总第１１４期２００５年第１０期
西部探矿工程
ＷＥＳＴ－－ＣＨＩＮＡＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ｓｅｒｉｅｓＮｏ．１１４Ｏｃｔ．２００５
文章编号：１００４－－５７１６（２００５）ｌＯ—０１３３一０２中图分类号：Ｕ４６３．４文献标识码：Ｂ
四轮转向汽车运动规律分析
王建胜
（淮阴工学院交通工程系，江苏淮安２２３００１）
摘要：比较了汽车四轮转向的转向特性，概述了四轮转向运动规律，分析总结了四轮转向的控制目标，指出了四轮转向系统所面临的困难，展望了其发展方向。关键词：四轮转向；汽车；运动规律；控制
四轮转向系统（Ｆｏｕｒ—ＷｈｅｅｌＳｔｅｅｒｉｎｇ－－４ＷＳ）是汽车主动底盘技术的重要组成部分。传统的二轮转向汽车有低速时转向响应慢，转向不灵活；高速时方向稳定性差等缺点。
而４ＷＳ汽车的后轮与前轮一样，既可自转也能偏转。当驾驶员转动方向盘后，前后轮几乎同时转向，使汽车改变前进方向，实现转向运动。现代４ＷＳ汽车既能保证汽车低速行驶时转向的机动性，也能保证高速行驶时的操纵稳定性，使车身的横摆和侧倾减小。能有效的克服２ＷＳ汽车的缺点。
１
４ＷＳ汽车转向时的运动规律
四轮转向汽车在转向时，四个车轮并不是同时转向的，各车
轮的偏转方向和转角大小也各不相同。不同的汽车对转向行驶性能要求不同。四轮转向过程中，它的后轮相对于前轮的偏转方向和转角大小，应遵循如下运动规律：
１．１异向偏转
汽车在低速行驶转向并且方向盘转向角度很大时，后轮应相对于前轮异向偏转，如图１（ａ）所示，并且偏转角度应随方向盘转角增大而在一定范围内加大。这种转向方式改善了汽车的机动灵活，降低了最小转弯半径。便于车辆急转弯、掉头行驶、避让障碍物或进出车库。
黧帅芸
吣（ａ）异向偏转
（ｂ）同向偏转
图１异向偏转与同向偏转示意图
１．２
同向偏转
汽车在高速行驶转向时，后轮应与前轮同向偏转。汽车在高行驶时，对于二轮转向汽车，方向盘的轻微转动都会引起汽车明显的横向摆动和振荡，使汽车操纵困难并引起行驶方向不稳定。四轮转向汽车在高速行驶转向时，四个车轮向同一方向偏转，如图１（ｂ）所示，可以使车身的横摆角度和横摆角速度大为减小，从
万
方数据而可以显著提高汽车高速行驶的操纵稳定性。在高速行驶时，方向盘使用小转角转向的频率高，如通过曲率不大的弯道或汽车移线行驶等。这时，四轮转向汽车的前后车轮同向偏转，可以使汽车获得满意的操纵稳定性。相当多的四轮转向汽车都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，而不过份追求汽车低速行驶的转向机动灵活性和减小汽车最小转弯半径。因而一些四轮转向汽车在中、低速行驶时仍只用前轮转向，只有当行车速度超过一定限值后（５０ｋｍ／ｈ），后轮转向机构才投人工作，并且后轮只保持与前轮同向偏转。
２４ＷＳ汽车的转向装置２．１
四轮转向装置基本工作原理
现代４ＷＳ汽车的转向装置是在前轮转向机构的基础上，增
加后轮转向机构组成的，使得车辆在前轮转向的同时，后轮也参与转向。典型的电控４ＷＳ系统主要由前轮转向系统、传感器、电子控制器（ＥＣＵ）、执行机构等组成，如图２。转向时，传感器将车轮的转向信号和车辆的运动信号输入给ＥＣＵ经分析计算将处理后的信号传转向执行机构驱动车轮偏转。同时ＥＣＵ实时监控车辆的运行状况，实时调整后轮转角，实现后轮转向。
ｌ＝二二二二二二二＝四轮转向模式选择开关ｌＩ—ｌ
四轮转向指示灯
车速传感器
卜＋ｌＥ＝二二二二二二二二二＝ｌ二二二二二二二二二．
＝二二二二二二二＝
ｌ反相二轮转向开关卜ｌ，、ｌ二：二二二二二二二二二：
ｌ一［ＳＰＯＲＴ模式指示灯ＪＩ乙Ｉ—ｌ反相二轮转向批示灯｜
一厂］一
——Ｕ备用灯开关
ｌ—ｌ
＝二二二二二二二二＝＝Ｉ．，｜一Ｉ四轮转向控制驱动器Ｉｌ转向角ｔｔ率传感器卜＋Ｉｕ
Ｉ——圈２四轮转向装置电子控制系统图
ｌ一
２．２转向装置类型
随着四轮转向系统的不断发展，出现了各种不同形式的４ＷＳ系统。后轮转向装置从控制方法上可分为转角随动型和车速感应型两种。
（１）转角随动型：转角随动型４ＷＳ汽车的转向装置一般采用机械式转向机构。如图３，当方向盘转角很大时，后轮相对于前轮异向偏转，这时汽车行驶速度一般较低，汽车处于急转弯状
。吨２００５
西部探矿工程
１３４
●●■●●—●●●■■●■●■■■■●■■●—●■●●■■—■■■■●■—■■■■■■■■■■●■■■■■●■●■■■■■—■●●■■●●■■■■●■●●●●——●●●●一Ｉ
Ｎｏ．１０
．
ＩＩＩ－
态。前轮异向偏转，可以减小汽车最小转弯半径，提高汽车转向的机动灵活性。当方向盘转角很小后轮与前轮同向偏转。汽车高速行驶时调整行车方向和移线行驶，都只需小角度转动方向盘；这时前后轮同向偏转，可以减小汽车转向时车身的横摆角度和降低横摆角速度，有利于提高汽车高速行驶的操纵稳定性能。一般地讲．转角随动型后轮转向装置都是采用机械式传动和人
力直接控制。
（５）在轮胎处于附着极限时仍有良好的响应特性。
这些控制目标是相互联系相互影响，四轮转向汽车所采用的控制方法也不尽相同，目前用于一些４ＷＳ汽车上的控制方法
主要有：
（１）前后轮转向比一定的４ＷＳ系统。（２）前后轮转向比是前轮转角的函数。（３）前后轮转向比是车速的函数。（４）具有反相特性的４ＷＳ系统。（５）具有自适应能力的４ＷＳ。
，
一乙
趟援僻喾袋讣
幺＂２０
早期四轮转向控制器的设计是基于线性动力学的假设，但由于汽车在运动过程中动力学参数的不断变化，使原有的控制系统不一定能满足实际情况。当汽车转弯行驶时，若侧向加速度较大，轮胎侧偏特性将进入非线性区域，这时线性控制理论就无能为力。近年来随着计算机技术的发展，人工神经网络理论在汽车四轮转向的控制系统中得到了应用，能够反映轮胎和悬架在
运动过程中的非线性特性。４结束语
学！
２００
．１００・．１０
１３母９＿一鲤０７后轮
’ｎ
图３转角随动型四轮转向汽车前后轮偏转关系
四轮转向系统能有效地提高低速时机动灵活性和高速时的操纵稳定性，从心理和体力上减轻了驾驶员的劳动强度。未来的四轮系统的研究的发展趋势主要集中为：
（１）将人的因素考虑到操纵系统中，研究“人一车一路”所构成的闭环系统。
（２）针对汽车四轮转向系统，进一步开发设计高性能、高精度、高灵敏度的传感器，以便于准确的检测汽车的运动信号。
（３）进一步考虑轮胎的瞬态特性，并将其应用于四轮转向控制模型中。
（４）将最先进的控制理论和控制方法不断的应用到四轮转向控制器的研究中。
（５）进一步开发研究全自动驾驶的四轮转向控制系统。
（２）车速感应型：车速感应型（电子型）四轮转向主要由机械液压系统和电子控制系统两大部分组成，如图４，在转向时后轮偏转的方向和转角的大小要受车速高低控制并且随车速的高低而变化。汽车低速行驶转向时前后轮逆向偏转，有利于减小汽车的最小转弯半径，前后轮的轮迹通道宽度较窄，有利于提高汽车避让障碍物的能力。当汽车高速行驶时，前后轮同向偏转，可以减小汽车转向时的横摆角度和横摆角速度，限制汽车转向时产生发散不稳定和振荡不稳定现象，从而提高汽车高速行驶的操纵稳定性。
５
Ｖｌｎ“
（６）将四轮转向技术与其它安全技术（如ＡＢＳ、ＡＳＲ、ＣＣＳ
……）相结合。
：
饕０
辩雀辑
嶂
ＶＩ
参考文献：
［１］吴基安．汽车电子技术ＥＭ］．北京；人民邮电出版社，１９９９．［２］余志生．汽车理论［Ｍ］．北京：机械工业出版杜，２００２．
［３］潘旭峰，等．现在汽车电子技术［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，
Ｖ０＝０
１９９８．
图４车速感应型四轮转向汽车前后轮偏转关系
［４］崔彬，等．汽车电子技术与应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，１９９８．
３
４ＷＳ的控制
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＭｏｔｉｏｎＣｕｒｖｅｏｆＦｏｕｒ－ｗｈｅｅｌＳｔｅｅｒｉｎｇＭｏｔｏｒＶｅｒｄｅ
随着计算机技术和控制理论不断发展，各种新的控制理论和控制方法在不断地应用于四轮转向系统。
四轮转向系统的控制目标可归纳为：
（１）减小侧向加速度与横摆角速度之间的相位差以及它们各自的相位。
（２）减小汽车质心处的侧偏角。
（３）汽车低速行驶时要具备良好的灵活机动性能，高速时有良好的操纵稳定性。
（４）抵御汽车参数的变化，保持所希望的转向特性。
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
ＷＡＮＧＪｉａｎ－ｓｈｅｎｇ
ｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒ，Ｈｕａｉｙｉｎｌｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨｕａｉａｎＪｉａｎｇｓｕ２２３００１Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔｅｅｒｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｏｍｐａｒｅｄｉｎｔｈｉｓ
ｆｏｕｒ－ｗｈｅｅｌｓｔｅｅｒｉｎｇｍｏｔｏｒｖｅｈｉｃｌｅｉｓ
ｃｕｒｖｅ
ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｍｏｔｉｏｎ
ｏｆｆｏｕｒ－ｗｈｅｅｌ
ｓｔｅｅｒｉｎｇ
ｉｓｄｅ—
ｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ
ｃｏｎｆｒｏｎｔｅｄｂｙｔｈｅｆｏｕｒ－ｗｈｅｅｌｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．
ｃｏｎｔｒｏｌｉｓｐｏｉｎｔｅｄ
ｏｕｔ
ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｕｒ—ｗｈｅｅｌｓｔｅｅｒｉｎｇ，ｍｏｔｏｒｖｅｈｉｃｌｅ，ｍｏｔｉｏｎｃｕｒｖｅ，ｃｏｍｒｏｌ
万方数据
总第１１４期２００５年第１０期
西部探矿工程
ＷＥＳＴ－－ＣＨＩＮＡＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ｓｅｒｉｅｓＮｏ．１１４Ｏｃｔ．２００５
文章编号：１００４－－５７１６（２００５）ｌＯ—０１３３一０２中图分类号：Ｕ４６３．４文献标识码：Ｂ
四轮转向汽车运动规律分析
王建胜
（淮阴工学院交通工程系，江苏淮安２２３００１）
摘要：比较了汽车四轮转向的转向特性，概述了四轮转向运动规律，分析总结了四轮转向的控制目标，指出了四轮转向系统所面临的困难，展望了其发展方向。关键词：四轮转向；汽车；运动规律；控制
四轮转向系统（Ｆｏｕｒ—ＷｈｅｅｌＳｔｅｅｒｉｎｇ－－４ＷＳ）是汽车主动底盘技术的重要组成部分。传统的二轮转向汽车有低速时转向响应慢，转向不灵活；高速时方向稳定性差等缺点。
而４ＷＳ汽车的后轮与前轮一样，既可自转也能偏转。当驾驶员转动方向盘后，前后轮几乎同时转向，使汽车改变前进方向，实现转向运动。现代４ＷＳ汽车既能保证汽车低速行驶时转向的机动性，也能保证高速行驶时的操纵稳定性，使车身的横摆和侧倾减小。能有效的克服２ＷＳ汽车的缺点。
１
４ＷＳ汽车转向时的运动规律
四轮转向汽车在转向时，四个车轮并不是同时转向的，各车
轮的偏转方向和转角大小也各不相同。不同的汽车对转向行驶性能要求不同。四轮转向过程中，它的后轮相对于前轮的偏转方向和转角大小，应遵循如下运动规律：
１．１异向偏转
汽车在低速行驶转向并且方向盘转向角度很大时，后轮应相对于前轮异向偏转，如图１（ａ）所示，并且偏转角度应随方向盘转角增大而在一定范围内加大。这种转向方式改善了汽车的机动灵活，降低了最小转弯半径。便于车辆急转弯、掉头行驶、避让障碍物或进出车库。
黧帅芸
吣（ａ）异向偏转
（ｂ）同向偏转
图１异向偏转与同向偏转示意图
１．２
同向偏转
汽车在高速行驶转向时，后轮应与前轮同向偏转。汽车在高行驶时，对于二轮转向汽车，方向盘的轻微转动都会引起汽车明显的横向摆动和振荡，使汽车操纵困难并引起行驶方向不稳定。四轮转向汽车在高速行驶转向时，四个车轮向同一方向偏转，如图１（ｂ）所示，可以使车身的横摆角度和横摆角速度大为减小，从
万
方数据而可以显著提高汽车高速行驶的操纵稳定性。在高速行驶时，方向盘使用小转角转向的频率高，如通过曲率不大的弯道或汽车移线行驶等。这时，四轮转向汽车的前后车轮同向偏转，可以使汽车获得满意的操纵稳定性。相当多的四轮转向汽车都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，而不过份追求汽车低速行驶的转向机动灵活性和减小汽车最小转弯半径。因而一些四轮转向汽车在中、低速行驶时仍只用前轮转向，只有当行车速度超过一定限值后（５０ｋｍ／ｈ），后轮转向机构才投人工作，并且后轮只保持与前轮同向偏转。
２４ＷＳ汽车的转向装置２．１
四轮转向装置基本工作原理
现代４ＷＳ汽车的转向装置是在前轮转向机构的基础上，增
加后轮转向机构组成的，使得车辆在前轮转向的同时，后轮也参与转向。典型的电控４ＷＳ系统主要由前轮转向系统、传感器、电子控制器（ＥＣＵ）、执行机构等组成，如图２。转向时，传感器将车轮的转向信号和车辆的运动信号输入给ＥＣＵ经分析计算将处理后的信号传转向执行机构驱动车轮偏转。同时ＥＣＵ实时监控车辆的运行状况，实时调整后轮转角，实现后轮转向。
ｌ＝二二二二二二二＝四轮转向模式选择开关ｌＩ—ｌ
四轮转向指示灯
车速传感器
卜＋ｌＥ＝二二二二二二二二二＝ｌ二二二二二二二二二．
＝二二二二二二二＝
ｌ反相二轮转向开关卜ｌ，、ｌ二：二二二二二二二二二：
ｌ一［ＳＰＯＲＴ模式指示灯ＪＩ乙Ｉ—ｌ反相二轮转向批示灯｜
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——Ｕ备用灯开关
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＝二二二二二二二二＝＝Ｉ．，｜一Ｉ四轮转向控制驱动器Ｉｌ转向角ｔｔ率传感器卜＋Ｉｕ
Ｉ——圈２四轮转向装置电子控制系统图
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２．２转向装置类型
随着四轮转向系统的不断发展，出现了各种不同形式的４ＷＳ系统。后轮转向装置从控制方法上可分为转角随动型和车速感应型两种。
（１）转角随动型：转角随动型４ＷＳ汽车的转向装置一般采用机械式转向机构。如图３，当方向盘转角很大时，后轮相对于前轮异向偏转，这时汽车行驶速度一般较低，汽车处于急转弯状
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力直接控制。
（５）在轮胎处于附着极限时仍有良好的响应特性。
这些控制目标是相互联系相互影响，四轮转向汽车所采用的控制方法也不尽相同，目前用于一些４ＷＳ汽车上的控制方法
主要有：
（１）前后轮转向比一定的４ＷＳ系统。（２）前后轮转向比是前轮转角的函数。（３）前后轮转向比是车速的函数。（４）具有反相特性的４ＷＳ系统。（５）具有自适应能力的４ＷＳ。
，
一乙
趟援僻喾袋讣
幺＂２０
早期四轮转向控制器的设计是基于线性动力学的假设，但由于汽车在运动过程中动力学参数的不断变化，使原有的控制系统不一定能满足实际情况。当汽车转弯行驶时，若侧向加速度较大，轮胎侧偏特性将进入非线性区域，这时线性控制理论就无能为力。近年来随着计算机技术的发展，人工神经网络理论在汽车四轮转向的控制系统中得到了应用，能够反映轮胎和悬架在
运动过程中的非线性特性。４结束语
学！
２００
．１００・．１０
１３母９＿一鲤０７后轮
’ｎ
图３转角随动型四轮转向汽车前后轮偏转关系
四轮转向系统能有效地提高低速时机动灵活性和高速时的操纵稳定性，从心理和体力上减轻了驾驶员的劳动强度。未来的四轮系统的研究的发展趋势主要集中为：
（１）将人的因素考虑到操纵系统中，研究“人一车一路”所构成的闭环系统。
（２）针对汽车四轮转向系统，进一步开发设计高性能、高精度、高灵敏度的传感器，以便于准确的检测汽车的运动信号。
（３）进一步考虑轮胎的瞬态特性，并将其应用于四轮转向控制模型中。
（４）将最先进的控制理论和控制方法不断的应用到四轮转向控制器的研究中。
（５）进一步开发研究全自动驾驶的四轮转向控制系统。
（２）车速感应型：车速感应型（电子型）四轮转向主要由机械液压系统和电子控制系统两大部分组成，如图４，在转向时后轮偏转的方向和转角的大小要受车速高低控制并且随车速的高低而变化。汽车低速行驶转向时前后轮逆向偏转，有利于减小汽车的最小转弯半径，前后轮的轮迹通道宽度较窄，有利于提高汽车避让障碍物的能力。当汽车高速行驶时，前后轮同向偏转，可以减小汽车转向时的横摆角度和横摆角速度，限制汽车转向时产生发散不稳定和振荡不稳定现象，从而提高汽车高速行驶的操纵稳定性。
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（６）将四轮转向技术与其它安全技术（如ＡＢＳ、ＡＳＲ、ＣＣＳ
……）相结合。
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辩雀辑
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ＶＩ
参考文献：
［１］吴基安．汽车电子技术ＥＭ］．北京；人民邮电出版社，１９９９．［２］余志生．汽车理论［Ｍ］．北京：机械工业出版杜，２００２．
［３］潘旭峰，等．现在汽车电子技术［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，
Ｖ０＝０
１９９８．
图４车速感应型四轮转向汽车前后轮偏转关系
［４］崔彬，等．汽车电子技术与应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，１９９８．
３
４ＷＳ的控制
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＭｏｔｉｏｎＣｕｒｖｅｏｆＦｏｕｒ－ｗｈｅｅｌＳｔｅｅｒｉｎｇＭｏｔｏｒＶｅｒｄｅ
随着计算机技术和控制理论不断发展，各种新的控制理论和控制方法在不断地应用于四轮转向系统。
四轮转向系统的控制目标可归纳为：
（１）减小侧向加速度与横摆角速度之间的相位差以及它们各自的相位。
（２）减小汽车质心处的侧偏角。
（３）汽车低速行驶时要具备良好的灵活机动性能，高速时有良好的操纵稳定性。
（４）抵御汽车参数的变化，保持所希望的转向特性。
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
ＷＡＮＧＪｉａｎ－ｓｈｅｎｇ
ｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒ，Ｈｕａｉｙｉｎｌｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨｕａｉａｎＪｉａｎｇｓｕ２２３００１Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔｅｅｒｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｏｍｐａｒｅｄｉｎｔｈｉｓ
ｆｏｕｒ－ｗｈｅｅｌｓｔｅｅｒｉｎｇｍｏｔｏｒｖｅｈｉｃｌｅｉｓ
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ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｍｏｔｉｏｎ
ｏｆｆｏｕｒ－ｗｈｅｅｌ
ｓｔｅｅｒｉｎｇ
ｉｓｄｅ—
ｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ
ｃｏｎｆｒｏｎｔｅｄｂｙｔｈｅｆｏｕｒ－ｗｈｅｅｌｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．
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ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｕｒ—ｗｈｅｅｌｓｔｅｅｒｉｎｇ，ｍｏｔｏｒｖｅｈｉｃｌｅ，ｍｏｔｉｏｎｃｕｒｖｅ，ｃｏｍｒｏｌ
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