四輪轉向技術的原理及應用前景淺析

蘇夢飛

摘 要 隨著我國汽車保有量越來越多，而市區道路擴建滯后，使得車輛在狹窄道路上轉彎掉頭十分困難，給人們帶來的出行帶來很大的不便。而且在濕滑路面上，地面附著系數的降低會使車輛失控從而引發交通事故。而四輪轉向技術的發展可以很好地解決上述問題，所以研究四輪轉向技術顯得尤為重要。本文主要介紹了四輪轉向技術的發展現狀、系統類型、工作原理以及所面臨的問題和發展前景。

關鍵詞 四輪驅動 汽車運用 控制系統 操縱穩定性

一、引言

四輪轉向是指汽車在轉向的過程中，4個車輪可依據前輪或行車速度等信號同時相對車身發生偏轉。四輪轉向的目的在于當車輛低速行駛時依靠逆向轉向（前輪與后輪的轉角方向相反）改善汽車的操作性，獲得相對較小的轉向半徑。在中高速行駛時依靠同向轉向（前輪與后輪的轉角方向相同），從而提高汽車的操縱穩定性。最近幾年各國的汽車公司對四輪轉向技術有了更深的發展，從最初的以減小轉彎半徑為目的到現在以高速穩定性為目的，四輪轉向技術受到人們越來越多的關注。

二、四輪轉向系統類型及原理

汽車在轉向時有兩種運動，即重心的平移和繞重心的轉動，這兩種運動的結合使汽車完成轉向的過程。對于2WS系統來說，當汽車具有確定的車速和一定的方向盤轉角時，前輪轉向（FWS）汽車的行駛方向是單一的。且后輪轉向是由依靠離心力的側偏作用，故后輪方向的改變具有一定的遲滯性，從而導致汽車轉向的靈敏度變差、汽車轉向半徑增大等現象出現。對于4WS系統，其行駛狀態則因后輪與前輪之間的角度差異而變得更加靈活，產生不同的行駛狀態，從而達到汽車機動性、操縱穩定性等使用性能需求。

（一）機械式

機械式系統，轉向器分別安裝在前后輪上，兩轉向器之間通過一機械裝置相連接。轉動汽車方向盤時，齒輪—齒條式轉向器的齒條帶動前輪轉向器中的小齒輪，齒條的左右運動變換成為小齒輪的轉動，經中間傳動裝置使后輪轉向齒輪產生相應動作。當轉向盤轉動角度小時，后輪與前輪同向偏轉；當轉向盤轉動量大時，后輪與前輪反向偏轉。

（二）液壓式

液壓式4WS系統由儲油罐、油泵、控制閥等組成。當轉動轉向盤時，前輪油泵把油液送入到前輪齒輪齒條機構的旋轉閥中，導入前轉向動力缸中，此時前輪動力缸及控制閥側壓力腔壓力升高，推動柱塞移動，同時后輪轉向油泵輸出油液經過控制閥的特定通道進入后轉向動力缸，使其中的柱塞產生位移，通過活塞桿對后輪懸架的中間球鉸接頭產生作用力，從而使后輪產生偏轉。其中，轉向盤轉速越高、操縱力越大、轉角越大，油液壓力就越高，柱塞的移動量也越大。

（三）電控式

電控式4WS系統主要由ECU、轉向角度傳感器、車速傳感器、和執行機構成，其主要依靠安裝在后懸架上的轉向機構，達到駕駛員在操縱轉向盤時能夠轉動汽車的前后四個車輪的目的。

4WS系統的轉向角度傳感器安裝在轉向機內，其作用就是向ECU傳送轉向角度和方向的電壓信號。控制系統ECU根據車速傳感器和轉向角度信號的輸入信息進行運算，同時通過比較兩個處理器的計算結果給予相應的反饋，若確定轉向指令在正確執行，那么ECU將啟動后軸轉向驅動電機，來控制后輪的轉向方向和角度大小。執行機構多為電機驅動型式，電動機接收ECU的信號后，控制操作桿移動，從而可以放大前輪的轉向方向和角度，驅動后輪偏轉。

三、四輪轉向技術在應用方面面臨的挑戰

雖然主動四輪轉向既可以提升操控性，又可以提升安全性，但是目前僅有幾款高端車型在應用這種技術，其主要原因來自三個方面：成本、空間和可靠性。對于較低端的車型，通常更注重性價比，對于這種客戶感受不那么明顯的配置通常不會采納。還有對于小型車，在原本后排空間就很緊張的情況下，在后橋上增加一套轉向系統顯然不夠現實。其次就是可靠性，由于不是純機械式控制，所以需要大量的電子元件，可靠性會降低。

四、四輪轉向技術應用的前景分析

關于四輪轉向技術的應用，有學者提出四輪獨立轉向-獨立驅動電動車（4WIS-4WIDEV）的智能車構型，即利用4個驅動制動和轉向均獨立可控的車輪，實現主動后輪轉向和直接橫擺的一種避障智能車輛。同時四輪轉向技術還可應用于牽引汽車中，目前機場牽引汽車已普遍采用這種技術，但是仍存在甩尾和轉向過度的問題，通過車載PLCA11中編程與四輪轉向技術的結合，可更好控制車輛行駛。另外，此項技術還有望在丘陵山地車、混凝土攪拌車等方面得到廣泛應用。

從20世紀80年代末期到今天，日本制造商一直有采用四輪轉向的傳統。但電子穩定控制系統和橫向偏百控制系統的發展限制了四輪轉向技術的廣泛應用，這兩種裝置都能夠像四輪轉向系統一樣糾正轉向不足或轉向過度，而不會導致成本和重量增加。當需要轉彎時，后輪首先逆向轉向，從而立刻導入后胎的滑動響應，這種響應有助于轉彎的角度的調整。由于電腦監控著整個過程，轉向過度量將一直得到抑制。所以現在除了一些大型卡車和賽車使用外，乘用車幾乎都沒有用，四輪轉向技術極大地提升了大型車輛的操縱性、穩定性、安全性及舒適性，是一項與防抱死制動系統ABS、牽引力控制系統TCS相媲美的具有劃時代意義的汽車技術革命，改變了大型車輛的未來，并可能成為大部分車輛最受歡迎的選裝件之一。

（作者單位為長安大學汽車學院）

參考文獻

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