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
r
f l
x δδtan tan 0+=
（2.1）
r
f l
l 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
(
r
f f r f f f l l
b y l x b δδδδδ+⋅+++
⋅-++= （2.3）
CP AP R -=∆
2
0202020)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 f
l l b δδδδδ+⋅+++-=22
)tan tan tan ()tan tan 2(r
f 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。

f
f f l
PQ R δδδtan cos sin ++=
= （2.5）
PO PQ R -=∆
f f f l
δδδtan cos sin ++=r
r r l δδδtan cos sin ++- （2.6）
从式（2.5）中可以看出当后轮与前轮逆相位转向时，四轮转弯半径比两轮转弯半径小。

从式（2.6）中可以看出，当前、后轮偏转角相同时（f δ=r δ），前、后轮的转弯半径差值可能为0。

从下图可以直观看出转向半径的大小。

2.1.2 2WS 与4WS 的比较
图2 低速时2WS与4WS的比较
如上图所示为低速转向行驶轨迹，2WS汽车的情况是后轮不转向，所以转向中心大致在后轴的延长线上。

4WS汽车的情况是对后轮进行逆向操纵，转向中心比2WS汽车靠近车体处。

在低速转向时，若两前轮转角相同，则4WS汽车的转向半径更小，内轮差也小，转向性能好。

对于小轿车而言，如果后轮逆向转向5°，则可减少最小转弯半径50cm，内轮差约10cm。

2.2.中高速四轮转向特征
2.2.1 2WS转向特性
直线行驶的汽车转向是下面两种
运动的合成运动：汽车质心绕转向中
心的公转和汽车绕质心的自转。

如左
图2WS汽车中高速时车辆的运动状态：
前轮转向时，前轮产生侧偏角α，并
产生旋转向心力使车体开始自转，此
时后轮产生侧偏角β和旋转向心力，车
速越高，离心力越大，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，与此同时，后轮也产生与
此相应的侧偏角，车体本身自转趋势
更加严重。

也就是说，车速越高，转
向时容易引起车辆的旋转和侧滑。

图3 2WS汽车中高速转向示意图
2.2.2 4WS转向特性与2WS的比较
理想的高速转向运动
状态是尽可能使车体的倾
向和前进方向一致，从而使
后轮产生足够的旋转向心
力。

在4WS汽车通过对后轮
同向转向操控，使后轮也产
生侧偏角，使它与前轮的旋
转向心力相平衡，从而抑制
自转运动，得到车体方向和
车辆前进方向一致的稳定
转向状态。

图4 2WS和4WS汽车中高速转向比较图
3 四轮转向的实现途径
3.1 系统组成
如下图所示为4WS转向比例控制的系统图。

前后的转向机构是机械式的连接方式，转向盘的转动通过前转向齿轮箱（齿轮齿条式）中的齿条带动转向横拉杆左右移动，使前轮产生转向，同时小齿轮的旋转输出通过连接轴由输入小齿轮传给后转向齿轮箱，经过转向枢轴和4WS转换器实现后轮转向。

图5 4WS汽车转向角比例控制系统
3.1.1转向枢轴
如下图（a）所示，后转向齿轮箱的转向枢轴是一个大轴承，其外圈与扇形齿轮为一体，围绕枢轴可左右转动；其内圈与连杆突出的偏心轴相连，连杆通过4WS转换器的电机连杆绕旋转中心作正反旋转。

偏心轴可在转向枢轴机构内上下回转55°。

图6 转向枢轴示意图
通过连接轴的输入使小齿轮向左或向右旋转时，旋转力传递到扇形齿轮，再由转向枢轴通过偏心轴使连杆左右移动。

连杆带动后转向横拉杆和后转向节臂实现后轮转向。

如上图（b）所示为由于枢轴和偏心轴的运动，形成后轮的同相位和逆相位的转向原理。

偏心轴的前端与枢轴左右转动，连杆也完全不动，后轮处于中立状态。

随着偏心轴前端位置与枢轴旋转中心上、下方向的偏离，枢轴左右转动时连杆的移动量变大。

偏置轴与后轮转向之间的动态关系是偏心轴前端位置在转向枢轴的上侧时为逆相位，下侧时为同相位。

图（c）所示为转向枢轴旋转角度与连杆旋转角度和左右移动量的关系。

3.1.2转换器
4WS转换器主要由电动机、副电动机的驱动部分、行星齿轮的减速部分和旋转连杆的蜗杆组成。

通常主电动机转动，副电动机处于停滞状态。

副电动机的输出轴与行星齿轮的中心齿轮相连，齿圈就是4WS转换器的输出轴。

通常中心齿轮固定不动，而与主电动机相连的小齿轮旋转。

小齿轮围绕中心轮自传和公转，以此带动4WS转换器的输出齿圈。

3.2 四轮转向的控制方法
图7 后轮转向操纵机构
机械式转向操纵机构的情况是通过缆绳将转动传递到后带轮并带动控制凸轮，而凸轮推杆仿照凸轮外形运动带动阀套筒左右移动。

转向盘向左转动时，后带轮做向右旋转。

随着旋转，凸轮曲率半径变小，凸轮推杆被拉出，阀套筒就向左移动。

转向盘右移时则相反。

随着凸轮曲率半径增大，凸轮推杆被推进，阀套筒就向右移动。

由于阀套筒和阀新的相对位移，使来自液压泵的工作压力油路被切换，转向盘向左转动时，阀套筒就向左移动，使油液进入液压缸的右室，动力活塞向左移，此时与活塞一体的拉杆向左移，将后轮向右转。

3.2.1大转向角控制
当前轮向左转向时，阀套筒向左方向移动，并与阀心之间产生相对位移。

如图所示a和b部位被节流，高压作用于动力油缸的右室，推动活塞杆向左移动，而后轮就向右转向。

当活塞杆向左移动时，因为脉冲电机不工作，控制阀杆就以支点A为中心回转并将阀心从B点移到左方的B’点。

因此，打开处于节流状态的阀a部分以及b部分，降低动力油缸右室的压力，结果是当活塞杆移动到规定位置时，a部分以及b部分的节流压力与来自车轮的外力相平衡，后轮就不能进行更多的转向。

3.2.2小转向角控制
采用螺旋齿轮和曲柄组合结构将脉冲电动机的旋转运动变为阀芯的直线运动。

当从动齿轮向左旋转时，阀控制杆的上端支点A就以从动齿轮中心O为回转中心移到A’。

脉冲电机刚启动瞬间，后转向轴还没有运动，所以阀控制杆就以C 点为回转中心向左运动，杆中央的B点成为B’点，使阀芯向左移动。

缆绳不动时，阀套筒固定不动，与阀套筒产生相对位移，阀的a部分以及b部分被节流，高压油进入油缸左室。

4 四轮转向技术展望
在一般行驶工况下，4WS系统能够在很大范围内有效地提高汽车的动力学响应特性，在极限工况下，它更能很好地保持汽车的操纵稳定性。

不久的将来，4WS 技术将随着进一步发展而得到长足的进步，并在车辆系统中得到更广泛的应用，尤其是在提高车辆的中高速的操纵稳定性方面会得到广泛的应用。