淺談四輪轉向的工作原理及特點

宋勛勛 宋明祥

摘 要：兩輪轉向具有結構簡單、布置方便、成本低廉的特點，但在車輛轉向的過程中其動力學響應特性受自身結構參數和外界條件的影響較大，汽車的機動性和操穩性并不理想。四輪轉向汽車的前、后車輪都能參與轉向，它能有效提高汽車低速轉向的機動性和高速轉向的操縱穩定性，使汽車在轉向時后輪直接參與對汽車側偏角和側向運動的控制。

關鍵詞：四輪轉向 行駛穩定性

隨著汽車技術的發展，主動安全性日益受到人們的重視。四輪轉向是實現主動安全性的方法之一。近年來，很多汽車廠商紛紛推出了帶有四輪轉向系統的概念車，并把一些成熟的四輪轉向技術應用到了它的普及型汽車中，提高了其汽車的主動安全性。

一、汽車四輪轉向裝置的基本工作原理

兩輪轉向汽車在轉向運動的初期，只有前輪在自轉的同時又以轉向主銷為軸心相對于車身發生偏轉（公轉），而后輪只自轉而不發生偏轉（公轉），不起主動轉向作用。當前輪偏轉后，前輪先改變了前進的方向，地面就有一個側向力通過前輪作用于車身，使車身橫擺。車身在改變原來運動方向的同時產生離心力傳給前輪和后輪。傳給前輪的離心力平衡地面作用在前輪上的側向力，而傳給后輪的離心力使后輪輪胎產生側偏并改變后輪行進的方向，這時后輪才參與汽車的轉向運動。顯然，兩輪轉向的汽車在轉向時，從轉動方向盤到后輪參與轉向運動之間存在一定的滯后時間，使汽車轉向的隨動性（靈敏度）變差，并使汽車轉向直徑增大。另外，兩輪轉向汽車在高速行駛時相對于一定的方向盤轉角增量、車身的橫擺角速度和橫向加速度的增量也增大，從而使汽車在高速行駛時的操縱性和穩定性變差。

而4WS汽車的后輪與前輪一樣既可自轉也能偏轉。當駕駛員轉動方向盤后，前后輪幾乎同時轉向，使汽車改變前進方向，實現轉向運動。現代4WS汽車既能保證汽車低速行駛時轉向的機動性，也能保證高速行駛時的操縱穩定性，使車身的橫擺和側傾減小，能有效的克服2WS汽車的缺點。

4WS汽車是在前輪轉向系統的基礎上，在汽車的后懸架上安裝一套后輪轉向系統，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，從而達到提高汽車低速行駛的機動性和高速行駛的穩定性。典型的電控4WS系統主要由前輪轉向系統、傳感器、ECU、后輪轉向執行機構和后輪轉向傳動機構等組成。轉向時，傳感器將前輪轉向的信號和汽車運動的信號送入ECU進行分析計算，向后輪轉向執行機構輸出驅動信號，后輪轉向執行機構動作，通過后輪轉向傳動機構，驅動后輪偏轉。同時，ECU進行實施監控汽車運行狀況，計算目標轉向角與后輪實時轉向角之間的差值，來實時調整后輪轉角。這樣，可以根據汽車的世紀運動狀態，實現汽車的四輪轉向。

二、汽車四輪轉向系統控制技術的發展趨勢

目前，對于4WS汽車的研究和開發仍處于不斷發展和完善階段。盡管科研人員從結構到控制原理上對四輪轉向進行了大量的研究，4WS技術已取得不少進展。

在技術相對成熟的4WS汽車中，大多數采用電控液壓動力4WS系統。隨著電子技術的飛速發展，計算機技術在汽車中的廣泛應用，電控電動4WS系統將是4WS汽車的發展趨勢。雖然在4WS系統的研究和開發方面已經取得了很大的發展，但是，作為4WS系統的核心技術問題──4WS系統控制器的設計，究竟以什么作為最佳的控制目標，采用什么樣的控制方法，在該研究領域仍然沒有較為一致的看法。早期的研究是將汽車輪胎看成線性進行建模的，一般的4WS控制也就基于輪胎所受的橫向力比例于車輪側偏角的假設，這種假設只是在橫向加速度較小的范圍內有效。當在橫向加速度較大的范圍內時，輪胎的側偏特性將進入非線性區域，輪胎側偏角對輪胎所受橫向力的響應不再呈比例關系，與輪胎所受的縱向力、垂直載荷等都有關系。實際上，汽車在轉彎行駛時，輪胎基本上都工作在非線性區域。此時，再用線性控制理論來進行研究，就顯得勉為其難。隨著控制技術的不斷發展，一些先進的現代控制方法已經被應用于4WS系統的控制研究中，如最優控制、自適應控制、滑模控制、魯棒控制等，近年來，又出現了模糊控制、基于人工神經網絡理論的控制方法等。對4WS控制系統的研究逐漸從線性領域向非線性領域過渡，一些多自由度的4WS汽車動力學模型已有提出，但大多處于研究的初級階段，尚不成熟。

參考文獻

[1]邊明遠.汽車四輪轉向（4WS）技術及其發展前景[J].世界汽車，1999（6）：261-270.