汽车四轮转向系统
１、前言
随着现代道路交通系统和先进汽车技术的发展，汽车的主动安全技术日益受到重视。先进的主动底盘控制技术是汽车发展的重要方向，而四轮转向系统是主动底盘控制的重要组成部分。汽车的四轮转向（Four -wheel Steering——4WS）是指汽车在转向时，后轮可相对于车身主动转向，使汽车的四个车轮都能起转向作用。以改善汽车的转向机动性、操纵稳定性和行驶安全性。
２、汽车四轮转向技术概况
从二十世纪初（1907年），日本政府颁发第一个关于四轮转向的专利证书开始，对于汽车四轮转向的研究一直伴随着汽车工业的发展而进行着。二战期间，美国的一些军用车辆和工程车辆上采用一种前、后轮逆相位偏转的简单机械式4WS系统，以适应恶劣的路况，改善汽车低速转向时的机动性能。1962年，在日本汽车工程协会的技术会议上，提出了后轮主动转向的4WS技术，开始了现代4WS转向系统的研究。在70年代末，本田（Honda）和马自达（Mazda）积极投入4WS的开发。1985年，日本的尼桑（Nissan）在客车上应用了世界上第一例实用的4WS系统，应用在一种车型上的高性能主动控制悬架（High Capacity Activety-Controlled Suspension――HICAS）上。随着对4WS这一领域研究的不断进展，出现了多种不同结构型式、不同控制策略的实用4WS系统。
一般来说，4WS汽车在转向过程中，根据不同的行驶条件，前、后轮转向角之间应遵循一定的规律。目前，典型4WS汽车的后轮偏转规律是：
（１）逆相位转向
如图1（a）所示，在低速行驶或者方向盘转角较大时，前、后轮实现逆相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反，且偏转角度随方向盘转角增大而在一定范围内增大（后轮最大转向角一般为5°左右）。这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性，减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动灵活性。便于汽车掉头转弯、避障行驶、进出车库和停车场。
（２）同相位转向
如图1（b）所示，在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前、后轮实现同相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相同（后轮最大转角一般为1°左右）。使汽车车身的横摆角速度大大减小，可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向，保证汽车在高速超车、进出高速公路、高架引桥及立交桥时，处于不足转向状态。
现在，有许多4WS汽车把改善汽车操纵性能的重点放在提高汽车高速行驶的操纵稳定性上，而不过分要求汽车在低速行驶的转向机动灵活性。其工作特点是低速时汽车只采用前轮转向，只在汽车行驶速度达到一定数值后（如50Km/h），后轮才参与转向，进行同相位四轮转向。
与普通的前轮转向汽车（2WS ）相比，4WS 汽车具有如下特点：
优越性：（１）转向操作的响应加快，准确性提高。
（２）转向操作的机动灵活性和行驶稳定性提高。
（３）抗侧向干扰的稳定性效果好。
（４）超车时，变换车道更容易，减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。
不足性：（１）低速转向时，汽车尾部容易碰到障碍物。
（２）实现理想控制的技术难度大。
（３）转向系统结构复杂、成本高。
（４）转向过程中，阿克曼定理难保证。
３、四轮转向汽车的基本组成及工作原理
4WS 汽车是在前轮转向系统的基础上，在汽车的后悬架上安装一套后轮转向系统，两者之间通过一定的方式联系，使得汽车在前轮转向的同时，后轮也参与转向，从而达到提高汽车低速行驶的机动性和高速行驶的稳定性。经过几十年的研究与开发，已经成型的4WS 汽车类型有多种，组成、结构不同，控制方式及工作原理也各异。典型的电控4WS 系统主要由前轮转向系统、传感器（如转向角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器等）、ECU 、后轮转向执行机构和后轮转向传动机构等。目前，以电控液压式4WS 系统应用最多。
如图2所示，转向时，传感器将前轮转向的信号和汽车运动的信号送入ECU ，ECU 进行分析计算，
向后轮转向执行机构输出驱动信号，后轮转向执行机构动作，通过后轮转向传动机构，驱动后轮偏转。同时，ECU 进行实时监控汽车运行状况，计算目标转向角与后轮实时转向角之间的差值，来实时调整后轮的转角。这样，可以根据汽车的实际运动状态，实现汽车的四轮转向。
４、四轮转向汽车后轮转向装置的类型
随着对4WS 这一领域研究的不断进展，出现了多种不同转向要求、不同结构型式和不同图2 4WS 控制系统工作原理图
控制策略的实用4WS系统。按控制后轮转向的方法，后轮转向装置主要可分为转角随动型和车速感应型两种。
４·１转角随动型
转角随动型四轮转向装置的工作特点是后轮偏转受前轮偏转控制，作被动转向，即后轮偏转方向和转角大小受方向盘转动的方向和转角大小的控制（如图3所示）。结构上通过一根后轮转向传动轴将前、后轮转向机构相连，一般都采用机械式传动和人力直接控制。早期应用在军用车辆、工程车辆上的4WS系统、装于本田Prelude轿车上的4WS系统就是采用全机械式的转角随动型四轮转向装置。这种4WS系统存在一定的系统结构和动态控制的局限性，尤其在高速急转弯时，使汽车的操纵稳定性恶化，在现代的4WS系统中已很少采用。
４·２车速感应型
车速感应型四轮转向装置的工作特点是后轮偏转的方向和转角大小主要受车速高低的控制（如图4所示），在转向过程中，同时还受前轮转角、侧向加速度、横摆角速度等动态参数的综合控制作用。这种4WS系统综合考虑了汽车的各种动态参数对汽车转向行驶过程中的操纵稳定性的影响，动态模拟控制效果好，是目前4WS汽车上主要采用的四轮转向装置。
按照控制和驱动后轮转向机构的方式不同，4WS系统可分为机械式、液压式、电控机械式、电控液压式和电控电动式等几种类型。
