四轮转向系统（4WS)

为了提高汽车转向特性和机动性，现在少数汽车采用了四轮转向系统（4WS)(four-wheel steering)。

什么是四轮转向系统呢？四轮转向系统的后轮与前轮一起参与转向，是一种提高车辆机动性和稳定性的关键技术。后轮与前轮同相位转向，可以减小车辆转向时的旋转运动，改善高速行驶的稳定性。使后轮与前轮逆相位转向，能够改善车辆中低速行驶的操纵性，提高快速转向性。

2005年推出的Jeep Hurricane概念车据说可以实现原地掉头

四轮转向的由来

四轮转向技术及解决了如下几种需求：

四轮转向系统的构成

四轮转向系统基本组成

如图14. 23所示为丰田四轮转向系统的布置，该系统是电子控制四轮转向系统，是在机械式4WS的结构上增加了电子控制装置，前后轮都有齿轮机构，中间由连接轴连接。

该系统主要由车轮转速传感器、输出齿轮、连接轴、输人轴、后横拉杆、转向枢轴、伺服 电动机、4WS转换器、主电动机、转向角比传感器、扇形齿轮以及电子控制单元等组成。

图14.23丰田四轮转向系统4WS的布置图

1一车轮转速传感器（2—横拉杆；3—输出齿轮；4一方向盘；5—连接轴；6—输人轴； 7一后横拉杆；8—转向枢轴；9一伺服电动机；10—4WS转换器；11一主电动机； 12—转向角比传感器（13—扇形齿轮

转向时，转向盘的旋转传递到齿轮齿条转向器，由齿轮带动横拉杆左右运动，使前轮 转向。同时，输出齿轮向后输出动力，通过连接轴传给后轮轮齿机构。

1) 转向枢轴

后转向齿轮箱的转向枢轴是一个大轴承，如图14. 24所示，其外圈与扇形齿轮成为一体，围绕枢轴可左右转动（内圈与连杆突出的偏心轴相连接，连杆由4WS转换器的电动机带动绕自身轴线做正反转动，偏心轴在转向枢轴机构内可上下回转约55°。

转向时，通 过连接轴的输人使小齿轮向左或向右旋转时，旋转力就传递到扇形齿轮，再由转向枢轴通 过偏心轴使连杆向左右方向移动。连杆带动后转向臂拉杆和后转向节臂实现后轮的转向。 由于枢轴与偏心轴的运动，形成后轮的同向和逆向的转向。偏心轴的前端与枢轴左右旋转 中心重合时，即使转向枢轴左右转动，连杆也完全不动，后轮处于中立状态。随着偏心轴 前端位置与枢轴的旋转中心向下的偏离，枢轴左右转动时的连杆移动量就变大。偏心轴前 端位置在转向枢轴的上侧时为逆向转向，而下侧为同向转向。

图14. 24转向枢轴 (a)结构；（b)中心状态；（c)逆向状态（（d)同向状态 1一扇形齿轮；2—连杆；3—转向枢轴外圈（4一转向枢轴内圈（5—偏心轴

2) 4WS转换器

4WS转换器部分的结构如图14. 25所示。转换器有主电动机、副电动机、带行星齿轮 的减速机构等组成。通常主电动机转动，副电动机就处于停止状态。副电动机的输出轴与 行星齿轮的中心齿轮相连，齿圈就是4WS转换器的输出轴。通常中心齿轮固定不动，而 与主电动机相连的行星齿轮旋转。因此，行星齿轮围绕着中心齿轮进行“公转”和“自 转”，以此带动4WS转换器的输出齿圈。主电动机不工作时，行星齿轮就变成空转齿轮， 并将副电动机旋转传递到齿圈，使连杆同相位方向旋转。

图14. 25 4WS转换器 1 一偏心轴；2—扇形齿轮；3—输入小齿轮；4一转向枢轴; 7一主电动机；8—连杆；9一转向角比例传感器（10—转向角比例传感器

2 .控制内容

转向电子控制单元ECU通过转向角比例传感器、车速传感器等输入信号，进行以下控制。

1)转向角比例控制

转向角比例控制就是后轮转角和转向盘转角成比例关系变化，在低速区是逆向，而在 高速区是同向对后轮进行操纵控制。 驾驶员通过4WS方式转换开关，可选择常规模式或运动模式。车速主要是由车速表 传感器提供，作为辅助信号是用ABS车速传感器中的一个前轮传感器输入信号。转向角 比例传感器是监测后转向齿轮箱内的连杆旋转角度，根据滑动阻力相应与旋转角的模拟电 压输入到转向电子控制单元ECU。而倒车时，则停止4WS的工作，便于驾驶员驾驶。

2）安全控制

转向角比例传感器异常时，通过副电动机驱动到同相位方向最大值时停止控制。若是 副电动机异常，则用主电机进行同样的控制。 转向电子控制单元ECU异常时，通过副电动机驱动到同相位方向最大值为止，以常 规模式按照车速进行转向角比例控制。 车速传感器异常时，通过主电动机对后轮进行同相位转动角比例控制。

四轮转向系统转向特性分析

1.低速时的转向特性

汽车低速转向时的行驶轨迹，如图14. 20所示。从图中可看到，低速转向时，各车轮 上几乎不产生向心力，4个车轮的前进方向的垂线在一点相交，车辆即以此交点为转向中 心进行转向。对于前轮转向的2WS车，其后轮不转向，转向中心大致在后轴的延长线上， 如图14. 20(a)所示。而4WS车在此时是后轮逆向转动，转向中心就比2WS车的超前并靠 近车体处，如图14.20(b)所示。在低速转向时，若前轮转向角度相同，4WS的车辆的转 向半径更小，内轮也更小，所以转向特性好。一般来说，对于汽车，若后轮逆向转动5C 则可减少最小转弯半径约0. 5m、内轮差约0. 1m。

图14. 20低速转向时的行驶轨迹

(a) 2WS 车;(b) 4WS 车

2. 高速时的转向特性

直行汽车的转向特性是由下列两个运动的合成，即车辆的质心点绕改变前进方向的转 向中心的“公转”和绕质心点的“自转”运动。

理想的高速转向的运动状态是尽可能使车身的向和前进方向一致，以防多余的“自转”运动。对于2WS车高速转向时车辆的运动状态，如图14.21所示，前轮转向时，前轮产生侧偏角，且产生旋转向心力使车体开始“自转”。

当车体出现偏向时，后轮也出现 侧偏角，且产生旋转向心力。4个车轮分担“自转”和“公转”的力，一边平衡一边转 向。由于车速越高，离心力越大，所以必须给前轮更大的侧偏角，使它产生更大的旋转向 心力。

若使后轮也产生与此相对应的侧偏角，车体就会产生更大的“自转”运动。但车速越高，车体的“自转”运动就越不稳定，容易弓丨起车辆的旋转或侧滑。

在4WS的汽车上通过对后轮的同向转向操纵，后轮侧偏角和前轮相同，它与前轮 的旋转向心力相平衡，从而抑制“自转”运动。这样就有可能得到车身方向与车辆前进 方向相一致的稳定转向状态，如图14. 22(b)所示（并且4WS汽车对于直线行驶时的路面 干扰，车身变化小，便于驾驶员修正方向盘，而2WS的汽车则变化较大，如图14.22(a) 所示。

图14.21 2WS汽车高速转向的车辆动态

图14.22高速转向时转向操纵的比较 (a)两轮转向分析；（b)四轮转向分析

四轮转向为什么没有普及
四轮转向可以很好地解决弯道减速问题，很容易实现所谓漂移，也可以降低侧方位停车的难度，但很好奇的是为什么没有普及？汽车四轮转向有何硬伤？
先说说这项技术自身的缺点。显然，要想实现四轮转向，我们就不得不在后轴上增加一整套转向机、转向拉杆，从前还需要有一根转向杆从方向盘传递到后轴，既占空间又增加重量。现在虽然方向盘的转角能通过电信号传递给后轴转向机，但是需要诸多传感器监控车辆状态。无论哪种方式都会增加车辆的复杂性，发生故障的概率也就更大。

另一方面，一时瑜亮的 ESP、TC等电子系统以及能实现左右轮动力分配的四驱系统，都在一定程度上替代了后轮转向的功能，通过将动力分配给外侧车轮或对内侧车轮进行一定程度的制动，都能主动给车辆带来一定的偏航角度，既能实现辅助过弯的功能又能降低重量和复杂性。

四轮转向优越性：

（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。

四轮转向不足性：

（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。
（5）故障率高，可靠性低
（6）驾驶稳定性会差一些

汽车维修网小编总结
说到底，每一项技术都有两面性，除了技术本身的优势，还要考虑增加的重量、空间、故障率和成本，所以我们评价 四轮转向的好坏也要具体分析每款车型上的得与失。
同时，每一项技术也都有其时代特征，主动转向通过后桥转向机构让车辆更灵活，新世纪后牵引力 控制系统等又产生了新的主动转向解决方案。如果我们放眼未来，电动汽车的时代， 轮毂电机的出现或许会带来更夸张的转向技术。

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