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。www.qcwxjs.com

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°。www.qcwxjs.com

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。www.qcwxjs.com

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。www.qcwxjs.com

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。
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（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。