、和执行机构成，其主要依靠安装在后悬架上的转向机构，达到驾驶员在操纵转向盘时能够转动汽车的前后四个车轮的目的。

4WS系统的转向角度传感器安装在转向机内，其作用就是向ECU传送转向角度和方向的电压信號。控制系统ECU根据车速传感器和转向角度信号的输入信息进行运算，同时通过比较两个处理器的计算结果给予相应的反馈，若确定转向指令在正确执行，那么ECU将启动后轴转向驱动电机，来控制后轮的转向方向和角度大小。执行机构多为电机驱动型式，电动机接收ECU的信号后，控制操作杆移动，从而可以放大前轮的转向方向和角度，驱动后轮偏转。

三、四轮转向技术在应用方面面临的挑战

虽然主动四轮转向既可以提升操控性，又可以提升安全性，但是目前仅有几款高端车型在应用这种技术，其主要原因来自三个方面：成本、空间和可靠性。对于较低端的车型，通常更注重性价比，对于这种客户感受不那么明显的配置通常不会采纳。还有对于小型车，在原本后排空间就很紧张的情况下，在后桥上增加一套转向系统显然不够现实。其次就是可靠性，由于不是纯机械式控制，所以需要大量的电子元件，可靠性会降低。

四、四轮转向技术应用的前景分析

关于四轮转向技术的应用，有学者提出四轮独立转向-独立驱动电动车（4WIS-4WIDEV）的智能车构型，即利用4个驱动制动和转向均独立可控的车轮，实现主动后轮转向和直接横摆的一种避障智能车辆。同时四轮转向技术还可应用于牵引汽车中，目前机场牵引汽车已普遍采用这种技术，但是仍存在甩尾和转向过度的问题，通过车载PLCA11中编程与四轮转向技术的结合，可更好控制车辆行驶。另外，此项技术还有望在丘陵山地车、混凝土搅拌车等方面得到广泛应用。

从20世纪80年代末期到今天，日本制造商一直有采用四轮转向的传统。但电子稳定控制系统和横向偏百控制系统的发展限制了四轮转向技术的广泛应用，这两种装置都能够像四轮转向系统一样纠正转向不足或转向过度，而不会导致成本和重量增加。当需要转弯时，后轮首先逆向转向，从而立刻导入后胎的滑动响应，这种响应有助于转弯的角度的调整。由于电脑监控着整个过程，转向过度量将一直得到抑制。所以现在除了一些大型卡车和赛车使用外，乘用车几乎都没有用，四轮转向技术极大地提升了大型车辆的操纵性、稳定性、安全性及舒适性，是一项与防抱死制动系统ABS、牵引力控制系统TCS相媲美的具有划时代意义的汽车技术革命，改变了大型车辆的未来，并可能成为大部分车辆最受欢迎的选装件之一。

（作者单位为长安大学汽车学院）

参考文献

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