汽车后轮转向的发展及分类介绍

智能汽车电子与软件 2024-05-25 17:01 1015浏览 0评论 0点赞

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对大部分汽车来说，汽车在转向时会通过前轮转动来控制车辆的方向，此时的后轮一般只是起到从动、保持稳定的作用。转向半径是考量一台车灵活性的重要参数，一般来说，车身越长、轴距越长的车型，转向半径越大。转向半径越大，车辆的灵活性就越差。为了解决汽车转向半径过大这个难题，汽车厂家研发出了后轮转向技术。本文将带您深入了解后轮转向的发展历程、分类以及它在现代汽车技术中的重要性。

后轮转向的应用和发展历程

其实，后轮转向技术最开始是由日本企业发明和推广的，随后在二十一世纪初，国际上一、二线的一些欧美企业才开始逐渐应用，现在已经成为一些豪华车型和一些性能跑车的标配。

1.1初期探索（20世纪初期）：

后轮转向的概念最早可以追溯到20世纪初期。当时的汽车设计师和工程师们开始探索如何通过让后轮参与转向来提高车辆的操控性和灵活性。然而，由于技术和成本的限制，这些早期的尝试并未得到广泛的应用。

1.2技术发展（20世纪中后期）：

在二十世纪60年代和70年代，日本的汽车生产制造商马自达和本田公司高调的宣布投入到后轮转向的技术研究。

紧接着，在80年代，日产宣布将HICAS（电控液压主动转向）系统首次搭载在乘用车上。

1987年时，马自达也将自己研发的基于车速感应型的四轮转向系统应用于乘用车上。

1.3商业化应用（21世纪初期）：

在2001年，美国通用公司的一款轻卡Sietta C3的车型上就装备了四轮转向系统，将其转弯直径从14.1m直接减小至11.4m。

在2008年，那时候搭载了四轮转向系统的全新宝马7系正式上市。

随后在2011年时，英菲尼迪M37S上市，它通过电磁阀控制悬挂轴套变形来实现后轮转向。

随后在更多的量产车型中，尤其是高端汽车品牌上，基于不同的需求，都配备了四轮转向系统。

1.4现代应用（21世纪10年代至今）：

在现代，后轮转向技术已经相当成熟，被广泛应用于各种类型的车辆中，包括豪华轿车、SUV和超级跑车。这项技术不仅提高了车辆的操控性和灵活性，还显著增强了高速行驶时的稳定性和安全性。随着自动驾驶技术的发展，后轮转向在提高车辆的路径跟踪能力和整体稳定性方面发挥着越来越重要的作用。

后轮转向的分类

在传统的汽车设计中，只有前轮负责转向，而后轮则是固定的。后轮转向技术的核心在于，它使后轮也能够根据特定的驾驶条件进行转向。这种转向可以是与前轮同向（提高高速稳定性）或反向（增加低速灵活性），甚至可以是独立于前轮的转向（提高操控性）。

后轮转向示意图

后轮转向技术主要可以分为两大类：被动转向和主动转向。这两类后轮转向技术各有特点，适用于不同的车辆类型和驾驶场景。

2.1被动转向（Passive Rear Steering）：

被动后轮转向（Passive Rear Steering）是一种不需要电子控制单元（ECU）或电机等电子设备介入的后轮转向技术。与主动后轮转向（Active Rear Steering）相比，被动后轮转向不提供实时调整后轮角度的能力，而是依赖于车辆设计中的几何关系和动态特性来实现后轮的转向效果。这种系统结构相对简单，成本较低，不需要复杂的电子控制单元。但它提供的转向效果有限，且无法根据不同的驾驶条件进行调整。

被动后轮转向的工作原理通常与车辆的悬挂系统、车轮定位和车轮几何有关。

以下是一些实现被动后轮转向的方法：

悬挂几何设计：

通过设计特定的悬挂几何，如采用可变后轮前束或后轮束角，来实现后轮的被动转向。

车轮定位：

通过调整车辆的转向几何，如转向轴线和车轮中心的相对位置，来改变车辆的转向特性。

车轮运动学：

利用车轮在行驶中的运动学特性，如侧倾或俯仰，来影响车辆的转向行为。

车辆动态响应：

通过车辆在行驶中的动态响应，如侧滑或过度转向，来改变后轮的轨迹。

被动后轮转向的主要优点是系统简单，不需要复杂的电子设备和控制系统，因此在一些传统的车辆设计中得到应用。然而，这种转向方式通常不如主动后轮转向灵活，也无法根据不同的驾驶条件进行实时调整。被动后轮转向在某些高性能车辆中也有应用，如赛车的设计中，通过悬挂系统的特殊设计来实现后轮的转向效果，以提高车辆的操控性和稳定性。此外，一些高性能的改装车辆也会采用被动后轮转向的策略，以优化车辆的驾驶性能。

2.1.1 典型被动后轮转向系统应用：

Saab ReAxs 是一种独特的被动后轮转向系统。该系统确保精确的转向，能大大改善轨迹稳定性，即使在高速时猛烈刹车时的情况下。在转弯时利用后轮轻微转向以辅助车身顺利过弯，保持行车轨迹。配合独立多连杆后悬挂，在跑车化调校的底盘下，为你提供更强大的过弯性能和行驶稳定性。

Saab萨博ReAxs被动式后轮转向后悬挂中的轴踵连杆和使用球节(而不使用内侧和外侧橡胶悬挂套管),可以更好地控制车轮运动。因此，在有转弯负荷时，后轴的弹性运动特性会造成两个后轮在与转向输入相反的方向上进行很小的偏转，即外轮外倾，内轮内倾。

根据行车速度和转弯半径的情况(它们将改变后轴的载荷)，前轮的一度转向运动一般会在后轮产生一个很小但很重要的约1%度的偏转。这足以预防过度的转向不足。协助车尾追随其前轮(而不是车鼻)的方向。对于驾驶员来说，这样会让汽车有更好的平衡性，让驾驶更加充满乐趣，可帮助汽车向里转向并对转向输入进行更接近的反应。

2.2主动转向（Active Rear Steering）：

主动后轮转向（Active Rear Steering）是一种高级的汽车转向技术，它允许车辆的后轮在行驶过程中根据特定的条件进行转向。这种转向可以是与前轮同向或反向，甚至可以独立于前轮的转向。主动后轮转向的主要目的是提高车辆的操控性、稳定性和灵活性，从而提升驾驶体验和行车安全。

其工作原理基于先进的电子控制技术，它允许后轮在车辆行驶过程中根据不同的条件进行转向。这一系统通常包括传感器、控制单元和执行机构三个主要部分。

含后轮转向的系统框架简图

带有后轮转向功能的车辆可以调整前轮和后轮以转向车辆。这可以实现更大的响应性和提高稳定性。

车辆的后轮方向可以由位于每个车轮的独立电机或后轴上的单个电机控制。后轮可以与前轮同向旋转（“同相位”）以在高速行驶时提供更稳定的操控。在低速时，后轮也可以与前轮反向旋转（“反相位”）以改善转弯。

最后，在紧急刹车时，后轮可能会“内八字”以提高稳定性。根据后轮执行器的实现方式，可用的后轮配置可能受到限制（例如，集中式后轮转向可能无法提供“内八字”位置）。

2.2.1 主动后轮转向的系统构成包括：

1、传感器：这些传感器负责收集车辆的实时数据，如车速、转向角度、车辆动态等。这些数据是后轮转向系统决策的基础。这些传感器可以是轮速传感器、转向角度传感器、横向加速度传感器等。

从含后轮转向的系统框架简图中可以看出，后轮转向行程位置传感器的质量好坏决定了性能表现,对后轮位置传感器的功能安全目标诸如：

（1）后轮位置传感器旨在在所有车辆运行条件下测量/检测后轮的位置。测量的后轮位置需要经过验证以确认其有效性和正确性。

如：如使用注入故障法：

向EPS控制模块传输非零的后轮测量值。对从后轮位置传感器到EPS控制模块的连接进行电磁干扰（EMI）和静电放电（ESD）干扰的测试。存储后轮位置传感器的错误校准数据。模拟后轮位置传感器电源的丢失。模拟后轮位置传感器连接中的短路。模拟后轮位置传感器与EPS控制模块之间的连接短路。

这些故障案例涉及的后轮位置传感器是电子助力转向（EPS）系统的重要组成部分，用于提供后轮的位置信息。如果这些传感器出现故障或存储了错误的数据，可能会导致EPS系统无法准确地控制车辆的转向，从而影响车辆的操控性和安全性。因此，这些故障案例需要通过严格的测试和验证来确保传感器的可靠性和准确性。

（2）后轮位置传感器应具备诊断功能，以检测由电磁兼容性/电磁干扰（EMC/EMI）、静电放电（ESD）、污染、单事件效应以及其他环境条件引起的与安全相关的故障。如：EPS（电动助力转向）后轮位置传感器电路包括

以下几种故障类型：

范围/性能故障：

后轮位置传感器无法正确检测后轮的位置，可能导致转向系统无法准确控制后轮。

低电平故障：

传感器电路无法提供正确的信号电压，可能影响转向系统的正常工作。

高电平故障：

传感器电路可能产生错误的信号电压，影响转向系统的准确性和可靠性。

间歇性故障：

传感器电路可能间歇性地失效，导致转向系统无法持续稳定工作。

这些故障类型可能会导致转向系统无法准确控制后轮，从而影响车辆的操控性能和安全性。因此，对于EPS后轮位置传感器电路，需要进行严格的测试和验证，以确保其可靠性和准确性。同时，车辆制造商和维护人员应定期检查和维护传感器电路，以防止这些故障的发生。

（3）单点后轮位置传感器硬件故障都应在故障检测间隔内被检测到，并在故障探测与响应间隔（FTTI）内得到缓解。

用于电动后轮转向的行程位置传感器

该传感器引起的风险如：

表中的第一个故障模式描述了后轮位置传感器（例如，内部短路）的硬件故障。如果后轮位置传感器向EPS控制模块提供错误的数据，EPS控制模块可能会认为它在使后轮居中，而实际上它正在将它们移出中心位置。

表中的第二个故障模式描述了其他车辆组件的电磁干扰（EMI）或静电放电（ESD）如何影响从后轮位置传感器到EPS控制模块的连接。如果这影响了后轮位置的测量，EPS可能会错误地控制后轮的位置。

2、控制单元（ECU）：控制单元是后轮转向系统的“大脑”。它接收传感器的数据，收集到的数据被发送到车辆的中央控制单元（ECU），也就是车辆的“大脑”。ECU根据这些数据以及预先设定的算法，计算出后轮应该转动的角度和方向。

3、执行机构：执行机构负责根据ECU的指令调整后轮的角度。后轮转向执行机构通常是一套电动或液压驱动的转向机构，它根据ECU的指令来调整后轮的角度，在电动转向系统中，通常使用电动机来驱动转向齿轮或转向拉杆，从而改变后轮的方向。

4、转向模式：主动后轮转向系统可以根据不同的驾驶条件，自动或手动切换不同的转向模式，如高速模式、低速模式和中性模式。

后轮转向系统可以根据不同的驾驶条件，自动或手动切换不同的转向模式：

高速模式：在高速行驶时，后轮与前轮同向转向，有助于提高车辆的稳定性和循迹性，减少侧风对车辆的影响。

低速模式：在低速行驶，尤其是在泊车或进行狭小空间操作时，后轮与前轮反向转向，有效减小车辆的转弯半径，提高车辆的灵活性。

中性模式：在某些情况下，后轮保持直行，不进行额外的转向。

ZF_AKC原理介绍简图

5、动力源：主动后轮转向系统需要电源来驱动其执行机构。这可以是车辆的电池系统，或者是一个专门的后轮转向电源。

6、通信网络：后轮转向系统需要与其他车辆系统（如刹车系统、加速系统和稳定控制系统）进行通信，以确保车辆的整体协调和性能。

7、用户界面：在一些车型中，后轮转向系统可能包括一个用户界面，允许驾驶员根据个人偏好调整后轮转向设置。

主动转向系统使用电子控制单元（ECU）来控制后轮的转向角度。ECU根据车辆的实时数据（如车速、转向角度、车辆动态等）来调整后轮的转向。这种系统可以提供更加灵活和动态的转向响应，能够根据不同的驾驶条件（如高速行驶或低速泊车）自动调整后轮转向策略。它通常提供更好的操控性和驾驶体验，但成本和复杂性相对较高。

2.2.2 典型主动后轮转向应用：

例如保时捷911GT3，它的后轮转向机构重量不到3kg，可以使后轮实现最大6度的转向，并能够提供高达4000N的转向力度。其有一点与常见后轮主动转向系统不同的是，它由内部的两套电机单独控制两个后轮，由此实现了左右两个后轮的独立控制，这使它能够有着更高的操控极限，当然这对控制系统的要求就更高了。

来源:ATC汽车底盘

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