橫行天下

李爾欣

不同于常人的刻板印象，四輪汽車并非遲至20世紀(jì)下半葉才學(xué)會(huì)橫向移動(dòng)，而是早在近百年前即已嘗試過(guò)。譬如，在某個(gè)攝于1933年的影像片段中，一輛廂式轎車便借助安裝在車尾的“FifthWheel第五車輪”，以甩尾的方式快速完成平行泊車；另外，根據(jù)文字資料，甚至在1927年就已經(jīng)有概念車試過(guò)將前輪“翻折”90度，以使車輛能橫向移動(dòng)的方案。

只不過(guò)，對(duì)于量產(chǎn)乘用車來(lái)說(shuō)，相比偶爾的便利，更重要的是保證移動(dòng)過(guò)程中的安全，可無(wú)論是安裝第五車輪還是90度“翻折”車輪，都會(huì)因?yàn)榛顒?dòng)件失控而形成安全隱患。以至于在此后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，水平地進(jìn)行橫向移動(dòng)依然只是概念車及各類原型車的“專有技能”。

但與此同時(shí)，車輛在進(jìn)行大角度變向行駛時(shí)所呈現(xiàn)的優(yōu)越機(jī)動(dòng)性也一直誘惑著那群搞汽車研發(fā)的人。于是，當(dāng)量產(chǎn)乘用車基本確定以采用Ackerman阿克曼轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的前輪為轉(zhuǎn)向輪后，各種基于后輪開(kāi)發(fā)的輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)便陸續(xù)登場(chǎng)。

如是演變至今，由整車制造商或一級(jí)供應(yīng)商打造的各色后輪輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，基本可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。例如，Citro?n的量產(chǎn)車于20世紀(jì)90年代廣泛應(yīng)用的后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即是典型的被動(dòng)式：利用多個(gè)彈性連接件迫使后輪在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)跟隨前輪偏轉(zhuǎn)一定的角度，以便整車更利落地完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

至于主動(dòng)式，則在歷經(jīng)機(jī)械式、液壓式，再到電動(dòng)式的演變后，如今已成為豪華品牌高級(jí)別車型的主流配置，并通稱4WS四輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。此類系統(tǒng)大多會(huì)在低速時(shí)使后輪與前輪反向偏轉(zhuǎn)，以減小轉(zhuǎn)彎半徑；待到高速時(shí)，又讓后輪改為與前輪同向偏轉(zhuǎn)，以增加行駛穩(wěn)定性。值得一提的是，四輪汽車應(yīng)用4WS主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的歷史其實(shí)相當(dāng)久遠(yuǎn)。例如，造于1907年的DMGDernburg Wagen就是通過(guò)在后軸布置轉(zhuǎn)向器，并以此操控后輪完成主動(dòng)轉(zhuǎn)向。

可惜，在傳統(tǒng)燃油車上，車輪的轉(zhuǎn)向角度被懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)半軸的萬(wàn)向節(jié)等元件所限制，一般較難做出偏轉(zhuǎn)90度的動(dòng)作。而主要承擔(dān)保證車輛循跡性重任的后輪，車廠更是有意控制轉(zhuǎn)向角度，很少有允許超過(guò)15度的。如此小的轉(zhuǎn)向角，自然無(wú)法讓車輛“橫行霸道”，多數(shù)車型甚至連悍馬EV的“蟹行”都做不到。直到輪轂電機(jī)出現(xiàn)后，四輪汽車才真正有能力去玩轉(zhuǎn)橫向行駛。

通常情況下，輪轂電機(jī)是一種將純電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)以及制動(dòng)元件都集成到車輪內(nèi)的行走系統(tǒng)。這意味著，采用輪轂電機(jī)能夠解除傳統(tǒng)底盤上束縛車輪活動(dòng)自由的大部分“枷鎖”，從而賦予車輛極高的機(jī)動(dòng)性，甚至可以完成水平橫移。

只是，相比可配備碩大車輪的商用車或其他特種車輛，量產(chǎn)乘用車的常規(guī)輪轂尺寸顯然要小得多。而對(duì)于如此緊湊的輪轂來(lái)說(shuō)，光是塞入電機(jī)、制動(dòng)和減速器這幾個(gè)最基本的元件，就已經(jīng)令空間捉襟見(jiàn)肘，更何況還得解決散熱、簧下質(zhì)量等頑疾，這無(wú)疑讓研發(fā)、量產(chǎn)以及控制成本的難度大幅增長(zhǎng)。因此，像悍馬EV這樣的量產(chǎn)純電動(dòng)車在配置動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，普遍改用把電機(jī)裝在輪轂之外的輪邊電機(jī)。

誠(chéng)然，此舉會(huì)再度封印車輪的部分轉(zhuǎn)向角度，但相比在傳統(tǒng)燃油車上的待遇，輪邊電機(jī)留給車輪的自由度已足以令車輛的機(jī)動(dòng)性較同類燃油車更勝一籌，抑或是可以用更簡(jiǎn)潔的底盤結(jié)構(gòu)完成原本需要精密機(jī)械系統(tǒng)才能做到的極限動(dòng)作。例如，悍馬EV如今只需兩臺(tái)電機(jī)就能讓后輪主動(dòng)跟隨前輪偏轉(zhuǎn)10度，而此前GMC系列皮卡車型裝備的Quadrasteer四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然可讓后輪偏轉(zhuǎn)多達(dá)15度，但其本身卻是一套由傳感器及ECU電控單元控制，并使用線控技術(shù)才能完成轉(zhuǎn)向的復(fù)雜系統(tǒng)。

而且話說(shuō)回來(lái)，即便將來(lái)有量產(chǎn)乘用車配備輪轂電機(jī)，并且能夠做到水平橫移，也很難成為主流。因?yàn)?，在絕大多數(shù)日常用車場(chǎng)景中，車輛既不必“蟹行”，更不用水平橫移，僅憑現(xiàn)有的小角度4WS四輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已足以改善行駛性能，或者應(yīng)對(duì)偶發(fā)狀況。若是規(guī)定量產(chǎn)乘用車必須有橫向行駛的能力，那與其等待依然保留諸多機(jī)械元件的輪轂電機(jī)，不如直接跳到更為科幻的球形輪胎。畢竟那是能讓四輪汽車實(shí)現(xiàn)“全向行駛”的黑科技，要在途中進(jìn)行一次水平橫移，還不是信手拈來(lái)的事？

阿克曼轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)原本是德國(guó)的馬車工程師于19世紀(jì)中葉發(fā)明出來(lái)用以改善馬車轉(zhuǎn)向性能的“創(chuàng)新”轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。眾所周知，傳統(tǒng)的歐洲四輪馬車用的是單鉸鏈轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，即以車轅為軸心，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)前軸進(jìn)行轉(zhuǎn)向。但這也意味著馬車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，前軸的擺動(dòng)幅度很大，并且容易在特定角度下卡死。

而阿克曼轉(zhuǎn)向則將前軸改成四個(gè)頂點(diǎn)均可活動(dòng)的梯形結(jié)構(gòu)。如此一來(lái)，車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪只需轉(zhuǎn)動(dòng)較小的幅度，同時(shí)也使車輛更易于轉(zhuǎn)向。之后，隨著四輪汽車開(kāi)始盛行，與阿克曼轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)相似的幾何形狀便被引入汽車底盤的設(shè)計(jì)中。時(shí)至今日，汽車工程師在為轉(zhuǎn)向輪配置懸架構(gòu)造時(shí)，也依然遵循著阿克曼轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的原理。

在21世紀(jì)初，GM通用曾與供應(yīng)商Delphi德?tīng)柛Ｂ?lián)合開(kāi)發(fā)出一套基于電控機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，那就是Quadrasteer四輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

Quadrasteer系統(tǒng)主要由傳感器、可控轉(zhuǎn)向后軸、電控電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，以及ECU控制單元等四大部件組成。其中，傳感器負(fù)責(zé)收集轉(zhuǎn)向角度和車速信號(hào)，操控指令則經(jīng)ECU計(jì)算后傳給電控電機(jī)，再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)后軸的齒輪齒條拉動(dòng)車輪偏轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。

在實(shí)際工作中，Quadrasteer系統(tǒng)可由手動(dòng)開(kāi)關(guān)切換3種模式：后輪不轉(zhuǎn)的2WS模式、系統(tǒng)自動(dòng)選擇是否轉(zhuǎn)動(dòng)后輪的4WS模式，以及后輪轉(zhuǎn)向始終激活的4WS掛車模式。而當(dāng)后輪需要轉(zhuǎn)向時(shí)，其轉(zhuǎn)向角度由車速?zèng)Q定：在80公里/小時(shí)以下，后輪與前輪反向；超過(guò)80公里/小時(shí)后，后輪將改為與前輪同向。

也正由于其工作模式與悍馬EV的Crabwalk蟹行機(jī)動(dòng)有所相似，因此悍馬EV的雙電機(jī)后軸常被視為電動(dòng)版Quadrasteer。

事實(shí)上，除配備4WS四輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的量產(chǎn)乘用車外，還有一些特種車輛可以在不轉(zhuǎn)動(dòng)車輪的前提下，單純依靠車輪本身的特性就能實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)。而能實(shí)現(xiàn)這番操作的車輪則至少有兩種：常用于大型載重機(jī)械的Mecanum wheel麥克納姆輪，以及目前主要是輪式機(jī)器人在用的Omni wheel全向輪。

這兩種車輪雖然裝在輪轂上的roller輥?zhàn)拥念愋团c角度均不相同，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)卻又都依靠輥?zhàn)拥臐L動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，也就是說(shuō)，這兩種車輪其實(shí)可讓車輛在平面上向任意方向移動(dòng)或自轉(zhuǎn)，其中自然包括水平橫移。不過(guò)，由于輥?zhàn)拥氖芰Y(jié)構(gòu)較為纖細(xì)，因此這兩種車輪都不能像量產(chǎn)乘用車的車輪那樣，以緊湊的尺寸承受重壓并在復(fù)雜路面上高速行走，而只能在小尺寸、輕載重、快速移動(dòng)，以及大尺寸、多層輥?zhàn)?、大載重、緩慢移動(dòng)兩種模式之間二選一。