四輪轉向系統（4WS)
為了提高汽車轉向特性和機動性，現在少數轎車采用了四輪轉向系統（4WS)(four-wheel steering)。
什麼是四輪轉向系統呢？四輪轉向系統的後輪與前輪一起參與轉向，是一種提高車輛機動性和穩定性的關鍵技術。後輪與前輪同相位轉向，可以減小車輛轉向時的旋轉運動，改善高速行駛的穩定性。使後輪與前輪逆相位轉向，能夠改善車輛中低速行駛的操縱性，提高快速轉向性。
2005年推出的Jeep Hurricane概念車據說可以實現原地掉頭
四輪轉向的由來 通常軸距越短的車越容易改變行駛軌跡，不論是在郊外的羊腸小道、老城的小胡同還是在賽道上。但是汽車是有功能屬性的，比如卡車要載貨、公交要拉人，家用車太小也會影響空間，而且軸距越短越不利於直線穩定性，這也是賽車不能軸距過短的原因。 為了解決實用性/直線穩定性和靈活性這個矛盾，工程師們想到了四輪轉向甚至多輪轉向這個方案。
四輪轉向技術及解決了如下幾種需求：
▎體積巨大的卡車或公交車在狹窄的道路上靈活移動；
▎具備一定裝載能力的越野車在復雜路況的脫困能力；
▎提升運動型汽車的彎道操控性。
圖14.23豐田四輪轉向系統4WS的布置圖
1一車輪轉速傳感器（2—橫拉桿；3—輸出齒輪；4一方向盤；5—連接軸；6—輸人軸； 7一後橫拉桿；8—轉向樞軸；9一伺服電動機；10—4WS轉換器；11一主電動機； 12—轉向角比傳感器（13—扇形齒輪
轉向時，轉向盤的旋轉傳遞到齒輪齒條轉向器，由齒輪帶動橫拉桿左右運動，使前輪 轉向。同時，輸出齒輪向後輸出動力，通過連接軸傳給後輪輪齒機構。
1) 轉向樞軸 後轉向齒輪箱的轉向樞軸是一個大軸承，如圖14. 24所示，其外圈與扇形齒輪成為一體，圍繞樞軸可左右轉動（內圈與連桿突出的偏心軸相連接，連桿由4WS轉換器的電動機帶動繞自身軸線做正反轉動，偏心軸在轉向樞軸機構內可上下回轉約55°。www.qcwxjs.com 轉向時，通 過連接軸的輸人使小齒輪向左或向右旋轉時，旋轉力就傳遞到扇形齒輪，再由轉向樞軸通 過偏心軸使連桿向左右方向移動。連桿帶動後轉向臂拉桿和後轉向節臂實現後輪的轉向。 由於樞軸與偏心軸的運動，形成後輪的同向和逆向的轉向。偏心軸的前端與樞軸左右旋轉 中心重合時，即使轉向樞軸左右轉動，連桿也完全不動，後輪處於中立狀態。隨著偏心軸 前端位置與樞軸的旋轉中心向下的偏離，樞軸左右轉動時的連桿移動量就變大。偏心軸前 端位置在轉向樞軸的上側時為逆向轉向，而下側為同向轉向。
圖14. 24轉向樞軸 (a)結構；（b)中心狀態；（c)逆向狀態（（d)同向狀態 1一扇形齒輪；2—連桿；3—轉向樞軸外圈（4一轉向樞軸內圈（5—偏心軸
2) 4WS轉換器 4WS轉換器部分的結構如圖14. 25所示。轉換器有主電動機、副電動機、帶行星齒輪 的減速機構等組成。通常主電動機轉動，副電動機就處於停止狀態。副電動機的輸出軸與 行星齒輪的中心齒輪相連，齒圈就是4WS轉換器的輸出軸。通常中心齒輪固定不動，而 與主電動機相連的行星齒輪旋轉。因此，行星齒輪圍繞著中心齒輪進行“公轉”和“自 轉”，以此帶動4WS轉換器的輸出齒圈。主電動機不工作時，行星齒輪就變成空轉齒輪， 並將副電動機旋轉傳遞到齒圈，使連桿同相位方向旋轉。
圖14. 25 4WS轉換器 1 一偏心軸；2—扇形齒輪；3—輸入小齒輪；4一轉向樞軸; 7一主電動機；8—連桿；9一轉向角比例傳感器（10—轉向角比例傳感器
2 .控制內容 轉向電子控制單元ECU通過轉向角比例傳感器、車速傳感器等輸入信號，進行以下控制。 1)轉向角比例控制 轉向角比例控制就是後輪轉角和轉向盤轉角成比例關系變化，在低速區是逆向，而在 高速區是同向對後輪進行操縱控制。 駕駛員通過4WS方式轉換開關，可選擇常規模式或運動模式。車速主要是由車速表 傳感器提供，作為輔助信號是用ABS車速傳感器中的一個前輪傳感器輸入信號。轉向角 比例傳感器是監測後轉向齒輪箱內的連桿旋轉角度，根據滑動阻力相應與旋轉角的模擬電 壓輸入到轉向電子控制單元ECU。而倒車時，則停止4WS的工作，便於駕駛員駕駛。www.qcwxjs.com 2）安全控制 轉向角比例傳感器異常時，通過副電動機驅動到同相位方向最大值時停止控制。若是 副電動機異常，則用主電機進行同樣的控制。 轉向電子控制單元ECU異常時，通過副電動機驅動到同相位方向最大值為止，以常 規模式按照車速進行轉向角比例控制。 車速傳感器異常時，通過主電動機對後輪進行同相位轉動角比例控制。
四輪轉向系統轉向特性分析
1.低速時的轉向特性
汽車低速轉向時的行駛軌跡，如圖14. 20所示。從圖中可看到，低速轉向時，各車輪 上幾乎不產生向心力，4個車輪的前進方向的垂線在一點相交，車輛即以此交點為轉向中 心進行轉向。對於前輪轉向的2WS車，其後輪不轉向，轉向中心大致在後軸的延長線上， 如圖14. 20(a)所示。而4WS車在此時是後輪逆向轉動，轉向中心就比2WS車的超前並靠 近車體處，如圖14.20(b)所示。在低速轉向時，若前輪轉向角度相同，4WS的車輛的轉 向半徑更小，內輪也更小，所以轉向特性好。一般來說，對於轎車，若後輪逆向轉動5C 則可減少最小轉彎半徑約0. 5m、內輪差約0. 1m。
圖14. 20低速轉向時的行駛軌跡
(a) 2WS 車;(b) 4WS 車
2. 高速時的轉向特性
直行汽車的轉向特性是由下列兩個運動的合成，即車輛的質心點繞改變前進方向的轉 向中心的“公轉”和繞質心點的“自轉”運動。
理想的高速轉向的運動狀態是盡可能使車身的向和前進方向一致，以防多余的“自轉”運動。對於2WS車高速轉向時車輛的運動狀態，如圖14.21所示，前輪轉向時，前輪產生側偏角，且產生旋轉向心力使車體開始“自轉”。
當車體出現偏向時，後輪也出現 側偏角，且產生旋轉向心力。4個車輪分擔“自轉”和“公轉”的力，一邊平衡一邊轉 向。由於車速越高，離心力越大，所以必須給前輪更大的側偏角，使它產生更大的旋轉向 心力。
若使後輪也產生與此相對應的側偏角，車體就會產生更大的“自轉”運動。但車速越高，車體的“自轉”運動就越不穩定，容易弓丨起車輛的旋轉或側滑。
在4WS的汽車上通過對後輪的同向轉向操縱，後輪側偏角和前輪相同，它與前輪 的旋轉向心力相平衡，從而抑制“自轉”運動。這樣就有可能得到車身方向與車輛前進 方向相一致的穩定轉向狀態，如圖14. 22(b)所示（並且4WS汽車對於直線行駛時的路面 干擾，車身變化小，便於駕駛員修正方向盤，而2WS的汽車則變化較大，如圖14.22(a) 所示。
圖14.21 2WS汽車高速轉向的車輛動態
圖14.22高速轉向時轉向操縱的比較
(a)兩輪轉向分析；（b)四輪轉向分析
四輪轉向為什麼沒有普及
四輪轉向可以很好地解決彎道減速問題，很容易實現所謂漂移，也可以降低側方位停車的難度，但很好奇的是為什麼沒有普及？汽車四輪轉向有何硬傷？
先說說這項技術自身的缺點。顯然，要想實現四輪轉向，我們就不得不在後軸上增加一整套轉向機、轉向拉桿，從前還需要有一根轉向桿從方向盤傳遞到後軸，既占空間又增加重量。現在雖然方向盤的轉角能通過電信號傳遞給後軸轉向機，但是需要諸多傳感器監控車輛狀態。無論哪種方式都會增加車輛的復雜性，發生故障的概率也就更大。www.qcwxjs.com
另一方面，一時瑜亮的ESP、TC等電子系統以及能實現左右輪動力分配的四驅系統，都在一定程度上替代了後輪轉向的功能，通過將動力分配給外側車輪或對內側車輪進行一定程度的制動，都能主動給車輛帶來一定的偏航角度，既能實現輔助過彎的功能又能降低重量和復雜性。
四輪轉向優越性：
（１）轉向操作的響應加快，准確性提高。
www.qcwxjs.com
（２）轉向操作的機動靈活性和行駛穩定性提高。
（３）抗側向干擾的穩定性效果好。
（４）超車時，變換車道更容易，減小了汽車產生擺尾和側滑的可能性。
四輪轉向不足性：
（１）低速轉向時，汽車尾部容易碰到障礙物。
（２）實現理想控制的技術難度大。
（３）轉向系統結構復雜、成本高。
（４）轉向過程中，阿克曼定理難保證。
（5）故障率高，可靠性低
（6）駕駛穩定性會差一些
小編總結
說到底，每一項技術都有兩面性，除了技術本身的優勢，還要考慮增加的重量、空間、故障率和成本，所以我們評價四輪轉向的好壞也要具體分析每款車型上的得與失。
同時，每一項技術也都有其時代特征，主動轉向通過後橋轉向機構讓車輛更靈活，新世紀後牽引力控制系統等又產生了新的主動轉向解決方案。如果我們放眼未來，電動汽車的時代，輪毂電機的出現或許會帶來更誇張的轉向技術。
