4WS转向时轮转角及轮速分析
四轮转向技术
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液压式
电动式
机械转接
电控液压
电子控制
车速感应型
当车速小于某一数值时（一般为40km/h左右），前 后轮转向逆相位转向；而当车速高于该数值时，前后 轮同相位转向。车速感应型转向时后轮偏转的方向和 转角的大小要受车速高低控制并且随车速的高低而变 化。
转角感应型
这种4WS控制方式通过传感器判断车轮的偏转 角度，经过控制器分析后指令后轮随着前轮的左 右转动而进行同向偏转或反向偏转。
零相位转向模式
逆向位转向模式 同相位转向模式
零相位模式实际上就是普通的前轮转向 形式 控制器不需要指令后轮动作，只需保持 后轮的偏转角为零即可
零相位转向模式
逆向位转向模式 同相位转向模式
逆相位是指后轮的偏转方向与前轮 的偏转方向相反，大幅地减小转弯半 径。
零相位转向模式
(1) 比例控制：前馈控制（前后轮转向角与车速依存式）和反馈
控制（将车辆的运行状态反馈到控制系统，自动调节后轮转向 角）
策 略
(2) 动态补偿控制：前馈控制（转向角动态补偿）和反馈控制（转向力 矩动态补偿） (3) 主动控制：要求横摆速率中、高速时提高稳定性和转向响应性，低 速时提高小转弯大转向角转向操纵性
美国德尔福公司开发的 Quadrasteer 四轮转向系统
2000
GMC 2002
日产公司在其Skyline与 INFINITI G系上应用的四轮主 动转向系统（4WAS）
2000
雷诺公司将在其Laguna Coupe 上采用的“Active Drive”4WS技术
宝马第五代新7 Series 的 4WS 系统
第9讲四轮转向系统技术(9)
2WS车：后轮不转向，转
向中心大致在后轴的延长 线上； 4WS车：转向时对后轮进 行逆向转向操纵，转向中
心就比2WS车的超前并在
靠近车体中心处。 低速转向时对比：若前轮 转向角相同，则4WS车的 转向半径更小，内轮差也
低速转向时的行驶轨迹
减小，所以转向性好。
• 2WS车高速转向时前轮产生 侧偏角α，且产生旋转向心 力使车体开始自转。后轮也 出现侧偏角β，也产生旋转 向心力。四个车轮分担自转 和公转的力，一边平衡一边 转向。 • 车速越高，离心力就越大， 所以必须给前轮更大的侧偏 角，使它产生更大的旋转向 心力。为了使后轮也产生与 此相对应的侧偏角，车体就 会产生更大的自转运动。 • 车速越高，车体的自转运动 就越快，直至引起车辆的激 转或侧滑。 2WS高速转向时车辆的运动状态
Hale Waihona Puke 2．高速时同相位转向 1）2WS转向
2）2WS、4WS高速转向比 较
理想的高速转向的运动状态是 尽可能使车身的倾向和前进方 向一致，以防多余的自转运动。 在4WS的车上通过对后轮的同 相转向操纵，使后轮侧偏角和 前轮相同，使它与前轮的旋转 向心力相平衡，从而抑制自转 运动。 这样就有可能得到车身方向与 车辆前进方向相一致的稳定转 向状态，如左图所示。
2.4 悬架新技术
传统悬架系统使用的是定刚度弹簧 和定阻尼系数减震器，只能适应特 定的道路和行驶条件，无法满足变 化莫测的路面情况，只能被动地接 受地面对车身的各种作用力，不能 主动去进行调节。故又称为被动悬 架系统。 悬架的弹簧刚度和减振器阻尼系数 是构成悬架的特性。 电子控制悬架：根据汽车载质量、 车速和路面情况的变化改变悬架特 性，提高汽车的行驶平顺性和操纵 稳定性。
1 电控空气悬架的结构
四轮转向技术 4ws
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Content
1
四轮转向的作用
四轮转向的主要目的是提高汽 车在高速行驶或在侧向风力作 用时操纵稳定性 在汽车高速行驶时还易于由一 个车道向另外一个车道调整 改善在低速下的操纵轻便性， 亦即减少在停车场调车时的转 弯半径
（1）4WS车在高速行驶时的稳定性分析
4WS车高速行驶时，当受到侧向风或侧向路面干扰力时，车 身姿态变化小，便于修正方向盘
在高速行驶时，后轮与前轮同相位转向，且转角较小
从转向盘到后轮转向的时间很短，转弯时车身姿态变化小，即目
标行驶路线的跟踪行好
车身方向与实际行进方向没有很大的差别，在高速行驶时具
有稳定感
（2）4WS车在改变行车路线时的性能
后轮和前轮同一方向转动，在后轮也同样产生 侧向力，于是车身的侧偏角小，甚至可以为零 汽车可以平顺的换到行驶，从而提高了汽车的 操纵稳定性
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全驱4WS汽车的转向特性分析
逆相 位转角转 向时，兄 ＜ ，所 以有 ： ：
４ｓ ２ ＝一（ ２ｓ Ｗ）＝一［ ０ｏ）ｓ 一（ Ｏ） ｉ ］＝一［／ｉ Ｗ —Ｒ ＲＷ 一 Ｓ （ ｆ／ｉ８ ｎ ｆ ０ Ａ ｆ／ｓ ８ ｎｆ Ｌｓ ８ ｎ ｆ一（ ｆ／ｉ ８］＝ Ｏ ｏ） ｓ ｆ ｎ
一
［ ＯＯ ） ｓ ］＝一（ ４ｓ ｔｎ 一 ）ｓ ，＝ Ｒｗ ＣＳ ｆ・ａ ／ｓｎ８ （ ， ／ｉ ８ ｎｆ Ｏ ０ｗ）・ａ （ ，／ｉ ６ ｎ ４ｓ・ Ｏ ｔｎ８ ｉ ｆ＝Ｒｗ （ａ ， ８ ４ｓ・ ｔｎ８ ／
经整理 ，有 ：
ｔｎ８）． ａ ｆ
４ｓ＝Ｒｗ／ １一（ａ ，ｔｎ８） ． Ｗ ２ｓ［ ｔｎ８／ａ ］ ｆ
中，汽 车后轮 与前 轮 同相 位 转 角 时 的转 向几
何关系 如图 ２所示 ．
由于 同相 位转角转 向时 ，Ｒｗ ＞ ２Ｓ ＲＷ ，以
后轮转角 为正值 ，同理 ，式 （ ）成立． ， １ 当 ， ０时 ，Ｒ ｗ ＝Ｒ ｗ ；当 ６ ＝ 时 ， ＝ ｓ ２ｓ ，
４ ； Ｒ ｗ／ （ ＝ ２ｓ０ 即 ４ｓ ＋ ． ｗ— ∞）
１ ４ ＷＳ的转 向运 动特性
１１ 后轮与前逆相位转 向的特性 ．
４ ＷＳ车辆及 ４ ＷＳ车辆 低速状 态的两 轮基本模 型 中，汽车后轮 与前 轮逆相位转 角时 的转 向几何关 系
如图 １ 所示 ． ２ ＷＳ状态时 ，车辆转向圆半 径 ｗ 为 ： ２ｓ＝Ｏ Ｗｏ ｓ ＲＷ ：ｓ ｆ＝ ｏｏ／ ｉ ８ ｆ ，ｓ ． ｎｆ
［ 中图分类号］Ｕ４ １６ ６ ．
［ 文献标志码】Ａ
Ｏ 引言
四轮转向技术
现代汽车新技术——四轮转向技术（4WS）四轮转向技术(4WS)一、概述1、什么是4WS4 Wheel Steering 即除传统的前两轮转向外,后两轮也是转向轮。
提高高速行驶或侧向风作用下的操纵稳定性，改善低速行驶的操纵轻便性，减小转弯半径1980年代中期开始在轿车上应用2、四轮转向的几何运动关系2WS:后轮不转向，转向中心在后轴的延长线上4WS:后轮逆相转向，转中心比2WS车更靠近车辆，亦即转弯半径小四轮转向技术(4WS)u对于4WS 车，主要控制后轮的转向角u当后轮转向与前轮转向相同时称同相位转向u 当后轮转向与前轮转向相反时称逆相位转向3、后轮的两种转向方式四轮转向技术(4WS)u4、四轮转向的作用u四轮转向的主要目的是提高汽车在高速行驶或在侧向风力作用时的操纵稳定性u在汽车高速行驶时还易于由一个车道向另一个车道调整u改善在低速下的操纵轻便性，以及减小在停车场调车时的转弯半径u（1）4WS在高速行驶时的稳定性分析u4WS车高速行驶时，当受到侧向风或侧向路面干扰力时，车身姿态变化小，便于修正方向盘u在高速行驶时，后轮与前轮同相位转向，且转角较小u从转向盘到后轮转向的时间很短，转弯时车身姿态变化小，即目标行驶路线的跟踪性好u车身方向与实际行进方向没有很大差别，在高速行驶时具有稳定感u（2）4WS车在改变行车路线时的性能u后轮和前轮同一方向转动，在后轮也同样产生侧向力，于是车身的侧偏角小，甚至可以为零u汽车可以平顺地换道行使，从而提高了汽车的操纵稳定性u平动：纵向(surge)、横向(sway)、上下(heave)u转动：横摆(yaw)、侧倾(roll)、俯仰/点头(pitch)u在2WS车中，只有前轮转向，转角α，产生离心力，路面的侧向力（侧偏力）产生围绕重心的力矩u前轮转向初期，后轮直线行驶，无离心力，路面无侧向力u前轮路面的侧向力产生的围绕重心的力矩，使得车身围绕重心横向摆动（车身蛇形运动），操纵稳定性下降u理想的高速行驶转向，应该使车身方向与行进方向尽量一致，以抑制横向摆动u在4WS车中，前后轮同相转向，前后轮的同时产生离心力，路面的侧向力围绕重心的力矩互相平衡，抑制了横向摆动，保证了操纵稳定性四轮转向技术(4WS)（3）低速下的小转弯半径行驶当汽车在狭窄的停车场地转弯时，停车是否容易主要取决于转弯半径大小，4WS比2WS车转弯半径要小得多。
四轮转向汽车运动稳定性分析
文章编号: 1004- 132 (2003) 14- 1246- 03
四轮转向汽车运动稳定性分析
赵又群 王立公 何小明 郭孔辉
摘要: 研究了四轮转向汽车的运动稳定性, 从系统与控制理论角度定量地 揭示了四轮转向汽车运动稳定性的内在规律性, 与前轮转向汽车进行了比较。 数值结果得出一些有益结论, 即四轮转向汽车也应具有适度的不足转向特性 才能保证稳定性比较好, 而且后轮转角的控制对汽车的运动稳定性是至关重 要的。 后轮转角的变化范围可以利用驾驶员—四轮转向汽车闭环系统的运动 稳定性分析方法初步确定。 关键词: 闭环系统; 运动稳定性; 四轮转向; 汽车操纵性 中图分类号: O 322; U 461 文献标识码: A
3 汽车运动稳定性分析
以某型轿车参数为例, 进行数字仿真计算。该 车参数为 m = 181812 kg, I z = 3885 kgm 2, a = 11463 m , b = 11585 m , k 1 = - 62618 N rad, k 2 = - 110185 N rad, i = 20。熟练驾驶员参数为 T d = 012 s, T h = 011 s, T = 1105 s, Α= 018。
得与传统的前轮转向汽车相似的操纵稳定性感觉。
因 此, 当熟练驾驶员模型建立之后, 可以从闭环系
统的运动稳定性和稳定性裕度两个方面, 去评价四
轮转向汽车的运动稳定性, 并进行优化设计。
图 4 和图 5 为原车后轮总侧偏刚度降至 -
·1247·
中国机械工程第 14 卷第 14 期 2003 年 7 月下半月
经反应滞后时间, T h 为操纵反应滞后时间, T 为预
4-2认识四轮转向系统
二.四轮转向系统的类型
1.按照后轮转向机构控制和驱动方式的不同 电控四轮转向可分为电控机械式、电控液压式和电动式 三种。目前应用最广泛的四轮转向系统是电控电动式。 2.按转向方式的不同 可以分为同相位转向和逆向位转向。 3.按前、后轮的偏转角和车速之间的关系不同 分为转角传感型和车速传感型。
a)同相位转向
新课讲授
一.四轮转向系统
四轮转向系统（Four-wheelSteering 、4WS）是指汽车转向时，4个车轮都可以相对 车身主动偏转，使之起到转向作用，以改善汽车的转向机动性、操纵稳定性和行驶 安全性。主要应用在一些比较高级和新型轿车上。
一.四轮转向系统
1.汽车转向特性 （1）低速时的转向特性。
一.四轮转向系统
1.汽车转向特性 （2）高速时的转向特性。
一.四轮转向系统
2.四轮转向系统的优点 （1）直线行驶稳定性好。 （2）转向能力强。 （3）转向响应快。 （4）低速操纵轻便性，机动性好。低速行驶时，后
轮转弯方向与前轮相反，车辆转弯半径大大减小， 更易操纵。 （5）变换车道稳定性好。汽车高速行驶变换车道的 稳定性提高。
b）逆向位转向
图 4-2-3 同相位转向和逆向位转向示意图
三.四轮转向系统的组成
四轮转向系统前轮采用传统转向系统，后轮采 用直接助力式电动转向系统。其结构主要由 前轮转向系统、ECU、传感器、后轮转向执行 机构等组成。
五.电控四轮转向系统的工作原理
以车速感应型四轮转向系统为例，其工作特点是后轮偏转的方向和转角大小主要受车速的控制，同时也 响应前轮转角、横摆角速度的变化。转向时，传感器采集的前轮转角、车速、横摆角速度等信号送入 ECU，ECU将实时监控汽车运动状态，根据参数和控制策略分析计算后轮转角，并向步进电动机输出驱 动信号，通过后轮转向机构驱动后轮偏转以适应前轮转向，实现四轮转向。
汽车四轮转向技术概况
汽车四轮转向技术概况从二十世纪初（1907年），日本政府颁发第一个关于四轮转向的专利证书开始，对于汽车四轮转向的研究一直伴随着汽车工业的发展而进行着。
二战期间，美国的一些军用车辆和工程车辆上采用一种前、后轮逆相位偏转的简单机械式4WS系统，以适应恶劣的路况，改善汽车低速转向时的机动性能。
1962年，在日本汽车工程协会的技术会议上，提出了后轮主动的4WS技术，开始了现代4WS转向系统的研究。
在70年代末，本田（Honda）和马自达（Mazda 积极投入4WS的开发。
1985年，日本的尼桑（Nissan）在客车上应用了世界上第一例实用的4WS系统，应用在一种车型上的高性能主动控制悬架（High Capacity Activety-Controlled Suspension――HICAS）上。
随着对4WS这一领域研究的不断进展，出现了多种不同结构型式、不同控制策略的实用4WS系统。
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汽车的后轮偏转规律是：（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。
（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。
四轮驱动结合四轮转向的电子差速计算式推导
四轮驱动结合四轮转向的电子差速计算式推导电子差速系统(EDS,ElectronicDifferentialSystem)是采用电子控制方式来实现内外侧驱动轮差速要求。
而其实施首先需要一套正确易算的差速计算公式。
通过对四轮驱动4WD与四轮转向4WS相结合的运行机理分析，在此提出仅利用中学的三角函数结合比例法数学工具来推导出其4WD-4WS的逆、同相控制模式的差速计算公式。
如图2所示为4WD-4WS逆相控制的差速计算原理图。
如图3所示为4WD-4WS同相控制差速计算原理图，图中L为汽车轴距，B为汽车轮距，α、β、α、β分别为前外侧、前内侧、后外侧、后内侧转向轮的偏转角，n为前驱动轮兼外侧转向轮转速，n为前驱动轮兼内侧转向轮转速，n为后驱动轮兼外侧转向轮转速，n为后驱动轮兼内侧转向轮转速。
另外，为分析推导需要特引进2个临时借用参量l与r，其含义参见图中所标注的尺寸位置，即l为转弯圆心o到前车轮轴心的车身纵向距离，r为转弯圆心o到内侧车轮中心的车身横向距离。
为保证汽车转弯时各车轮只滚动无滑动，要求四个车轮均绕同一个圆心o转动，即每个车轮的轴线交于同一点，因此各车轮转弯的圆弧轨迹分别为如图中所示的虚线，各车轮转弯的圆弧半径分别为R、R、R、R。
根据车轮转速应与其转弯的圆弧半径成正比关系，即有n/n=R/R、n/n=R/R、n/n=R/R。
若设n为参考标定转速，它与加速踏板指令汽车的车速n一致，也是四只车轮中最高的转速，分析图示几何关系即可获得其它三只车轮转速相对标定转速n的计算式，且经推导后发现逆相控制模式与同相控制模式的差速计算公式完全相同，即其他三只车轮转速n、n、n相对标定转速n的差速计算公式分别为：从推导过程中还可发现同、逆相控制模式中的两个重要特征：(1)参考图2所示，在四轮转向逆相控制模式中当前后轮转向角相等（α=α，β=β）时，其转弯半径为最小。
并且它与常规的前二轮转向系统2WS相比，在转向轮转向角相同的前提下，其转弯半径可减小一半。
四轮转向技术介绍
转弯特性（车身滑移角）随车速变化，不 稳定的因素
4WS车可以使以上特性大幅改善：低速时前后轮转角 逆相，在高速时同相，根据车速变化调整后轮转角， 保持车身姿态的稳定，也就是说4WA车可以自由的控 制车身滑移角，稳定性好
用低速逆相和高速同相方向以最佳角度来转动后轮，可以使车 辆的行进方向与车辆朝向保持一致
■四轮转向的模式
零相位转向模式
・控制器输出的指令为：后轮偏转角为零，此时和2WS转向状态一致
4WS
逆相位转向模式
・逆相位是指后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反，大幅地减小转弯半径
同相位转向模式
・后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相同，车尾与车头同向运动，可以使车身在紧急转向 及躲避障碍时保持极高的稳定性
4WS 四轮转向技术介绍
■什么是四轮转向
4WS
・四轮转向（4WS）是指当驾驶员操作方向盘时，不仅前轮产生转向动作，后轮也可主动 参与转向。
・ 4WS 汽车通常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， 并采用适当的控制策略，使得汽车在前轮转向的同时，后轮也参与转向，达到提高汽车机 动性和操稳性的目的。
■应用实例
BMW 7系 /整体主动转向系统
4WS
NISSAN GT-R/HICAS 4WS
ACURA RLX、HONDA PRELUDE、RENAULT LAGUNA……
以上
ACURA PAWS 四轮精准转向
・后悬架左右配置电控执行器，与动力总成系 统、EPS、VSA的行驶信息进行协调控制 ・可随意独立控制后轮束角（后轮左右轮转向 角）的变化
・制动时后轮正前束控制,提高制动稳定性 ・转向时反相控制，减少转向操作 ・弯道加速，降低不足转向倾向，提高循迹性 ・高速变线时同相控制，提高转向应答性
我的四轮转向综述
车辆系统动力学
内容简介：
1、4WS概念，发展历程，优缺点，应用情况； 2、4WS转向特性，转型类型，常用控制方式 及机械实现； 3、4WS的线性二自由度建模（重点）； 4、4WS的控制策略； 5、4WS的国内外研究现状、目前存在的问题 及发展趋势。
第一节
4WS概念 优缺点
第二节
4WS转向特性 常用控制方式
转向类型 机械实现
4WS 汽车通常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，并采用适当的控制策略，使得汽车 在前轮转向的同时，后轮也参与转向，达到提高汽车机动性和操 稳性的目的。
2.1 基本组成：
液压式4WS 系统
2.2工作原理
典型液压式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。
2014讴歌RLX
AWS(全轮精准转向技 术)： PAWS(全轮精准转向技术) 英文全称为“Precision All Wheel Steer”，该系统在 左右后悬挂中配置电控执 行器，与动力总成系统、 EPS、VSA等的行驶信息 进行协调控制。全轮转向 主要是指后轮转向， PAWS(全轮精准转向技术) 最大的突破是可随意独立 控制后轮束角(后轮左右轮 转向角)的变化。
缺点：
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。
1.4 4WS系统的应用
94款本田Prelude
97款三菱3000GT
最新配备4ws的汽车
新一代保时捷911turbo（配四轮转向系统）最新效果图 将会在2014月的底特律车展上首发亮相
WS转向时轮转角及轮速分析
1 4WS各车轮速度模型的建立1.1 各车轮速度的运动学几何模型4WS车辆的四轮基本模型中，汽车后轮与前轮转角时的转向几何关系如图1所示。
图1 4WS车辆转向的四轮模型Fig.1 4WS vehicle four wheel model of steering1.2 各车轮速度的运动学数学模型据4WS车辆运动模型图1所示，汽车后轮与前轮几何转角应满足以下关系：bLBfinfout+=-δδcotcotbBrinrout=-δδcotcot以上算式关系中，前后轮同转角时为正，前后轮逆转角时为负。
其中：finAaδtan⨯=LbLbLAAbrinfinfinrinfinrin-⨯=-⨯=-⨯=⨯=δδδδδδtantantantantantan)cot/(cot1finrinLbδδ+=finbLAδcot)(⨯+=)cot(cot)(finfoutbLBδδ-⨯+=四轮转向时，瞬时回转中心到车辆中轴线的垂直半径为：)cot (cot 22fout fin b L B A R δδ+⨯+=+=车体前轴中心绕O 点的转向圆半径f R 应为：()()2222)cot (cot 22⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯++-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛++-+=fout fin f b L C b L B A C b L R δδ绕O 点的车体质心角速度ω应为：4321R V R V R V R V R V rinrout fout fin =====ω由图1中的几何关系可以求得:()()2222)cot (cot 22⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯++-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛++-+=fout fin b L C b L B A C b L R δδ K aR fin-=δsin 1K a R fout+=δsin 2 （1）K b R rout+=δsin 3K bR rin-=δsin 4设汽车在做如图1中所示的等速直线行驶的时间段内，速度为V 。
当汽车进入等速圆周行驶状态后，设定汽车质心点线速度的瞬变阶跃与之相等，图1中的O 点即为绝对速度为零的瞬时回转中心。
四轮转向
简析汽车四轮转向系统摘要：本文介绍了汽车四轮转向系统（4WS ）的分类，主要构造，工作原理，分析了它的工作特性并阐述了其转向角比例控制原理，还对四轮转向与前轮转向（2WS ）进行了对比，分析了它的优点，并对它的未来发展做出了展望。
1 概述目前的轿车转向分为前轮转向（2WS ）和四轮转向（4WS ），前者普遍使用，而后者则是一种新技术，主要应用于中高级车上。
所谓四轮转向，是指后轮和前轮相似，也具有一定的转向功能，不仅可以与前轮同向旋转，也可以与前轮反向旋转。
其主要目的是增强汽车在高速行驶或侧向风力作用下的操纵稳定性，改善低速行驶时的操纵轻便性，便于汽车高速行驶时急转弯和由一个车道向另一个车道移动调整，减少调头时的转弯半径，以及在极狭窄的位置“平移”进入车位停泊。
四轮转向系统，对于底盘较长，且经常需要在窄小地方行驶时的汽车有着明显的作用。
按照前后轮的偏转角和车速之间的关系，4WS 可分为转角传感型和车速传感型；按照控制和驱动后轮转向机构的方式，可分为机械式、液压式、电控机械式、电控液压式和电控电动式等。
2 四轮转向的基本原理2.1低速时的转向特征2.1.1理论准备缩小最小转弯半径当前轮与后轮逆向转向时，前轴距中心的轴线与后轴距中心的轴线交点为转向中心P 。
图1 4WS 的转向中心P 点的坐标（0x ，0y ）的计算公式为rf lx δδtan tan 0+=（2.1）rf ll l y δδδtan tan tan 0+⋅⋅= （2.2）如果前外轮的转弯半径为R ，前后外侧车轮之间的转弯半径差值为R ∆，则BP R =222020)tan tan tan ()tan tan 2()()2(rf f r f f f l lb y l x b δδδδδ+⋅+++⋅-++= （2.3）CP AP R -=∆20202020)2()()2(y x b y l x b r f ++--++-=（2.4） 22)tan tan tan ()tan tan 2(r f f r f fl l b δδδδδ+⋅+++-=22)tan tan tan ()tan tan 2(rf f r f r l l b δδδδδ+⋅+++--式中f δ——前轮的偏转角（左、右两前轮偏转角的平均值）； r δ——后轮的偏转角（左、右两前轮偏转角的平均值）； f b ——前轮距； r b ——后轮距； l ——轴距。
现代汽车安全技术-2章4.5主动安全(四轮转向控制技术、卫星导航与车距控制系统)
(a)
(b)
(c)
1—转向摇臂 2—转向直拉杆 3—转向节臂 4—梯形 臂 5—转向横拉杆
2021/2/24
授人以鱼不如授人以渔
6
两轮转向的存在问题
朱明工作室
汽车两轮转向技术虽经历了近两百年的发展，存 在主要问题：
(1) 两轮转向汽车在转弯时，现有各类转向机构均不能保 证全部车轮绕瞬时中心转动，从而在技术上难以完全消除车 辆行驶中的车轮侧滑。
2021/2/24
授人以鱼不如授人以渔
22
转向角比例控制
朱明工作室
2021/2/24
授人以鱼不如授人以渔
23
三、横摆角速度比例控制
1．系统组成
朱明工作室
⑴前轮转向操纵机构
⑵后轮转向操纵机构
2021/2/24
授人以鱼不如授人以渔
24
三、横摆角速度比例控制
2．控制状态 ⑴大动四轮转向系统的基本特征在于：前后转向轮偏转的驱动 动力是分开的，前后转向轮偏转方向和偏转角度之间不是靠机械 传动链形成固定的联系，而是靠电子控制系统进行协调控制实现 预设关系，因此后轮转向控制灵活、方便，能够获得更加精确和 复杂的转向特性。
图9 分散驱动四轮转向系统结构框图
2021/2/24
(2) 独立悬架汽车中的转向梯形断开点难以确定，这将导 致了横拉杆与悬架导向机构之间运动不协调，使汽车在行驶 中易发生摆振，从而加剧轮胎磨损，转向性能随车速、转向 角、路面状态的变化而变化，车速越高，操纵稳定性越差。
(3) 在采用两轮转向方式时转弯半径较大，汽车的机动灵 活性不高。
随着电子技术的不断发展及在汽车中的应用，可以从多方面 改善转向系统的各种性能，但这种改善往往是局部的和微小 的。基于两轮转向方式的汽车转向技术发展至今，应该说已 经到了一个顶峰，就目前的技术和经济性而言，两轮转向在 性能上难以再有突破性进展。
四轮转向系统二自由度模型的建立与仿真分析
时代汽车
四轮转向系统二自由度模型的建立与仿真分析
于霞 孟宪皆 山东理工大学交通与车辆工程学院 山东省淄博市 255000
摘 要：四轮转向（4WS），是指在汽车转向时四个车轮同时发生偏转四轮转向系统在低速时，可以减小汽车的最小 转弯半径，提高汽车的灵活性与机动性；高速时，具有较快的响应速度，通过合理控制后轮的偏转角，又 能提高汽车的操稳性和行车安全性 [1]。本文通过对四轮转向系统进行模型简化，模拟影响汽车转向的关键因 素，通过仿真分析汽车高速和低速行驶下，四轮转向系统的优势。
，输入变量
U
=
δ1
δ
2
=X AX + BU
(5)
=Y CX + DU
很小，故有 β ≈ tan β = uv 。将上述关系及式（3） 和式（2）代入式（1），得到= 四轮转向系统 其中，A
的二自由度模型的运动微分方程如式（4）
= (k1m+uk 2) (ak1m−ubk 2) − u , B (ak1 − bk 2) (a2k1 + b2k 2)
(a2k1 + b2k 2)
,
BA
uIz
0 0 0 0 =C
= −(−a(akkmkIkz111mu1+−Iuzbk−kb2)I2kkmz)22 ((aak21mk−1uub+Ikzb22)k−2)u , B
= 10 10 , D
0 0
0 0
图 4 低速和高速下质心侧偏角响应曲线
−
k1 m
关键词：汽车；转向系统；四轮转向；建模与仿真
四 轮 转 向（4WS）， 是 指 在 汽 车 转 向 时四个车轮同时发生偏转四轮转向系统在 低速时，可以减小汽车的最小转弯半径， 提高汽车的灵活性与机动性；高速时，具 有较快的响应速度，通过合理控制后轮的 偏转角，又能提高汽车的操稳性和行车安 全性 [1]。
3 四轮转向控制系统(4WS)
3）当车速等于35km/h时，如图c所示。扇形控制 齿板处于中间位置，摇臂处于与大锥齿轮轴线 垂直的位置。不管转向盘向左还是向右转动， 液压控制阀输入杆均不产生轴向位移，后轮保 持与汽车纵向轴线平行的直线行驶状态。
转向盘转角感应式
• 小结：电子控制液压式四轮转向系主要由转向盘、 转向油泵、前动力转向器、后轮转向传动轴、车 速传感器、电子控制单元、后轮转向系统组成。 该系统能实现当车速低于35km/h时，后轮相对 于前轮反向偏转。使车辆转向半径减小，提高了 低速时的机动性；当车速高于35km/h时，后轮 相对于前轮同向偏转。使汽车高速行驶时的操纵 稳定性显著提高；当车速等于35km/h时，后轮 保持与汽车纵向轴线平行的直线行驶状态。
如图所示，液压控制阀是一滑阀结构，其滑阀的位置取 决于车速和前轮转向系统转角。图中表示滑阀向左移动的 过程，此时油泵送来的油液通过液压控制阀进入动力缸右 腔，同时动力缸左腔通过液压控制阀与储油罐相通。在动 力缸左右腔压力的作用下，动力输出杆左移，使后轮向右 偏转。因为阀套与动力输出杆固定在一起，所以当动力输 出杆左移时将带动阀套左移，从而改变油路通道大小，当 油压与回位弹簧及转向阻力的合力达到平衡时动力输出杆 （连同阀套）停止移动。
• 结论：显而易见，当转向盘转角很大时 （行驶速度很低，处于急转弯状态），后 轮相对于前轮反向偏转，汽车转向半径减 小，转向机动性能提高。当转向盘转角很 小时（高速调整行车方向或移线行驶）， 后轮与前轮同向偏转，使汽车高速行驶的 操纵稳定性显著提高。
二、液压式车速感应型四轮转向系统
1、液压式车速感应型四轮转向系统的结构如图所示。 主要由前轮动力转向器、前轮转向油泵、控制阀 及后轮转向动力缸、后轮转向油泵等组成。 后轮转向系统由控制阀、后轮转向油泵和后轮转 向动力缸组成。控制阀的内腔被柱塞分割成几个 工作油腔，左、右油腔分别与前轮转向动力缸的 左、右油腔相通，柱塞的位置由前轮动力缸内的 油压进行控制。后轮转向油泵由后轴差速器驱动， 其输出油量只受车速影响。
四轮转向技术.ppt
2000
美国德尔福公司开发的 Quadrasteer 四轮转向系统
GMC 2002
2000
日产公司在其Skyline与 INFINITI G系上应用的四轮主 动转向系统（4WAS）
雷诺公司将在其Laguna Coupe 上采用的“Active Drive”4WS技术
2000
宝马第五代新7 Series 的 4WS 系统
（5）从主观评价出发，考虑闭环综合性能指标，将“人一车 一路"看成一个系统。 （6）基于新控制理论的全主动4WS（四轮独立转向）系统。 （7）把4WS技术与其它主动安全技术（如4WD、ABS、ASR、 VSC、DYC等）相结合，实现汽车主动底盘技术的综合控制， 这是主动控制式4WS系统研究的长期目标。
转向原理：汽车转向时，传感器将采集的前轮转角信号、车速信号、 横摆角速度信号等送入4WS 电控单元（ECU），电控单元将实时监控 汽车的运行状态，根据传感器参数和控制策略分析计算后轮转角， 并驱动后轮转向执行机构动作，实现后轮转角的闭环控制。
按控制方式分：车速感应型 转角感应型
按结构分： 机械式
(1) 比例控制：前馈控制（前后轮转向角与车速依存式）和反馈 控制（将车辆的运行状态反馈到控制系统，自动调节后轮转向 角）
策
(2) 动态补偿控制：前馈控制（转向角动态补偿）和反馈控制（转向力
略
矩动态补偿）
(3) 主动控制：要求横摆速率中、高速时提高稳定性和转向响应性，低 速时提高小转弯大转向角转向操纵性
Any more information please give some questions
机械转接
液压式 电控液压
电动式 电子控制
车速感应型 转角感应型
四轮转向(4WS)
四轮转向（4WS）出处：pcauto责任编辑：[03-8-16 11:18] 作者：Autothrobert在一般汽车，以操纵方向盘使前轮的轮胎转向发挥转弯机能，但四轮转向是后轮的轮胎也可转向之系统。
四轮转向（4WS:4wheelsteering）之目的，在低速行驶时作逆相转向（前轮与旋转方向为逆向）使旋转时小转弯性能良好，中高速时为同相转向（前轮与旋转方向为同方向），以提高在高速时之车道变换或旋转时操纵稳定性。
(1)4WS车之小转弯能汽车在低速旋转时，车辆行进方向与轮胎方向大概可视为一致，在各轮大部份不会产生旋转向心力(cornering force )。
四轮行进方向的垂直线会交于一点，车辆就以该点为中心(旋转中心)旋转。
请参阅图A 低速旋转时之行车轨迹，二轮转向(2W5)车(前轮转向)时，因为后轮不转向，旋转中心差不多在后轴的延长线上。
图A4WS车的情形，是把后轮逆相转向，旋转中心比2WS车更靠近车辆，亦即回转半径较小。
在低速旋转，前轮转向角若相同，则4WS车的回转半径可较小，小转弯性能良好，内轮差也可缩小。
在轿车时，后轮逆相转向s度，则最小回转半径约为50公分，内轮差可减少10公分。
(2)4WS车在中高速之旋砖性能直向行进之汽车转弯时，由车辆的重心点变化行进方向的公转，与该重心点周围的车辆自转之两种运动合成来进行。
图B 表示2WS车高速旋转时之车辆状况。
首先，若前轮进行转向，前轮胎就产生滑动角α，并产生旋转向心力，车身开始自转。
结果，使车身偏向后轮也产生滑动角β，后轮也产生旋转向心力，四轮的力量就分担自转与公转力，随着取得平衡进行旋转。
可是速度愈高向心力增大，因此与其取得平衡之旋转向心力也不得不增大，给与前轮更大的滑动角不得不产生大的旋转向心力，而且，因为后轮也会给与相似的滑动角，就发生使车身产生更大的自转运动之必要性。
可是，速度愈高更增加车身自转运动之不稳定性，容易产生车辆旋转(spin)或横滑。
2．转向角比例控制式4WS系统_汽车底盘电控技术（第2版）_[共3页]
![2．转向角比例控制式4WS系统_汽车底盘电控技术（第2版）_[共3页]](https://img.taocdn.com/s3/m/458cd99bf7ec4afe05a1df25.png)
电控动力转向系统结构与检修 269
学习情境六
图6-46 低速转向时的行驶轨迹 图6-47 中、高速转向时的操纵性比较 2．转向角比例控制式4WS 系统
所谓转向角比例控制是指使后轮的偏转方向在低速区与前轮的偏转方向相反，而在高速区与前轮的偏转方向相同，并同时根据转向盘转向角度和车速情况控制后轮与前轮偏转角度比例。
（1）系统组成
转向角比例控制式四轮转向系统的构成如图6-48所示。
前、后转向机构通过机械方式连接。
转动转向盘转向时，齿条式前转向器齿条在推动前转
向横拉杆左右移动使前轮转向的同时带动输出小齿轮转动，通过连接轴传递到后转向齿轮箱控制机构，带动后轮偏转。
图6-48 转向角比例控制式四轮转向系统的构成。
4WS转向时轮转角及轮速分析
1 4WS 各车轮速度模型的建立1.1 各车轮速度的运动学几何模型4WS 车辆的四轮基本模型中，汽车后轮与前轮转角时的转向几何关系如图1所示。
图1 4WS 车辆转向的四轮模型Fig.1 4WS vehicle four wheel model of steering1.2 各车轮速度的运动学数学模型据4WS 车辆运动模型图1所示，汽车后轮与前轮几何转角应满足以下关系：b L Bfin fout +=-δδcot cot bB rinrout =-δδcot cot 以上算式关系中，前后轮同转角时为正，前后轮逆转角时为负。
其中：fin A a δtan ⨯=L b L bL A A b rinfin fin rin fin rin -⨯=-⨯=-⨯=⨯=δδδδδδtan tan tan tan tan tan)cot /(cot 1fin rin Lb δδ+=fin b L A δcot )(⨯+= )cot (cot )(fin fout b L B δδ-⨯+=四轮转向时，瞬时回转中心到车辆中轴线的垂直半径为：)cot (cot 22fout fin b L B A R δδ+⨯+=+=车体前轴中心绕O 点的转向圆半径f R 应为：()()2222)cot (cot 22⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯++-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛++-+=fout fin f b L C b L B A C b L R δδ绕O 点的车体质心角速度ω应为：4321R V R V R V R V R V rinrout fout fin =====ω由图1中的几何关系可以求得:()()2222)cot (cot 22⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯++-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛++-+=fout fin b L C b L B A C b L R δδ K aR fin-=δsin 1K a R fout+=δsin 2 （1）K b R rout+=δsin 3K bR rin-=δsin 4设汽车在做如图1中所示的等速直线行驶的时间段内，速度为V 。
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1 4WS 各车轮速度模型的建立1.1 各车轮速度的运动学几何模型4WS 车辆的四轮基本模型中，汽车后轮与前轮转角时的转向几何关系如图1所示。
图1 4WS 车辆转向的四轮模型Fig.1 4WS vehicle four wheel model of steering1.2 各车轮速度的运动学数学模型据4WS 车辆运动模型图1所示，汽车后轮与前轮几何转角应满足以下关系：b L Bfin fout +=-δδcot cot bB rinrout =-δδcot cot 以上算式关系中，前后轮同转角时为正，前后轮逆转角时为负。
其中：fin A a δtan ⨯=L b L bL A A b rinfin fin rin fin rin -⨯=-⨯=-⨯=⨯=δδδδδδtan tan tan tan tan tan)cot /(cot 1fin rin Lb δδ+=fin b L A δcot )(⨯+= )cot (cot )(fin fout b L B δδ-⨯+=四轮转向时，瞬时回转中心到车辆中轴线的垂直半径为：)cot (cot 22fout fin b L B A R δδ+⨯+=+=车体前轴中心绕O 点的转向圆半径f R 应为：()()2222)cot (cot 22⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯++-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛++-+=fout fin f b L C b L B A C b L R δδ绕O 点的车体质心角速度ω应为：4321R V R V R V R V R V rinrout fout fin =====ω由图1中的几何关系可以求得:()()2222)cot (cot 22⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯++-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛++-+=fout fin b L C b L B A C b L R δδ K aR fin-=δsin 1K a R fout+=δsin 2 （1）K b R rout+=δsin 3K bR rin-=δsin 4设汽车在做如图1中所示的等速直线行驶的时间段内，速度为V 。
当汽车进入等速圆周行驶状态后，设定汽车质心点线速度的瞬变阶跃与之相等，图1中的O 点即为绝对速度为零的瞬时回转中心。
若将汽车整车看作一个刚体，由速度瞬心定理可知，此刚体上的所有点将绕O 点转动，其转动角速度为：44332211R V R V R V R V R V =====ω （2） 选定参数ω作为计算其它四轮绕O 点转动的行驶瞬变角速度，将式(l)中的参数代入式(2)，可得四轮绕O 点转动的行驶速度分别为：()2211)cot (cot 2)sin (⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯++-+-⨯=⨯=fout fin finb L C b L K aV R RVV δδδ()2222)cot (cot 2)sin (⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯++-++⨯=⨯=fout fin foutb L C b L K a V R RVV δδδ()2233)cot (cot 2)sin (⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯++-++⨯=⨯=fout fin routb L C b L K b V R RVV δδδ （3）()2244)cot (cot 2)sin (⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯++-+-⨯=⨯=fout fin rinb L C b L K bV R RVV δδδ2 4WS 转向时轮转角及轮速分析4WS 车辆直线行驶时，各车轮速度相等，一旦转向4WS 车辆的四个车轮为保证转向时的纯滚动，必然在不同转向角状态下，有各自的车轮速度。
尤其，采用全轮驱动的4WS 车辆，各车轮转角及速度的调控必须遵循转向时运动特性的实际变化进行确定，对4WS 转向时车轮转角及速度进行分析有利于实现对全驱4WS 车辆的转向控制。
2.1 4WS 转向时各车轮的转角分析4WS 车辆的四轮基本模型中，汽车后轮与前轮逆转角时的转向几何关系如图3所示，汽车后轮与前轮同转角时的转向几何关系如图4所示。
图3 4WS 车辆低速逆相位转向的四轮模型Fig.3 Different direction four wheel model of low speed for 4WS vehicle图4 4WS 车辆高速同相位转向的四轮模型Fig.4 Same direction four wheel model of high speed for 4WS vehicle为保证车辆转向时的纯滚动，据阿克曼转向定理，前轴内外轮与后轴内外轮的几何转角必须满足以下关系：b L Bfin fout ±=-δδcot cot (同向取正，逆向取负) (4) bBrinrout =-δδcot cot (5) 如图3、图4所示的几何条件可得：fin A a δtan ⨯= (6)rin A b δtan ⨯= (7)L b L bL A b rinfin fin rin fin -⨯=-⨯=-⨯=δδδδδtan tan tan tan tan (8)将式(8) 整理得：bLfin rin ±=1cot cot δδ (同向取正，逆向取负) (9)为保证4WS 车辆a 、b 定值状态下，前后各轮转向时的纯滚动，车辆前轴内轮与后轴内轮的几何转角应满足关系式(9)。
随4WS 研究的进一步深入，后轮辅助转向角随车速变化的需求，可通过电液调控前后转向梯形底角，达到前后左右四轮转向圆中心始终汇聚同一点。
本文对此调整理论不作更深剖析。
2.2 4WS 转向时各车轮的速度分析由公式(6)可得： fin b L A δcot )(⨯±= (同向取正，逆向取负) (10) 由公式(4)可得： )cot (cot )(fin fout b L B δδ-⨯±= (同向取正，逆向取负) (11) 如图3、图4所示，4WS 车辆转向时，瞬时回转中心到车辆纵剖中心面的垂直半径为：()()())cot (cot 22cot cot cot 22fout fin fin fout fin b L b L b L B A R δδδδδ+⨯±=-⨯±+⨯±=+= (同向取正，逆向取负) (12) 如图3、图4所示, 4WS 车辆转向时，瞬时回转中心到车辆各轮的转向圆半径为：K aR fin-=δsin 1K a R fout+=δsin 2K b R rout+=δsin 3 (13)K bR rin-=δsin 4设车辆如图3、图4所示的等速直线行驶的时间段内，速度为V ，进入等速圆周行驶状态后，图3、图4中的O 点为绝对速度为零的瞬时回转中心。
将汽车作为一个刚体，由速度瞬心定理可知，此刚体上的所有点将绕O 点转动[6]，其转动角速度ω为：44332211R V R V R V R V R V =====ω （14） 选定ω作为计算其它四轮绕O 点转动的瞬变角速度，将式(12)、(l3)中的参数代入式(14)，可得4WS 车辆各轮绕O 点转动的行驶速度分别为：()fout fin finb L K aV R RVV δδδcot cot 2)sin (11+⨯±-⨯=⨯=()fout fin foutb L K a V R RVV δδδcot cot 2)sin (22+⨯±+⨯=⨯=()fout fin rout b L K aV R RVV δδδcot cot 2)sin (33+⨯±+⨯=⨯= （15）()fout fin rinb L K aV R RVV δδδcot cot 2)sin (44+⨯±-⨯=⨯=式中：A——四轮模型的车辆转向圆中心至前后内轮转向节连线距离(mm)；B——四轮模型的左右转向节距离(mm)；a——四轮模型的车辆转向圆中心至前轴的距离(mm)；b——四轮模型的车辆转向圆中心至后轴的距离(mm)；K——四轮模型转向节至轮胎的距离(mm)；L——轴距(mm)；O——四轮转向时，四轮模型的车辆转向圆中心；R——四轮模型的转向圆中心至车辆纵剖中心面的距离(m)；R——四轮模型的车辆转向圆中心至前内轮的转向圆半径(m)；1R——四轮模型的车辆转向圆中心至前外轮的转向圆半径(m)；2R——四轮模型的车辆转向圆中心至后外轮的转向圆半径(m)；3R——四轮模型的车辆转向圆中心至后内轮的转向圆半径(m)；4V——四轮模型的转向时车辆速度(m/s)；V——四轮模型的转向时前内轮速度(m/s)；1V——四轮模型的转向时前外轮速度(m/s)；2V——四轮模型的转向时后外轮速度(m/s)；3V——四轮模型的转向时后内轮速度(m/s)；4δ——四轮模型的前内轮转向角(°)；finδ——四轮模型的前外轮转向角(°)；foutδ——四轮模型的后内轮转向角(°)；rinδ——四轮模型的后外轮转向角(°)；routω——四轮模型车辆转向时的角速度(rad/s)；。