淺談四輪轉(zhuǎn)向的工作原理及特點

宋勛勛 宋明祥

摘 要：兩輪轉(zhuǎn)向具有結(jié)構(gòu)簡單、布置方便、成本低廉的特點，但在車輛轉(zhuǎn)向的過程中其動力學響應(yīng)特性受自身結(jié)構(gòu)參數(shù)和外界條件的影響較大，汽車的機動性和操穩(wěn)性并不理想。四輪轉(zhuǎn)向汽車的前、后車輪都能參與轉(zhuǎn)向，它能有效提高汽車低速轉(zhuǎn)向的機動性和高速轉(zhuǎn)向的操縱穩(wěn)定性，使汽車在轉(zhuǎn)向時后輪直接參與對汽車側(cè)偏角和側(cè)向運動的控制。

關(guān)鍵詞：四輪轉(zhuǎn)向 行駛穩(wěn)定性

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，主動安全性日益受到人們的重視。四輪轉(zhuǎn)向是實現(xiàn)主動安全性的方法之一。近年來，很多汽車廠商紛紛推出了帶有四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念車，并把一些成熟的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用到了它的普及型汽車中，提高了其汽車的主動安全性。

一、汽車四輪轉(zhuǎn)向裝置的基本工作原理

兩輪轉(zhuǎn)向汽車在轉(zhuǎn)向運動的初期，只有前輪在自轉(zhuǎn)的同時又以轉(zhuǎn)向主銷為軸心相對于車身發(fā)生偏轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)），而后輪只自轉(zhuǎn)而不發(fā)生偏轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)），不起主動轉(zhuǎn)向作用。當前輪偏轉(zhuǎn)后，前輪先改變了前進的方向，地面就有一個側(cè)向力通過前輪作用于車身，使車身橫擺。車身在改變原來運動方向的同時產(chǎn)生離心力傳給前輪和后輪。傳給前輪的離心力平衡地面作用在前輪上的側(cè)向力，而傳給后輪的離心力使后輪輪胎產(chǎn)生側(cè)偏并改變后輪行進的方向，這時后輪才參與汽車的轉(zhuǎn)向運動。顯然，兩輪轉(zhuǎn)向的汽車在轉(zhuǎn)向時，從轉(zhuǎn)動方向盤到后輪參與轉(zhuǎn)向運動之間存在一定的滯后時間，使汽車轉(zhuǎn)向的隨動性（靈敏度）變差，并使汽車轉(zhuǎn)向直徑增大。另外，兩輪轉(zhuǎn)向汽車在高速行駛時相對于一定的方向盤轉(zhuǎn)角增量、車身的橫擺角速度和橫向加速度的增量也增大，從而使汽車在高速行駛時的操縱性和穩(wěn)定性變差。

而4WS汽車的后輪與前輪一樣既可自轉(zhuǎn)也能偏轉(zhuǎn)。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤后，前后輪幾乎同時轉(zhuǎn)向，使汽車改變前進方向，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。現(xiàn)代4WS汽車既能保證汽車低速行駛時轉(zhuǎn)向的機動性，也能保證高速行駛時的操縱穩(wěn)定性，使車身的橫擺和側(cè)傾減小，能有效的克服2WS汽車的缺點。

4WS汽車是在前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在汽車的后懸架上安裝一套后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，兩者之間通過一定的方式聯(lián)系，使得汽車在前輪轉(zhuǎn)向的同時，后輪也參與轉(zhuǎn)向，從而達到提高汽車低速行駛的機動性和高速行駛的穩(wěn)定性。典型的電控4WS系統(tǒng)主要由前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳感器、ECU、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)等組成。轉(zhuǎn)向時，傳感器將前輪轉(zhuǎn)向的信號和汽車運動的信號送入ECU進行分析計算，向后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)輸出驅(qū)動信號，后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)動作，通過后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)，驅(qū)動后輪偏轉(zhuǎn)。同時，ECU進行實施監(jiān)控汽車運行狀況，計算目標轉(zhuǎn)向角與后輪實時轉(zhuǎn)向角之間的差值，來實時調(diào)整后輪轉(zhuǎn)角。這樣，可以根據(jù)汽車的世紀運動狀態(tài)，實現(xiàn)汽車的四輪轉(zhuǎn)向。

二、汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前，對于4WS汽車的研究和開發(fā)仍處于不斷發(fā)展和完善階段。盡管科研人員從結(jié)構(gòu)到控制原理上對四輪轉(zhuǎn)向進行了大量的研究，4WS技術(shù)已取得不少進展。

在技術(shù)相對成熟的4WS汽車中，大多數(shù)采用電控液壓動力4WS系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用，電控電動4WS系統(tǒng)將是4WS汽車的發(fā)展趨勢。雖然在4WS系統(tǒng)的研究和開發(fā)方面已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，但是，作為4WS系統(tǒng)的核心技術(shù)問題──4WS系統(tǒng)控制器的設(shè)計，究竟以什么作為最佳的控制目標，采用什么樣的控制方法，在該研究領(lǐng)域仍然沒有較為一致的看法。早期的研究是將汽車輪胎看成線性進行建模的，一般的4WS控制也就基于輪胎所受的橫向力比例于車輪側(cè)偏角的假設(shè)，這種假設(shè)只是在橫向加速度較小的范圍內(nèi)有效。當在橫向加速度較大的范圍內(nèi)時，輪胎的側(cè)偏特性將進入非線性區(qū)域，輪胎側(cè)偏角對輪胎所受橫向力的響應(yīng)不再呈比例關(guān)系，與輪胎所受的縱向力、垂直載荷等都有關(guān)系。實際上，汽車在轉(zhuǎn)彎行駛時，輪胎基本上都工作在非線性區(qū)域。此時，再用線性控制理論來進行研究，就顯得勉為其難。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，一些先進的現(xiàn)代控制方法已經(jīng)被應(yīng)用于4WS系統(tǒng)的控制研究中，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、滑?？刂?、魯棒控制等，近年來，又出現(xiàn)了模糊控制、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的控制方法等。對4WS控制系統(tǒng)的研究逐漸從線性領(lǐng)域向非線性領(lǐng)域過渡，一些多自由度的4WS汽車動力學模型已有提出，但大多處于研究的初級階段，尚不成熟。

參考文獻

[1]邊明遠.汽車四輪轉(zhuǎn)向（4WS）技術(shù)及其發(fā)展前景[J].世界汽車，1999（6）：261-270.