四轮转向汽车的转向特性及控制技术-Read

四轮转向汽车的转向特性及控制技术东南大学机械工程系汪东明摘要：本文分析比较了四轮转向汽车的转向特点，概述了电控四轮转向汽车的结构原理，介绍了四轮转向系统的控制策略，指出了四轮转向系统控制技术所面临的困难，并展望其发展趋势。

关键词：四轮转向；转向特点；工作原理；控制；发展。

１、引言随着现代道路交通系统和现代汽车技术的发展，人们对汽车的转向操纵性能和行驶稳定性的要求日益提高。

作为改善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术——四轮转向技术，于二十世纪80年代中期开始在汽车上得到应用，并伴随着现代汽车工业的发展而不断发展。

汽车的四轮转向（Four-wheel Steering ——4WS）是指汽车在转向时，后轮可相对于车身主动转向，使汽车的四个车轮都能起转向作用。

以改善汽车的转向机动性、操纵稳定性和行驶安全性。

２、四轮转向汽车的转向特性２·１4WS汽车与2WS汽车转向过程分析普通两轮转向汽车（2WS汽车）的前轮既可绕自身的轮轴自转又可绕主销相对于车身偏转，而后轮只能自转而不偏转。

当驾驶员转动方向盘后，前轮转向，改变了行驶方向，地面对前轮胎产生一个横向力，通过前轮作用于车身，使车身横摆，产生离心力，使后轮产生侧偏，改变前进方向，参与汽车的转向运动。

而4WS汽车的后轮与前轮一样，既可自转也能偏转。

当驾驶员转动方向盘后，前、后轮几乎同时转向，使汽车改变前进方向，实现转向运动。

2WS汽车在转向时，前轮作主动转向，后轮只是作被动转向。

显然，2WS汽车在转向过程中，从方向盘转动到后轮参与转向运动之间存在一定的滞后时间。

2WS汽车的这种相位滞后特性使汽车转向的随动性变差，并使汽车的转向半径增大。

另外，2WS汽车在高速行驶时，相对于一定的方向盘转角增量、车身的横摆角速度和横向加速度的增量增大，使汽车在高速行驶时的操纵性和稳定性变差。

而4WS汽车在转向时，前、后轮都作主动转向，在转向过程中，灵敏度高，响应快，有效地克服了上述缺点。

２·２4WS汽车的转向方式根据理论分析研究和大量路试表明，四轮转向能够提高汽车转向的的机动灵活性和高速行驶时的操纵稳定性，现代4WS汽车就是根据这一指导思想研制的。

一般来说，4WS汽车在转向过程中，根据不同的行驶条件，前、后轮转向角之间应遵循一定的规律。

目前，典型4WS汽车前、后轮的偏转规律一般是这样的：（１）逆相位转向如图1（a）所示，在低速行驶或者方向盘转角较大时，前、后轮实现逆相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反，且偏转角度随方向盘转角增大而在一定范围内增大（后轮最大转向角一般为5°左右）。

这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性，减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动灵活性。

便于汽车掉头转弯、避障行驶、进出车库和停车场。

对轿车而言，若后轮逆相位转向5°，则可减少最小转向半径约0.5m。

（２）同相位转向如图1（b）所示，在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前、后轮实现同相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相同（后轮最大转角一般为1°左右）。

使汽车车身的横摆角速度大大减小，可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向，保证汽车在高速超车、进出高速公路、高架引桥及立交桥时，处于不足转向状态。

现在，有许多4WS汽车把改善汽车操纵性能的重点放在提高汽车高速行驶的操纵稳定性上，而不过分要求汽车在低速行驶的转向机动灵活性。

其工作特点是低速时汽车只采用前轮转向，只在汽车行驶速度达到一定数值后（如50Km/h），后轮才参与转向，进行同相位四轮转向。

２·３ 4WS 汽车的转向特点与普通的2WS 汽车相比，4WS 汽车具有如下特点：优越性： （１）转向操作的响应加快，准确性提高。

（２）转向操作的轻便性和行驶稳定性提高。

（３）低速时，转弯半径小，转向操作的机动灵活性提高。

（如图2所示）（４）超车时，变换车道更容易，减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。

（５）抗侧向干扰的稳定性效果好。

不足性： （１）低速转向时，汽车尾部容易碰到障碍物。

（２）实现理想控制的技术难度大。

（３）转向系统结构复杂、成本高。

（４）转向过程中，阿克曼定理难保证。

３、 四轮转向汽车的组成及工作特性３·１ 现代4WS 汽车的基本组成及工作原理 4WS 汽车是在前轮转向系统的基础上，在汽车的后悬架上安装一套后轮转向系统，两者之间通过一定的方式联系，使得汽车在前轮转向的同时，后轮也参与转向。

经过几十年的研究与开发，已经成型的4WS 汽车类型有多种，组成、结构不同，控制方式及工作原理也各异。

典型的电控4WS 系统主要由前轮转向系统、传感器（如转向角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器等）、ECU 、后轮转向执行机构和后轮转向传动机构等组成。

如图3所示，转向时，传感器将前轮转向的信号和汽车运动的信号送入ECU ，ECU 进行分析计算，将处理后的驱动信号传给后轮转向执行机构，后轮转向执行机构动作，通过后轮转向传动机构，驱动后轮偏转。

同时，ECU 进行实时监控汽车运行状况，计算目标转向角与后轮实时转向角之间的差值，来实时调整后轮的转角。

这样，可以根据汽车的实际运动状态，实现汽车的四轮转向。

一般的4WS 汽车设有两种转向模式，既可进入4WS 状态，也可保持传统的2WS 状态，驾驶员可通过驾驶室内的转向模式开关进行选择。

当4WS 汽车在行驶过程中电子控制系统出现故障时，后轮自动回到中间位置，汽车自动进入前轮转向状态，保证汽车像普通前轮转向汽车一样安全地行驶。

同时，仪表板上的“4WS ”指示灯亮，警告驾驶员，故障情况被存储在ECU 中，以便于维修时检码。

３·２ 4WS 汽车后轮转向装置的类型 随着对4WS 这一领域研究的不断进展，出现了多种不同转向要求、不同结构型式和不同控制策略的实用4WS 系统。

按控制后轮转向的方法，后轮转向装置主要可分为转角随动型和车速感应型两种。

３·２·１ 转角随动型转角随动型四轮转向装置的工作特点是后轮偏转受前轮偏转控制，作被动转向，即后轮偏转方向和转角大小受方向盘转动的方向和转角大小的控制（如图4所示）。

结构上通过一根后轮转向传动轴将前、后轮转向机构相连，一般都采用机械式传动和人力直接控制。

早期应用在军用车辆、工程车辆上的4WS 系统、装于本田Prelude 轿车上的4WS 系统就是采用全机械式的转角随动型四轮转向装置。

这种4WS 系统存在一定的系统结构和动态控制的局限性，尤其在高速急转弯时，使汽车的操纵稳定性恶化，在现代的4WS 系统中已很少采用。

３·２·２ 车速感应型 车速感应型四轮转向装置的工作特点是后轮偏转的方向和转角大小主要受车速高低的控制（如图5所示），在转向过程中，同时还受前轮转角、侧向加速度、横摆角速度等动态参数的综合控制作用。

结构上有全液压式、电控液压式、电控机械液压式和电控电动式等几种类型。

这种4WS 系统综合考虑了汽车的各种动态参数对汽车转向行驶过程中的操纵稳定性的影响，动态模拟控制效果好，是目前4WS 汽车上主要采用的四轮转向装置。

图34WS 控制系统工作原理图４、四轮转向汽车的控制4WS系统既要实现汽车转向时所需的运动，又要保证汽车转向时的行驶稳定性。

目前，在4WS汽车的研究和开发方面，主要是以改善汽车的瞬态操纵稳定性为出发点，探索由于后轮参与转向而带来的汽车响应变化，以及采用各种后轮控制策略而产生的不同效果。

汽车四轮转向的控制依赖于轮胎所受的侧向力，四轮转向能使汽车在转向时，后轮直接参与对汽车横摆运动和侧向运动的控制。

通过适时、精确地控制后轮的转向角度，不仅可缩短转向过程的瞬态响应，而且能主动地控制汽车的运动轨迹和姿态。

在转向过程中，使汽车的前进方向与其纵向中心线的方向一致，即使得汽车的方向角与姿态角重合，减小转向时车体的侧偏，提高了汽车的侧向稳定性。

４·１控制目标使汽车在转向时能够基本保持汽车重心侧偏角为零。

这样能够大幅度提高汽车对方向盘输入的动态响应特性，很大程度上改善了横摆角速度和侧向加速度的瞬态性能指标，降低车身姿态的变化。

从侧偏角为零的目标出发，按照一定的控制程序导出后轮转向函数是实现四轮转向的基础。

当然，现代的4WS汽车也有一些其它控制目标的要求。

４·２控制策略的模型基础一般情况下进行的4WS系统的研究都是基于一个简单的二自由度线性车辆模型。

这只是一种理想化的数学模型，在建模时忽略了汽车的一些动力学参数的变化，没有考虑汽车行驶过程中产生的许多随机的、不确定因素，因而不是非常精确的。

早期的4WS控制器设计都是基于跟随线性动力学方程的假设，但由于上述原因，使得所设计的控制系统不一定满足实际的需要，无法保证汽车转向时的操纵稳定性。

４·３控制方法不同的汽车对转向行驶性能的要求不同，不同车型的4WS汽车的车轮偏转规律也不一样。

因此，不同的4WS汽车所采用的控制方法不尽相同，各种控制方法分别有其侧重点。

目前，一用在一些成型的4WS 汽车上的控制方法主要有：（１）定前、后轮转向比的4WS系统。

（２）前、后轮转向比是前轮转角函数的4WS系统。

（３）前、后轮转向比是车速函数的4WS系统。

（４）具有一阶滞后的4WS系统。

（５）具有反相特性的4WS系统。

（６）具有最优控制特性的4WS系统。

（７）具有自学习、自适应能力的4WS系统。

前五种控制系统属于古典控制理论范畴，只能满足汽车在某些特定条件下的需要，还不能适应汽车运动的随机变化，随着计算机技术和一些先进控制理论的发展，4WS系统将朝着自适应、智能化的方向发展。

４·４4WS系统控制技术的发展目前，对于4WS汽车的研究和开发仍处于不断发展和完善阶段。

尽管科研人员从结构到控制原理上对四轮转向进行了大量的研究，4WS技术已取得不少进展。

但是，在运用现代控制理论进行汽车转向控制策略的确定和控制方法的选择时，主要是依靠经验，相应的理论依据还很缺乏，4WS技术没有真正步入普及应用阶段，在商用汽车上没有得到广泛应用。

在技术相对成熟的4WS汽车中，大多数采用电控液压动力4WS系统。

随着电子技术的飞速发展，计算机技术在汽车中的广泛应用，电控电动4WS系统将是4WS汽车的发展趋势。

虽然在4WS系统的研究和开发方面已经取得了很大的发展，但是，作为4WS系统的核心技术问题——4WS系统控制器的设计，究竟以什么作为最佳的控制目标？采用什么样的控制方法？在该研究领域仍然没有较为一致的看法。

前已述及，早期进行的4WS系统的研究都是基于一个简单的二自由度线性车辆模型，4WS控制器设计都是基于跟随线性动力学方程的假设，采用PID控制策略。

我们知道，4WS系统的控制主要依赖于轮胎所受的横向力。