四輪轉向系統技術研究現狀及應用進展

【歡迎引用】 靖長青， 宋義彤. 四輪轉向系統技術研究現狀及應用進展[J]. 汽車文摘，2025（XX）： X-XX.

【Cite this paper】 JING C Q， SONG Y T. Four-Wheel Steering System Technology Research Status and Application Progress[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2025（XX）： X-XX.

【摘要】為了提升車輛的操縱穩定性和轉向靈活性，通過文獻綜述對四輪轉向系統結構、技術應用和控制方案3方面進行分析，總結了汽車四輪轉向技術的主要研究方法和應用成果。當前汽車四輪轉向系統的發展呈現電動化、智能化、集成化特點。四輪轉向系統從經典的機械隨動結構到逐漸向成熟的電動主動四輪轉向結構過渡，四輪轉向系統控制方案從性能單一的四輪轉向控制技術向復雜的多系統集成和主動容錯控制技術方向發展。未來，電動化、模塊化、精準、快速和安全可靠的先進四輪轉向系統是四輪轉向的發展趨勢，也是實現車輛操縱穩定性、轉向機動靈活性提升的有效途徑。

關鍵詞：電動汽車；四輪轉向系統；線控轉向技術；控制策略

中圖分類號：U463.4 " 文獻標志碼：A "DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20240222

Four-Wheel Steering System Technology Research Status and Application Progress

Jing Changqing1， Song Yitong2

（1. Henan College of Transportation， Zhengzhou 450000; 2. Automobile Research Institute of China Heavy Duty Automobile Group Co. Ltd， Jinan 250031）

【Abstract】 In order to enhance the vehicle’s maneuverability and steering flexibility， a literature review is conducted to analyze the structures， technical applications， and controlling schemes of four-wheel steering systems， and summarize the main research methods and application outcomes of automotive four-wheel steering technology. Currently， the developement of automotive four-wheel steering systems is characterized by electrification， intelligence and integration. The four-wheel steering system is transitioning from the classic mechanical passive structure to a more mature electric active four-wheel steering structure. The control schemes for four-wheel steering systems have evolved from single-performance four-wheel steering control technology towards more complex multi-system integration and active fault-tolerant control technology. In the future， electrification， modularity， precision， speed，and safety-reliability are trends for advanced four-wheel steering systems， which are also effective ways to enhance the vehicle maneuverability and steering flexibility.

Key words： Electric vehicle （EV）， Four-wheel steering system， Steer-by-wire technology， Control strategy

0 引言

隨著用戶對汽車性能的要求越來越高，車輛操控性能成為用戶關注的焦點，轉向系統作為整車操控性的關鍵技術也成為汽車領域的核心技術和研發熱點[1-2]。四輪轉向（Four-Wheel-Steer， 4WS）系統是主動底盤控制系統的重要組成部分，是現代車輛提高操縱穩定性和主動安全性的關鍵技術之一[3-4]。傳統的轉向技術只涉及前轉向輪，四輪轉向技術通過控制后輪的轉向角度或對4個車輪進行實時單獨轉向控制。四輪轉向技術可以顯著提高車輛的操控性能，減小車輛的轉彎半徑，同時可以讓車輛在停車掉頭時更加靈活地轉向[5-9]。現代汽車技術快速發展推動四輪轉向技術不斷進步，汽車市場和試驗室內已經出現了多種不同結構形式、不同控制方案的四輪轉向系統。其中，線控轉向取消了轉向軸和轉向器之間的機械連接，完全由電能來實現轉向，能夠實現更精準、敏捷的轉向性能，具備更高的集成度[10-12]。分布式四輪線控轉向系統相比于前輪線控轉向，能夠提供更大范圍的側向控制力，而且可以完成低速轉向、原地轉向、斜行、平移等特殊運動工況，是未來汽車動力轉向技術的發展趨勢[13-22]。本文通過對國內外相關文獻進行綜述，總結四輪轉向系統結構、先進四輪轉向系統應用及發展、四輪轉向控制策略，總結四輪轉向系統、先進控制技術的發展趨勢，并對未來汽車四輪轉向技術的發展進行展望。

1 四輪轉向系統結構

四輪轉向具有轉向靈活、易實現漂移、便于側方位停車等優點。四輪轉向系統按其結構可分為機械式四輪轉向系統、液壓助力四輪轉向系統、電動助力四輪轉向系統、線控四輪轉向系統等[23]。

1.1 機械式四輪轉向系統

機械式轉向系統主要包括3個部分：前輪轉向機構、后輪轉向機構和前后轉向系統間的傳動機構。在行駛的過程中，當車輛轉向時，傳動軸就會通過連桿和搖臂對后輪進行控制，從而完成后輪的轉向操作。此時，前輪轉向系統則依然由轉向盤來控制[24]。

1.2 液壓四輪轉向系統

液壓四輪轉向系統主要包括前輪動力轉向器、油泵、控制閥、后輪轉向動力油缸以及后輪專用油泵。其中，前輪動力轉向器采用齒輪齒條式設計，由發動機驅動轉向油泵，與傳統液壓助力轉向系統相似。后輪系統則由控制閥、后輪轉向油泵和動力油缸組成并協同工作，確保在不同駕駛條件下提供精準轉向[25]。

1.3 電動四輪轉向系統

電控電動式4WS系統主要由前輪轉向器、車速及輪速傳感器、電子控制單元（Electronic Control Unit， ECU）、步進電動機和后輪轉向器等組成。傳感器主要通過捕捉車輛的運動狀態信息（如車輛轉向盤轉角，轉向軸扭矩、車輛速度、航向角等），并將這些信息傳輸到ECU上，ECU根據這些信息控制前后輪轉向方向和角度，以實現四輪同步轉向[26]。

目前，電動四輪轉向技術多數采用主動后輪轉向，并且只采用單電機或發動機獨立驅動。由于只有后輪轉角一個控制變量，只能控制車輛的質心側偏角或橫擺角速度，使提升車輛操縱穩定性、軌跡跟蹤、轉向靈活性受限[27-28]。隨著汽車底盤技術的發展，車輛的前輪和后輪都能夠進行獨立轉向的四輪轉向控制系統更有優勢，主動四輪轉向控制技術成為研究熱點[29]。

1.4 線控四輪轉向系統

線控四輪驅動/轉向系統（Four-Wheel-Independent Steering and Four-Wheel Independent Driving，4WID-4WIS）是一種全新的電動汽車構型。與傳統汽車相比，4WID-4WIS系統取消了傳動軸、差速器和減速器，省略了機械傳動系統，由輪轂電機直接驅動車輪，簡化了底盤結構并増大了控制分配的自由度。并且，4WID-4WIS系統取消了轉向系統之間的機械連接部件，完全通過線束連接實現四輪獨立轉向，可以減小轉向系統的體積。在線控四輪驅動轉向系統中，轉向盤布置更加靈活，為車內提供更多空間，并且使轉向系統更加靈敏、響應更快，提高了駕駛舒適性。因此，線控四輪驅動轉向系統是目前企業和學術界研發和關注的焦點[30]。

線控四輪驅動轉向系統主要包含轉向盤、主控制器CPU、前后轉向執行器、各類傳感器、電源等。其中，轉向盤、主控制器、執行器模塊是線控四輪驅動轉向系統的3個主要部分，如圖1所示。

2 先進四輪轉向系統的發展和應用

2.1 先進四輪轉向系統在車輛上的應用

四輪轉向技術因成本等原因還未在各類車型普及，但是由于四輪轉向卓越的性能特點，具有較大的發展潛力。目前，越來越多的汽車品牌在高端車型上應用主動四輪轉向技術[31]。

隨著汽車電動化技術的發展，經典的后輪隨動轉向技術無法滿足用戶對于車輛轉向性能的要求，主動式的后輪轉向系統成為車企及零部件供應商的研發和關注焦點[32-33]。

主動式后輪轉向的核心是在車輛的后軸上布置一個精密的轉向電機。該電機通過絲杠螺母機構推動轉向拉桿，從而改變后輪角度。在低速行駛時，通過使后輪和前輪反向轉動，可以減小轉彎半徑提高車輛的靈活性。在高速行駛時，后輪與前輪同向轉動，可以提高變道時車身的穩定性[34-35]。

當車速超過60 km/h后，后輪會與前輪同向轉動，產生出類似于平移的變線感覺。這種駕駛反饋因人而異，因此制造商通常將主動式后輪轉向系統設計成可選裝的配置，以滿足不同駕駛者的偏好。

除了軟硬件的復雜性，主動式后輪轉向還受到車型的限制。這種技術主要應用于五連桿后懸架系統，通常在高端品牌車型上應用，該技術顯著提升了車輛的操控性能和駕駛體驗[36-37]。

采埃孚首創的后輪轉向（Active Kinematic Control， AKC）于2013年首次在保時捷911上量產（見圖2），隨后廣泛在豪華品牌車型中應用[38]。

為提高汽車的操控性能，寶馬7系配備了后輪主動轉向系統（見圖3）。當車速低于60 km/h時，主動后轉向系統能夠讓后輪向前輪相反的方向扭轉2.5°，這使得轉向更加輕便靈活，當行車速高于60 km/h時，后輪與前輪的轉向方向完全一致，配合主動懸架系統和動態防側傾，不僅能減少后排乘客晃動感，還大幅提高了高速行駛安全性。

車企研發的后輪轉向技術原理、結構以及實現方式差別不大。豪華汽車品牌中，大眾途銳、新一代奧迪Q7、凱迪拉克CT6、保時捷918和法拉利GTC4Lusso超級跑車都裝備了主動后輪轉向技術[39-40]。目前在新能源汽車領域，裝備主動后輪轉向系統的純電動汽車品牌如表1所示。

2.2 先進線控四輪驅動轉向系統的發展

摩比斯Mobion概念車采用了線控轉向技術，其e-Corner系統將輪轂電機和獨立的轉向裝置集成到每個車輪上，單個車輪都能單向旋轉90°，通過不同車輪的轉向和驅動組合使車輛能夠側向移動、進行“螃蟹模式”行駛以及原地轉向等特殊動作，見圖4[41-42]。

舍弗勒開發的線控智能轉向驅動模塊技術把驅動電機、轉向、制動器、懸架系統集成在一起，可實現輪內電機驅動/制動系統、懸架系統和獨立轉向系統的集成控制。圖5展示了舍弗勒智能轉向驅動模塊的不同視角，該模塊可以幫助車輛實現90°的轉向角度[43-44]。

輪轂驅動系統研發公司Protean Electric發布了全新的車輪解決方案“Protean 360+”轉向技術[45]。如圖6所示，Protean開發的輪轂電機驅動系統集成了懸架、驅動電機和轉向系統，該模塊可以使車輛原地轉向360°，可以側向行駛，這有效提升車輛的機動性能。 Protean Electric 360控制單元的驅動電機最大扭矩為1 250 N·m，Protean 360懸架系統可以用氣動方式對車輛進行高度調節。整個機構設計得更為緊湊，為車身節省出更多的空間，可以布置更多的動力電池。

3 四輪轉向控制策略

信息技術、集成電路、微電子領域的技術發展推動了汽車底盤控制技術的發展。汽車底盤控制包含車輪的驅動和制動控制以及前后輪的轉向角分配，實現這些功能都需要先進的電機電子控制技術。在車輛四輪轉向過程中，車輛的前輪和后輪在不同車速下的轉向方式不同，轉向角度也不同，并且在分布式車輛構型中四輪驅動系統和四輪轉向系統可以單獨控制[46]。因此，國內外學者研究四輪轉向控制策略以改善汽車性能。

3.1 基于分層結構控制的單純四輪轉向控制策略

早期四輪轉向控制以前饋控制為基礎，前饋控制通過簡單數學模型計算得到汽車前/后輪的轉向比，不能對車輛在行駛過程中的狀態參數變化進行檢測，無法適應車輛多變路況下的行駛需求，因此前饋控制的特點是抗外界干擾差，對道路工況的適應性也較差[47]。為了彌補以上前饋型四輪轉向控制策略的缺點，反饋型控制策略的研究成為研究熱點[48]。反饋型控制能實時監測車輛質心側偏角、橫擺角速度等狀態量，并將狀態信息反饋給4WS控制器進行補償計算，反饋型控制策略能夠滿足車輛在復雜行駛工況下的控制需求并能提高了車輛在行駛中的操穩性和安全性[49]。

近年來很多學者提出了改進型的反饋控制策略，經典的比例-積分-微分（Proportion Integration Differention， PID）控制理論應用在后輪轉角控制中，PID控制器對理想質心側偏角與實際質心側偏角偏差進行計算，可以獲得理想的后輪轉角[50-51]。PID控制流程如圖7所示。

由于車輛轉向工況的復雜性，傳統的PID控制只適用于線性模式，而對于車輛復雜的非線性系統無法達到良好的控制效果，模糊控制恰好彌補了這個缺點。由圖8所示，模糊控制器可以利用模糊規則對PID參數進行靈活的調整，從而構成了模糊PID控制器的核心。文獻[52]設計了模糊PID控制策略對四輪轉向系統進行控制，仿真結果表明模糊PID控制可以克服線性控制器的缺點，能夠提高汽車的操縱穩定性。

為了改善四輪轉向汽車在不同附著系數路面上的軌跡跟蹤精度，李玉治等[53]采用模型預測控制設計前輪轉向控制器，采用模糊控制設計了后輪轉向控制器。仿真結果表明所提出的4WS控制策略可提升車輛在高速轉彎的轉向穩定性，能夠提高軌跡跟蹤精度。

線性二次調節器（Linear Quadratic Regulator， LQR）可得到狀態線性反饋的最優控制規律，易于構成閉環最優控制，是現代控制理論中發展較為成熟的一部分。鄧召文等[54]建立了四輪轉向二次型最優控制器，和普通前后輪轉角的比例控制相比，LQR控制器可以提高車輛的道路軌跡跟蹤和操縱穩定性能。線性二次型調節器控制算法在四輪轉向系統控制方法比較常見，文獻[55-56]采用LQR控制策略對車輛路徑跟蹤性能進行研究。汽車四輪轉向LQR控制器的控制流程如圖9所示。

滑模變結構控制器（Sliding Mode Control， SMC）因其算法簡單、響應快速、魯棒性好，在汽車底盤控制領域得到了廣泛的應用[57]。文獻[58]考慮車輛的前后軸輪胎側偏剛度的非線性變化，設計了四輪轉向控制系統的自適應滑模控制器。文獻[59-61]采用滑模控制對車輛的前后輪轉角進行主動調節，試驗結果表明，滑模控制策略可以有效改善四輪轉向車輛機動靈活性和高速行駛轉向的操縱穩定性。

由于車輛自身的非線性、信號時延和參數不確定性，車輛控制還受到道路附著系數變化、側向風等外界因素影響。因此，傳統控制方法難以實現穩定、精確的控制。徑向基神經網絡控制（Radial Basis Function Network，RBF）是以徑向基函數作為激活函數的人工神經網絡，具有很強的非線性擬合能力，而且學習規則簡單，學習過程收斂速度快，為解決車輛模型參數的不確定性、外界的擾動以及車輛自適應控制問題提供了有效的途徑[62]。RBF神經網絡結構是一種三層神經網絡，包括輸入層、隱層、輸出層。從輸入空間到隱層空間的變換是非線性的，而從隱層空間到輸出層空間的變換是線性的，見圖10。文獻[63]建立了自適應RBF神經網絡分層控制器，通過主動控制后輪轉角，完成車輛的四輪轉向控制。論文對構建的控制策略與（前饋-反饋）控制和前輪轉向車輛進行了對比，自適應RBF神經網絡控制能顯著減小滑移角，橫擺角速度也較理想。

模型預測控制（Model Predictive Control， MPC）與傳統的PID控制不同，它通過建立系統的動態模型，結合實時反饋信息，在每一時刻上通過優化未來一段時間的控制輸入，從而實現對系統的精準控制，如圖11所示。這種方法允許系統考慮當前狀態及未來預測狀態，以選擇最優的控制策略，從而適應系統的動態變化和不確定性[64-67]。文獻[68]根據非線性模型控制理論設計了主動后輪控制策略，用于改善車輛軌跡跟蹤能力，與LQR控制對比分析結果表明，所提出控制方案具有最佳的整體路徑跟蹤性能。

為了提高車輛的操縱穩定性，文獻[69-70]都建立了集成前饋和反饋的4WS控制器，該控制方案能夠準確地跟蹤參考模型的動態特性，有效地提高輪胎的飽和裕度。文獻[71]提出了基于前饋控制和反饋控制集成的平行泊車路徑跟蹤控制策略，仿真測試表明所提出的方法可以快速、精確和穩定地控制四輪轉向汽車自動完成平行泊車任務。

3.2 多系統集成的集成結構的四輪轉向控制策略

受車輛系統特性和輪胎力飽和度的限制，當附加偏航力矩需求過大或車輛運行在非線性區域時，4WS轉向系統無法提供穩定車輛轉向所需的附件偏航力矩。這時如果車輛配置了直接橫擺力矩系統（Direct Yaw-moment Control，DYC）可以產生一個理想的額外偏航力矩從而維持了車輛在非線性區域下的穩定性[72]。文獻[73]基于行駛穩定區域的車輛控制策略評價方法分別建立了DYC和4WS兩種車輛控制策略，并通過非線性分析方法驗證了控制策略的有效性。通過行駛穩定區域的車輛控制策略評價得出結論：DYC車輛的穩定區域大于4WS車輛。

為了同時提高自動駕駛汽車的路徑跟蹤性能和操縱穩定性，Peng等[74]設計了4WS和DYC集成控制器。為了驗證所設計的集成控制器的性能，進行了硬件在環HIL測試。測試結果表明，所提出的集成控制器可以同時提高車輛的路徑跟蹤性能和操縱穩定性。同時，對于低附路面和大曲率路徑跟蹤工況具有良好的魯棒性。

為了提高四輪轉向和輪轂電機驅動電動汽車的操控性能，Wang等[75]提出了主動后輪轉向（Active Rear Steering， ARS）和直接偏航力矩控制相結合的最優協調控制方法。該研究考慮了未知輪胎模型的不確定性和路面擾動，以最小的輪胎載荷和控制輸入為目標，得到了驅動轉矩分配值和后輪轉向角度。

為了提高車輛在極端惡劣工況下的操縱穩定性，文獻[76]采用最優控制理論設計了自適應增益調度魯棒穩定控制器，對4WS系統和DYC控制系統進行了協調控制。仿真測試表明，所提出的控制策略魯棒性好，能夠改善車輛在復雜工況下的操控性。文獻[77]指出4WID-4WIS車輛更靈活，具有更好的機動性，有利于實現高精度軌跡跟蹤，同時保持更好的操縱穩定性。同時提出車輛多個子系統之間的集成協調分配也是影響4WID-4WIS車輛操穩性的重要因素。文獻[78-79]也對如何提升車輛路徑跟蹤和操縱穩定性進行了研究。針對高速工況下車輛橫向控制難點，文獻[80]提出了高速工況下車輛四輪獨立驅動系統和四輪獨立轉向系統協調控制的方案。

為了實現分布式輪轂電機驅動電動汽車操控性、橫向穩定性、防側翻性等多個控制目標的優化，文獻[81]設計了非線性模型預測控制器（Nonlinear Model Predictive Control， NMPC），充分利用分布式電動汽車四輪轉向、四輪驅動和主動懸架技術的優勢，以提高NMPC控制系統的整體性能。文獻[82]提出了多個執行器的集成控制策略，設計了四輪獨立轉向、四輪獨立制動和四輪獨立驅動的底盤綜合控制系統。為了解決前輪的橫向輪胎力很容易飽和，從而影響控制性能的問題，該研究對輪胎的滑移角進行約束。仿真結果表明，在輪胎滑移角約束下，所提出的集成底盤控制器能夠保持橫向穩定性和機動性，且性能不下降。

先進線控底盤包括線控驅動、線控轉向、線控制動和線控懸架子系統，多個子系統單獨工作會彼此干擾，因此線控底盤各個子系統的高效協調控制是提升車輛性能和安全的關鍵[83]。相比于傳統的機械系統，多系統集成技術的可靠性和安全性較差。因為4WID-4WIS車輛有多個涉及轉向、驅動和制動的控制執行器，另外線控轉向技術仍然不是一個成熟的技術，因此有必要設計有效的主動容錯控制系統來保證系統功能安全性[84-86]。

4 結束語

從四輪轉向結構方案、四輪轉向技術應用、四輪轉向控制方案等方面，詳細論述了四輪轉向技術的發展、應用以及四輪轉向系統多樣的控制方法，可以看出無論是機械式四輪轉向技術還是電動主動式四輪轉向技術在現代汽車上應用都大大提升的汽車底盤的運動操控性能，比如車速較低時四輪轉向系統給車輛提供較高的轉向靈活性和靈敏性，還明顯縮小了轉彎軌跡；車速較高時四輪轉向系統是轉向更加平穩，提高操縱穩定性，提升了駕駛體驗。特別是4WID-4WIS新型轉向模式技術可以讓車輛實現原地掉頭、螃蟹橫行、垂直入庫等。因此，四輪轉向技術的卓越性能是當前各大科研院所和企業都重點研究的關鍵技術。

結合當前四輪轉向技術發展現狀，優秀的操縱穩定性、轉向機動靈活性和路徑跟蹤性能是四輪轉向系統研究的主要目標。要達成上述控制目標的控制方法有很多，其中四輪轉向系統與其他底盤電控系統集成控制是一條可行的路徑。通過融合線控制動、線控懸架、線控驅動系統等多個執行器和控制系統來協調優化各子系統。因此，開發多系統集成、魯棒性強、環境適應性優異的控制策略將成為未來四輪轉向系統控制發展的主要方向，從而使整車行駛性能最優。

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（責任編輯 明慧）