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