四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的原理及應(yīng)用前景淺析

蘇夢飛

摘 要 隨著我國汽車保有量越來越多，而市區(qū)道路擴建滯后，使得車輛在狹窄道路上轉(zhuǎn)彎掉頭十分困難，給人們帶來的出行帶來很大的不便。而且在濕滑路面上，地面附著系數(shù)的降低會使車輛失控從而引發(fā)交通事故。而四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展可以很好地解決上述問題，所以研究四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)顯得尤為重要。本文主要介紹了四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、系統(tǒng)類型、工作原理以及所面臨的問題和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 四輪驅(qū)動 汽車運用 控制系統(tǒng) 操縱穩(wěn)定性

一、引言

四輪轉(zhuǎn)向是指汽車在轉(zhuǎn)向的過程中，4個車輪可依據(jù)前輪或行車速度等信號同時相對車身發(fā)生偏轉(zhuǎn)。四輪轉(zhuǎn)向的目的在于當車輛低速行駛時依靠逆向轉(zhuǎn)向（前輪與后輪的轉(zhuǎn)角方向相反）改善汽車的操作性，獲得相對較小的轉(zhuǎn)向半徑。在中高速行駛時依靠同向轉(zhuǎn)向（前輪與后輪的轉(zhuǎn)角方向相同），從而提高汽車的操縱穩(wěn)定性。最近幾年各國的汽車公司對四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)有了更深的發(fā)展，從最初的以減小轉(zhuǎn)彎半徑為目的到現(xiàn)在以高速穩(wěn)定性為目的，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)受到人們越來越多的關(guān)注。

二、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型及原理

汽車在轉(zhuǎn)向時有兩種運動，即重心的平移和繞重心的轉(zhuǎn)動，這兩種運動的結(jié)合使汽車完成轉(zhuǎn)向的過程。對于2WS系統(tǒng)來說，當汽車具有確定的車速和一定的方向盤轉(zhuǎn)角時，前輪轉(zhuǎn)向（FWS）汽車的行駛方向是單一的。且后輪轉(zhuǎn)向是由依靠離心力的側(cè)偏作用，故后輪方向的改變具有一定的遲滯性，從而導致汽車轉(zhuǎn)向的靈敏度變差、汽車轉(zhuǎn)向半徑增大等現(xiàn)象出現(xiàn)。對于4WS系統(tǒng)，其行駛狀態(tài)則因后輪與前輪之間的角度差異而變得更加靈活，產(chǎn)生不同的行駛狀態(tài)，從而達到汽車機動性、操縱穩(wěn)定性等使用性能需求。

（一）機械式

機械式系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向器分別安裝在前后輪上，兩轉(zhuǎn)向器之間通過一機械裝置相連接。轉(zhuǎn)動汽車方向盤時，齒輪—齒條式轉(zhuǎn)向器的齒條帶動前輪轉(zhuǎn)向器中的小齒輪，齒條的左右運動變換成為小齒輪的轉(zhuǎn)動，經(jīng)中間傳動裝置使后輪轉(zhuǎn)向齒輪產(chǎn)生相應(yīng)動作。當轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度小時，后輪與前輪同向偏轉(zhuǎn)；當轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動量大時，后輪與前輪反向偏轉(zhuǎn)。

（二）液壓式

液壓式4WS系統(tǒng)由儲油罐、油泵、控制閥等組成。當轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，前輪油泵把油液送入到前輪齒輪齒條機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)閥中，導入前轉(zhuǎn)向動力缸中，此時前輪動力缸及控制閥側(cè)壓力腔壓力升高，推動柱塞移動，同時后輪轉(zhuǎn)向油泵輸出油液經(jīng)過控制閥的特定通道進入后轉(zhuǎn)向動力缸，使其中的柱塞產(chǎn)生位移，通過活塞桿對后輪懸架的中間球鉸接頭產(chǎn)生作用力，從而使后輪產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。其中，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速越高、操縱力越大、轉(zhuǎn)角越大，油液壓力就越高，柱塞的移動量也越大。

（三）電控式

電控式4WS系統(tǒng)主要由ECU、轉(zhuǎn)向角度傳感器、車速傳感器、和執(zhí)行機構(gòu)成，其主要依靠安裝在后懸架上的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，達到駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤時能夠轉(zhuǎn)動汽車的前后四個車輪的目的。

4WS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向角度傳感器安裝在轉(zhuǎn)向機內(nèi)，其作用就是向ECU傳送轉(zhuǎn)向角度和方向的電壓信號?？刂葡到y(tǒng)ECU根據(jù)車速傳感器和轉(zhuǎn)向角度信號的輸入信息進行運算，同時通過比較兩個處理器的計算結(jié)果給予相應(yīng)的反饋，若確定轉(zhuǎn)向指令在正確執(zhí)行，那么ECU將啟動后軸轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機，來控制后輪的轉(zhuǎn)向方向和角度大小。執(zhí)行機構(gòu)多為電機驅(qū)動型式，電動機接收ECU的信號后，控制操作桿移動，從而可以放大前輪的轉(zhuǎn)向方向和角度，驅(qū)動后輪偏轉(zhuǎn)。

三、四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)在應(yīng)用方面面臨的挑戰(zhàn)

雖然主動四輪轉(zhuǎn)向既可以提升操控性，又可以提升安全性，但是目前僅有幾款高端車型在應(yīng)用這種技術(shù)，其主要原因來自三個方面：成本、空間和可靠性。對于較低端的車型，通常更注重性價比，對于這種客戶感受不那么明顯的配置通常不會采納。還有對于小型車，在原本后排空間就很緊張的情況下，在后橋上增加一套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)顯然不夠現(xiàn)實。其次就是可靠性，由于不是純機械式控制，所以需要大量的電子元件，可靠性會降低。

四、四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用的前景分析

關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用，有學者提出四輪獨立轉(zhuǎn)向-獨立驅(qū)動電動車（4WIS-4WIDEV）的智能車構(gòu)型，即利用4個驅(qū)動制動和轉(zhuǎn)向均獨立可控的車輪，實現(xiàn)主動后輪轉(zhuǎn)向和直接橫擺的一種避障智能車輛。同時四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)還可應(yīng)用于牽引汽車中，目前機場牽引汽車已普遍采用這種技術(shù)，但是仍存在甩尾和轉(zhuǎn)向過度的問題，通過車載PLCA11中編程與四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的結(jié)合，可更好控制車輛行駛。另外，此項技術(shù)還有望在丘陵山地車、混凝土攪拌車等方面得到廣泛應(yīng)用。

從20世紀80年代末期到今天，日本制造商一直有采用四輪轉(zhuǎn)向的傳統(tǒng)。但電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)和橫向偏百控制系統(tǒng)的發(fā)展限制了四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的廣泛應(yīng)用，這兩種裝置都能夠像四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一樣糾正轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過度，而不會導致成本和重量增加。當需要轉(zhuǎn)彎時，后輪首先逆向轉(zhuǎn)向，從而立刻導入后胎的滑動響應(yīng)，這種響應(yīng)有助于轉(zhuǎn)彎的角度的調(diào)整。由于電腦監(jiān)控著整個過程，轉(zhuǎn)向過度量將一直得到抑制。所以現(xiàn)在除了一些大型卡車和賽車使用外，乘用車幾乎都沒有用，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)極大地提升了大型車輛的操縱性、穩(wěn)定性、安全性及舒適性，是一項與防抱死制動系統(tǒng)ABS、牽引力控制系統(tǒng)TCS相媲美的具有劃時代意義的汽車技術(shù)革命，改變了大型車輛的未來，并可能成為大部分車輛最受歡迎的選裝件之一。

（作者單位為長安大學汽車學院）

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