四轮转向系统概述

四轮转向系统概述

摘要：一般的前轮转向系统存在响应滞后、转向不灵活、高速行驶时操作稳定性差而渐渐无法满足人们对车辆主动安全性越来越高的要求，迫切需要一种高效的转向系统来实现良好的车辆安全性，在这种形势下，电子控制四轮转向系统应运而生。目前的 4WS 系统中，多数采用的是电控液压式4WS 系统，这种系统工作压力大、工作平稳可靠，但由于液压系统在结构、系统布置、密封性、能耗、效率等方面存在的缺点，以及在转向过程中存在响应滞后等缺陷，使得电控液压式 4WS 系统很难适应现代四轮转向汽车在转向灵敏性、快速性方面的要求，降低了汽车高速行驶稳定性。 1992 年日本本田汽车上采用了电控电动式4WS 系统。该 4WS 系统由于结构简单、控制效果好、燃油经济性好等优点而得到了迅猛发展，电控电动式 4WS 将是 4WS 汽车的发展趋势。

1 四轮转向系统（ 4WS ）及其控制目标

1．1 四轮转向系统

四轮转向（4－Wheel Steering ，简称 4WS）系统是指车辆在转向过程中，前后两组 4 个车轮都能根据需要起转向作用，能有效改善车辆的机动灵活性和操纵稳定性。 4WS 汽车在低速转弯时，前后车轮逆相位转向，可减小车辆的转弯半径；在高速转弯时，前后轮主要作同相位转向，能减少车辆质心侧偏角，降低车辆横摆率的稳态超调量等，进一步提高车辆操纵稳定性。

1.2 四轮转向系统的分类

按功能分为后轮小角度偏转系统和后轮在中高速时小角度偏转在低速时大角度偏转系统。按照车轮偏转执行机构的动力形式可以分为液压四轮转向系统、机械液压四轮转向系统和电子控制四轮转向系统等三大类。

1.3 电子控制四轮转向系统的整体目标

对电子控制四轮转向系统的基本性能要求：汽车低速行驶时，能够减小驾驶员作用于转向盘上的转向力；高速行驶时，能够通过转向盘向驾驶员反馈适度的转向反力。具体要求：（1）既要保证转向轻便省力，又要能够很好地反馈“路感”；(2)当计算机控制系统发生故障时，转向系统仍然能够保留人力转向功能；（3）在保证转向性能的前提下，尽可能降低转向时的动力消耗。

2 四轮转向系统构成概述

2.1电子控制四轮转向系统的控制目标及其系统组成

2.1.1 电子控制四轮转向系统的控制目标

由相关参考文献知四轮转向系统的主要控制目标就是要使车辆的运动方向与实际的驾驶方向在大多数情况下保持一致，也就是说车辆的侧偏角度应该在大部分时间内保持为零，即控制侧偏角为0度，但由于在实际的车辆行驶过程中，必须考虑到车辆在某些危险行驶状态的安全性，如路面的附着系数发生突然降低、在湿滑路面行驶、紧急躲避障碍物等情况下轮胎非线性因素，因此，在侧向和纵向加速度相对较小的情况下，利用上面分析的线性模型只可以得出车辆的线性反馈控制律，还必须同时结合神经网络、模糊控制等现代控制方法来克服车辆的非线性。在车辆转向时，传感器将前轮转向的信号传入ECU ， ECU 进行分析运算之后，向电动机输出信号，电动机根据 ECU 传来的信号大小确定扭矩的

大小和方向，通过后轮转向机构控制驱动后轮产生一定角度的偏转。 ECU 同时还对车辆的状态进行实时监测，将后轮转向角的理想值与实际转向角之间的差值，反馈给后轮转向机构，以实现实时调整后轮的转角的目的，从而实现汽车的四轮转向。ECU 可根据传回的车辆速度信号对后轮转角的大小进行控制，当车辆在中高速行驶转向时，后轮小角度偏转主要用在改善车辆的转向系统特性，提高在该条件下转向系统的转向灵活性；当车辆在低速行驶转向时，后轮大角度偏转主要用于提高车辆在低速行驶时的响应特性，使其在低速转向时的最小转向半径减小。

2.1.2 电子控制四轮转向系统的主要组成部件

电子控制四轮转向系统由电子控制器、步进电动机、减速机构、传感器、自诊断及安全装置等部件组成。电动机输出扭矩由减速齿轮放大，并通过万向节、转向机构中的助力小齿轮把输出扭矩送到齿条以便向车轮提供助推扭矩；电子控制器根据各传感器送来的信号，确定助力扭矩的大小和方向。

(1)传感器

传感器的功用是检测汽车转向时的有关运动物理量，并将它们转换成相应的电信号，输入到 ECU中，供 ECU 进行分析计算。主要包括：

1)前、后轮转角传感器前、后轮转角传感器分别安装在前、后轮转向机构靠近车轮的一侧，采用非接触型霍尔元件传感器，用来检测前、后车轮的瞬时偏转角。

2)车速传感器车速传感器安装在车速里程表的转子附近，采用光电式车速传感器，将汽车前进速度检测出来，以脉冲信号的形式输出，送入四轮转向系统 ECU 。

3)车身横摆角速度传感器车身横摆角速度传感器安装在汽车质心处的车身上，采用压电射流角速度传感器，检测汽车转向行驶时的车身横摆角速度，以电信号的形式输入 ECU ， ECU 输出控制信号，实时控制汽车的转向运动，保证汽车转向行驶时的动态稳定性。

(2)电子控制器（ ECU ）

ECU是电子控制四轮转向系统的核心，其功能是根据编制的控制方案，对传感器的输入信号进行分析、计算、处理，输出一定控制信号指令，驱动电动机动作。

(3)步进电动机

步进电动机是一种数字控制式电动机，可以将数字脉冲信号转换成角位移，控制性能好，适于单片机控制。采用步进电动机的主要优点是：步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，随动性好，可与角度反馈环节组成高性能的闭环控制系统；动态响应快，易于实现起停、正反转及变速；具有自锁和保持转矩能力；结构简单，坚固耐用，抗干扰能力强。

(4)A／D 、 D／A 转换器

系统具有 8 位的 A／D 、 D／A 转换器，主要进行模拟信号与电信号之间的转换。

(6)减速机构

减速机构的功用是降低步进电动机转速，增大步进电动机传递给转向传动机构的扭矩。

(6)自诊断及安全装置

系统必须保证在电子控制四轮转向系统发生故障情况下，系统可以进行故障的自诊断，将诊断结果通知驾驶员，并进行相应的动作。在故障不能排除时，传统的转向系统必须可以正常工作，因此，在电子控制四轮转向系统中必须设有