汽車四輪轉向系統發展與展望

劉 釗

（長安大學，陜西 西安 710064）

汽車四輪轉向系統發展與展望

劉 釗

（長安大學，陜西 西安 710064）

介紹了汽車四輪轉向系統的發展歷程、特點及優勢，分析了當前四輪轉向技術的發展程度及控制策略，結合電控轉向技術的應用對四輪轉向系統的發展方向進行了展望。

汽車四輪轉向；電控轉向技術；發展方向

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

引言

目前，我國機動車保有量增速越來越快，而市區道路的擴建明顯滯后，車輛在狹窄道路上轉彎、掉頭也較為困難，給人們帶來很大的不便。同時，我國高速公路發展迅速，伴隨著交通事業的蓬勃發展，高速公路事故數量也逐年遞增，特別是在濕滑路面上，由于地面附著系數降低而引起的車輛失控。在對事件進行分析的同時，人們發現汽車四輪轉向技術可以較好地解決這兩個問題。

四輪轉向汽車的前后四個車輪都具有轉向功能，并且根據前后車輪不同的擺角和相位，能夠減小或增大汽車的轉彎半徑，從而提高車輛的靈活性或穩定性。因此，四輪轉向汽車相比傳統前輪轉向汽車有兩個優點：在低速時，后輪偏轉方向與前輪相反，使得轉彎半徑減小，能夠實現更靈活的轉向；在高速時，后輪偏轉方向與前輪相同，使得轉彎半徑增大，可以提升車輛的穩定性。

從上世紀80年代，四輪轉向技術就開始應用于汽車，然而并未得到普及，其原因在于四輪轉向系統結構較為復雜，而且對電子控制技術要求較高，因此增加了成本，降低了轉向系統的可靠性。

1、四輪轉向系統的發展

四輪轉向技術起源于日本。1907年，日本政府頒發了第一個關于四輪轉向的專利證書。1962年，日本汽車工程協會提出了后輪主動轉向的四輪轉向技術，開始了汽車四輪轉向的研究。1985年，Nissan公司首先在客車上成功應用了世界上第一套四輪轉向系統[1]。

最早的四輪轉向系統采用機械式機構，前、后輪轉向系統通過中間轉向軸相連，轉向時轉向盤的轉角首先作用于前輪轉向系統，同時利用中間轉向軸將轉向盤轉角向后輪轉向齒輪傳遞，操縱后輪轉動。

隨后出現了電液式四輪轉向機構，前、后輪均采用液壓動力轉向，當前輪轉向時，由中間轉向軸將信號傳遞給后輪動力轉向機構。后輪動力轉向機構根據前輪轉角、車速和后輪轉向角度比率，由控制器控制電機帶動助力油缸動作，從而改變后輪的轉動方向與角度。

目前較為先進的是電動式四輪轉向機構，省去了中間轉向軸以及液壓管路，使得結構更為簡單，該機構由控制單元采集當前信息，驅動前、后輪轉向系統的轉向電機進行轉向，也可以分別為每個車輪單獨配備轉向電機，實現四輪獨立控制[2]。

2、四輪轉向系統的控制

在輪式車輛轉向機構的設計中，要求轉向系統滿足阿克曼轉向原理，即要求四個車輪能夠在無側滑等理想狀態下繞著同一個中心原地轉圈，此時，四個輪胎均作純滾動，無滑磨狀態，如圖1所示。則兩個轉向輪應滿足關系式：

式中：β——外輪轉角

α——內輪轉角

M——轉向軸兩主銷中心距

L——車輛軸距

傳統前輪轉向汽車是利用梯形機構來滿足阿克曼原理的。轉向梯形機構中，下底邊長度（兩主銷中心距）M 是由車輛總體設計給出的，兩腰長相等。因此其中只有兩個獨立變量有待確定，一個是上底邊（橫拉桿）長度，另一個是兩腰（梯形臂）長度，而這兩個參數還可以轉化為梯形底角θ及腰長m，如圖2所示。

通常在設計時，根據θ和m值，需要用作圖法作出所選機構參數在轉向輪轉角范圍內（α<αmax），內、外輪轉角α和β的一組實際對應值，并將這組對應的轉角（αi，βi）按圖3所示作出實際特性曲線，與理論特性曲線進行比較，得到轉角的偏差值Δβ。其中直線GF為阿克曼原理所確定的理論特性曲線，弧線GE為梯形機構參數所確定的實際特性曲線，若兩條特性曲線接近, 即最大偏差值Δβmax小于允許偏差，說明轉向梯形幾何參數選擇合理；如果Δβmax大于允許偏差，則須重新選擇梯形參數[3]。

由此可以看出，梯形轉向機構僅僅能夠在一定范圍內近似滿足阿克曼原理，減少轉彎時的輪胎磨損。而在四輪轉向汽車的設計中，由于高、低速轉向時后輪擺角的差異，引起其轉向軸距的變化，使得梯形轉向機構不適宜用在四輪轉向汽車上。如圖4，圖5所示，四輪轉向汽車應滿足：

由于四輪轉向汽車在高速和低速變換時，L1和L2均有改變，且L1變化較大，這將給四輪轉向汽車的設計帶來很大的困難。

有一些四輪轉向系統是在前輪轉向的基礎上，為汽車的后輪加裝另一套轉向裝置，兩者之間通過一定的方式聯系，使得汽車在前輪轉向的同時，后輪也參與轉向。這種四輪轉向系統雖然結構簡單，可靠性高，但是無法滿足阿克曼原理，使得輪胎磨損嚴重，行駛阻力增大，油耗增加。

由于后輪的轉角在高速和低速時可實現同相位轉向和逆向位轉向，四輪轉向汽車的轉彎半徑變化較大，若采用傳統梯形轉向機構則會出現誤差較大的情況，因此有必要對各個輪胎實行獨立控制，以滿足阿克曼原理。

近年來，電子技術廣泛應用于汽車領域，并且隨著電子設備可靠性的提高，一些原本較為復雜的機械結構也逐步為電子結構所代替。對于汽車轉向系統，經過多年的研究與實踐，目前也出現了電控轉向技術。2012年，Nissan公司將電控轉向技術應用于“英菲尼迪Q50”型汽車，成為了首個在量產車上使用電控轉向技術的企業。電控轉向系統取消了轉向盤與轉向器之間的機械連接，利用電信號和馬達控制輪胎的轉向。首先利用傳感器檢測方向盤的轉角，之后 ECU（電子控制單元）將輪胎應轉過的角度轉換成控制信號，通過汽車內部線束傳送到控制輪胎轉向的馬達，實現轉向。因為轉向盤操作是經由線束傳遞而非轉向軸，所以叫作電控轉向[4]。同時該車為了保證轉向系統的可靠性，將傳統轉向系統中轉向盤與轉向器之間的機械連接依然保留。由此看出，電控轉向技術用在傳統前輪轉向汽車上似乎有些“多此一舉”，但是對于四輪轉向汽車卻意義重大。有了電控轉向技術作為基礎，四輪獨立轉向就可以很快實現，而四輪獨立轉向則是四輪轉向汽車滿足阿克曼原理的關鍵。

3、四輪轉向系統的控制策略

目前主要有兩種四輪轉向系統的控制方法，分為轉角隨動型（圖6）和車速感應型（圖7）。

轉角隨動型的特點是后輪偏轉方向和轉角大小受轉向盤轉角大小的控制。當轉向盤轉角很大時，后輪相對于前輪異向偏轉，認為此時車速較低；當方向盤轉角很小時，后輪與前輪同向偏轉，認為此時處于高速行車狀態。然而這種系統沒有考慮到人為誤操作的可能，會使汽車在高速急轉彎時的操縱穩定性惡化，故很少采用。

車速感應型的特點是后輪偏轉的方向和轉角大小主要受車速高低的控制，同時還受前輪轉角、側向加速度、橫擺角速度等動態參數的綜合控制。汽車低速行駛轉向時前后輪逆向偏轉，高速行駛轉向時前后輪同向偏轉。這種系統綜合考慮了汽車的各種動態參數對汽車轉向行駛過程中的操縱穩定性的影響，是目前四輪轉向汽車上主要采用的控制方法[5]。

四輪轉向系統的控制目標主要有：減小側向加速度與橫擺角速度之間的相位差以及它們各自的相位；減小汽車質心處的側偏角等。目前用于一些四輪轉向汽車上的控制方法主要有：前后輪轉向比一定的四輪轉向系統；前后輪轉向比是前輪轉角的函數；前后輪轉向比是車速的函數；具有一階滯后的四輪轉向系統；具有反相特性的四輪轉向系統；具有最優控制特性的四輪轉向；具有自適應能力的四輪轉向等[6]。

當然除了這些動態參數所確立的客觀控制方法之外，還應考慮駕駛員的主觀駕駛感受。目前駕駛員所習慣的轉向方式是傳統的前輪轉向，其車輛轉彎半徑與方向盤轉角具有線性比例關系，而四輪轉向汽車低速時轉彎半徑較小，高速時轉彎半徑較大，這種變化與前輪轉向汽車的駕駛感受有較大的不同。因此，對于四輪轉向汽車控制策略的研究，還需考慮駕駛員的駕駛感受這一重要元素，從主觀評價出發，在高低速轉換階段，盡量采用駕駛員不敏感的過渡方式，保持主觀評價與客觀評價的統一。

4、展望

由于電控轉向技術的應用，使得四輪轉向技術的發展又向前邁出了一大步。近年來，汽車主動安全技術發展迅速，主要包括ABS防抱死系統、ASR驅動防滑轉控制系統、EBD電子制動力分配系統、TCS牽引力控制系統、ESP汽車動態控制系統、EBA緊急剎車輔助系統、ACC自適應巡航控制系統、EMB電子機械制動系統等[7]。這些主動安全技術絕大部分是基于對制動系統的控制而發展起來的，通過檢測車輛運行狀態，在車輛即將發生側滑、傾翻時分別干預各個車輪的制動，使車輛脫離危險。當事故發生時，存在由于駕駛員經驗不足，猛打方向的情況，這樣會增加脫離危險的難度。

因此僅僅對車輛制動系統的干預顯然是不夠的，如果能夠同時對轉向系統也進行干預，那么車輛的安全性能將會大大提高。

同制動系統可單獨對某一車輪實施制動一樣，四輪轉向系統各個車輪的轉向也是獨立控制，這就為二者的配合提供了基本條件。當車輛出現側滑或側向加速度過大時，ECU能夠同時控制制動和轉向系統，對外側車輪進行制動并使車輪朝外側偏轉，以減小車輛側向加速度。

[1]王東明.汽車四輪轉向系統的研究與發展[J].上海汽車，2003(10)： 24-27.

[2]魏東.后輪獨立控制的四輪轉向系統研究[D].重慶：重慶交通大學，2011.

[3]鄔華芝，魏曉靜.輪式車輛轉向梯形機構的圖解解析法[J].工程機械，1999，30(8)：18-20.

[4]張亮.日產電控轉向：顛簸路面也能穩定暢行[J].汽車維修，2014(3)：6-7.

[5]王建勝.汽車四輪轉向運動規律分析[J].專用汽車，2004(5)：23-25.

[6]郭孔輝，軋浩.四輪轉向的控制方法的發展[J].中國機械工程，1998,9(5):73-75.

[7]邊立艦，劉昭度，齊志權.汽車主動安全電子技術的發展[J].中國集成電路，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

劉釗，就讀于長安大學。