汽車后輪轉(zhuǎn)向的發(fā)展及分類介紹

對(duì)大部分汽車來(lái)說(shuō)，汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)通過(guò)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制車輛的方向，此時(shí)的后輪一般只是起到從動(dòng)、保持穩(wěn)定的作用。轉(zhuǎn)向半徑是考量一臺(tái)車靈活性的重要參數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，車身越長(zhǎng)、軸距越長(zhǎng)的車型，轉(zhuǎn)向半徑越大。轉(zhuǎn)向半徑越大，車輛的靈活性就越差。為了解決汽車轉(zhuǎn)向半徑過(guò)大這個(gè)難題，汽車廠家研發(fā)出了后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。本文將帶您深入了解后輪轉(zhuǎn)向的發(fā)展歷程、分類以及它在現(xiàn)代汽車技術(shù)中的重要性。

01后輪轉(zhuǎn)向的應(yīng)用和發(fā)展歷程

其實(shí)，后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)最開始是由日本企業(yè)發(fā)明和推廣的，隨后在二十一世紀(jì)初，國(guó)際上一、二線的一些歐美企業(yè)才開始逐漸應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)成為一些豪華車型和一些性能跑車的標(biāo)配。

1.1初期探索（20世紀(jì)初期）：

后輪轉(zhuǎn)向的概念最早可以追溯到20世紀(jì)初期。當(dāng)時(shí)的汽車設(shè)計(jì)師和工程師們開始探索如何通過(guò)讓后輪參與轉(zhuǎn)向來(lái)提高車輛的操控性和靈活性。然而，由于技術(shù)和成本的限制，這些早期的嘗試并未得到廣泛的應(yīng)用。

1.2技術(shù)發(fā)展（20世紀(jì)中后期）：

在二十世紀(jì)60年代和70年代，日本的汽車生產(chǎn)制造商馬自達(dá)和本田公司高調(diào)的宣布投入到后輪轉(zhuǎn)向的技術(shù)研究。

緊接著，在80年代，日產(chǎn)宣布將HICAS（電控液壓主動(dòng)轉(zhuǎn)向）系統(tǒng)首次搭載在乘用車上。1987年時(shí)，馬自達(dá)也將自己研發(fā)的基于車速感應(yīng)型的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于乘用車上。

1.3商業(yè)化應(yīng)用（21世紀(jì)初期）：

在2001年，美國(guó)通用公司的一款輕卡Sietta C3的車型上就裝備了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將其轉(zhuǎn)彎直徑從14.1m直接減小至11.4m。

在2008年，那時(shí)候搭載了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的全新寶馬7系正式上市。隨后在2011年時(shí)，英菲尼迪M37S上市，它通過(guò)電磁閥控制懸掛軸套變形來(lái)實(shí)現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)向。隨后在更多的量產(chǎn)車型中，尤其是高端汽車品牌上，基于不同的需求，都配備了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1.4  現(xiàn)代應(yīng)用（21世紀(jì)10年代至今）：

在現(xiàn)代，后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，被廣泛應(yīng)用于各種類型的車輛中，包括豪華轎車、SUV和超級(jí)跑車。這項(xiàng)技術(shù)不僅提高了車輛的操控性和靈活性，還顯著增強(qiáng)了高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，后輪轉(zhuǎn)向在提高車輛的路徑跟蹤能力和整體穩(wěn)定性方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

02 后輪轉(zhuǎn)向的分類

在傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)中，只有前輪負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向，而后輪則是固定的。后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的核心在于，它使后輪也能夠根據(jù)特定的駕駛條件進(jìn)行轉(zhuǎn)向。這種轉(zhuǎn)向可以是與前輪同向（提高高速穩(wěn)定性）或反向（增加低速靈活性），甚至可以是獨(dú)立于前輪的轉(zhuǎn)向（提高操控性）。

后輪轉(zhuǎn)向示意圖后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)主要可以分為兩大類：被動(dòng)轉(zhuǎn)向和主動(dòng)轉(zhuǎn)向。這兩類后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)各有特點(diǎn)，適用于不同的車輛類型和駕駛場(chǎng)景。

2.1被動(dòng)轉(zhuǎn)向（Passive Rear Steering）：

被動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向（Passive Rear Steering）是一種不需要電子控制單元（ECU）或電機(jī)等電子設(shè)備介入的后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。與主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向（Active Rear Steering）相比，被動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向不提供實(shí)時(shí)調(diào)整后輪角度的能力，而是依賴于車輛設(shè)計(jì)中的幾何關(guān)系和動(dòng)態(tài)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)后輪的轉(zhuǎn)向效果。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，不需要復(fù)雜的電子控制單元。但它提供的轉(zhuǎn)向效果有限，且無(wú)法根據(jù)不同的駕駛條件進(jìn)行調(diào)整。

被動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的工作原理通常與車輛的懸掛系統(tǒng)、車輪定位和車輪幾何有關(guān)。

以下是一些實(shí)現(xiàn)被動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的方法：

懸掛幾何設(shè)計(jì)：

通過(guò)設(shè)計(jì)特定的懸掛幾何，如采用可變后輪前束或后輪束角，來(lái)實(shí)現(xiàn)后輪的被動(dòng)轉(zhuǎn)向。

車輪定位：

通過(guò)調(diào)整車輛的轉(zhuǎn)向幾何，如轉(zhuǎn)向軸線和車輪中心的相對(duì)位置，來(lái)改變車輛的轉(zhuǎn)向特性。

車輪運(yùn)動(dòng)學(xué)：

利用車輪在行駛中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，如側(cè)傾或俯仰，來(lái)影響車輛的轉(zhuǎn)向行為。

車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)：

通過(guò)車輛在行駛中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如側(cè)滑或過(guò)度轉(zhuǎn)向，來(lái)改變后輪的軌跡。

被動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的電子設(shè)備和控制系統(tǒng)，因此在一些傳統(tǒng)的車輛設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。然而，這種轉(zhuǎn)向方式通常不如主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向靈活，也無(wú)法根據(jù)不同的駕駛條件進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。被動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向在某些高性能車輛中也有應(yīng)用，如賽車的設(shè)計(jì)中，通過(guò)懸掛系統(tǒng)的特殊設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)后輪的轉(zhuǎn)向效果，以提高車輛的操控性和穩(wěn)定性。此外，一些高性能的改裝車輛也會(huì)采用被動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的策略，以優(yōu)化車輛的駕駛性能。

2.1.1 典型被動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用：

Saab ReAxs 是一種獨(dú)特的被動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)確保精確的轉(zhuǎn)向，能大大改善軌跡穩(wěn)定性，即使在高速時(shí)猛烈剎車時(shí)的情況下。在轉(zhuǎn)彎時(shí)利用后輪輕微轉(zhuǎn)向以輔助車身順利過(guò)彎，保持行車軌跡。配合獨(dú)立多連桿后懸掛，在跑車化調(diào)校的底盤下，為你提供更強(qiáng)大的過(guò)彎性能和行駛穩(wěn)定性。

Saab薩博ReAxs被動(dòng)式后輪轉(zhuǎn)向后懸掛中的軸踵連桿和使用球節(jié)(而不使用內(nèi)側(cè)和外側(cè)橡膠懸掛套管),可以更好地控制車輪運(yùn)動(dòng)。因此，在有轉(zhuǎn)彎負(fù)荷時(shí)，后軸的彈性運(yùn)動(dòng)特性會(huì)造成兩個(gè)后輪在與轉(zhuǎn)向輸入相反的方向上進(jìn)行很小的偏轉(zhuǎn)，即外輪外傾，內(nèi)輪內(nèi)傾。

根據(jù)行車速度和轉(zhuǎn)彎半徑的情況(它們將改變后軸的載荷)，前輪的一度轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)一般會(huì)在后輪產(chǎn)生一個(gè)很小但很重要的約1%度的偏轉(zhuǎn)。這足以預(yù)防過(guò)度的轉(zhuǎn)向不足。協(xié)助車尾追隨其前輪(而不是車鼻)的方向。對(duì)于駕駛員來(lái)說(shuō)，這樣會(huì)讓汽車有更好的平衡性，讓駕駛更加充滿樂(lè)趣，可幫助汽車向里轉(zhuǎn)向并對(duì)轉(zhuǎn)向輸入進(jìn)行更接近的反應(yīng)。

2.2主動(dòng)轉(zhuǎn)向（Active Rear Steering）：

主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向（Active Rear Steering）是一種高級(jí)的汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)，它允許車輛的后輪在行駛過(guò)程中根據(jù)特定的條件進(jìn)行轉(zhuǎn)向。這種轉(zhuǎn)向可以是與前輪同向或反向，甚至可以獨(dú)立于前輪的轉(zhuǎn)向。主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的主要目的是提高車輛的操控性、穩(wěn)定性和靈活性，從而提升駕駛體驗(yàn)和行車安全。其工作原理基于先進(jìn)的電子控制技術(shù)，它允許后輪在車輛行駛過(guò)程中根據(jù)不同的條件進(jìn)行轉(zhuǎn)向。這一系統(tǒng)通常包括傳感器、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)主要部分。

含后輪轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)框架簡(jiǎn)圖

帶有后輪轉(zhuǎn)向功能的車輛可以調(diào)整前輪和后輪以轉(zhuǎn)向車輛。這可以實(shí)現(xiàn)更大的響應(yīng)性和提高穩(wěn)定性。

車輛的后輪方向可以由位于每個(gè)車輪的獨(dú)立電機(jī)或后軸上的單個(gè)電機(jī)控制。后輪可以與前輪同向旋轉(zhuǎn)（“同相位”）以在高速行駛時(shí)提供更穩(wěn)定的操控。在低速時(shí)，后輪也可以與前輪反向旋轉(zhuǎn)（“反相位”）以改善轉(zhuǎn)彎。

最后，在緊急剎車時(shí)，后輪可能會(huì)“內(nèi)八字”以提高穩(wěn)定性。根據(jù)后輪執(zhí)行器的實(shí)現(xiàn)方式，可用的后輪配置可能受到限制（例如，集中式后輪轉(zhuǎn)向可能無(wú)法提供“內(nèi)八字”位置）。

2.2.1 主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)構(gòu)成包括：

1、傳感器：這些傳感器負(fù)責(zé)收集車輛的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如車速、轉(zhuǎn)向角度、車輛動(dòng)態(tài)等。這些數(shù)據(jù)是后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)決策的基礎(chǔ)。這些傳感器可以是輪速傳感器、轉(zhuǎn)向角度傳感器、橫向加速度傳感器等。

從含后輪轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)框架簡(jiǎn)圖中可以看出，后輪轉(zhuǎn)向行程位置傳感器的質(zhì)量好壞決定了性能表現(xiàn),對(duì)后輪位置傳感器的功能安全目標(biāo)諸如：

（1）后輪位置傳感器旨在在所有車輛運(yùn)行條件下測(cè)量/檢測(cè)后輪的位置。測(cè)量的后輪位置需要經(jīng)過(guò)驗(yàn)證以確認(rèn)其有效性和正確性。

如：如使用注入故障法：

向EPS控制模塊傳輸非零的后輪測(cè)量值。對(duì)從后輪位置傳感器到EPS控制模塊的連接進(jìn)行電磁干擾（EMI）和靜電放電（ESD）干擾的測(cè)試。存儲(chǔ)后輪位置傳感器的錯(cuò)誤校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。模擬后輪位置傳感器電源的丟失。模擬后輪位置傳感器連接中的短路。模擬后輪位置傳感器與EPS控制模塊之間的連接短路。

這些故障案例涉及的后輪位置傳感器是電子助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)的重要組成部分，用于提供后輪的位置信息。如果這些傳感器出現(xiàn)故障或存儲(chǔ)了錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致EPS系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確地控制車輛的轉(zhuǎn)向，從而影響車輛的操控性和安全性。因此，這些故障案例需要通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證來(lái)確保傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性。

（2）后輪位置傳感器應(yīng)具備診斷功能，以檢測(cè)由電磁兼容性/電磁干擾（EMC/EMI）、靜電放電（ESD）、污染、單事件效應(yīng)以及其他環(huán)境條件引起的與安全相關(guān)的故障。如：EPS（電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向）后輪位置傳感器電路包括以下幾種故障類型：

范圍/性能故障：

后輪位置傳感器無(wú)法正確檢測(cè)后輪的位置，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確控制后輪。

低電平故障：

傳感器電路無(wú)法提供正確的信號(hào)電壓，可能影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的正常工作。

高電平故障：

傳感器電路可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的信號(hào)電壓，影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

間歇性故障：

傳感器電路可能間歇性地失效，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法持續(xù)穩(wěn)定工作。

這些故障類型可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確控制后輪，從而影響車輛的操控性能和安全性。因此，對(duì)于EPS后輪位置傳感器電路，需要進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證，以確保其可靠性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，車輛制造商和維護(hù)人員應(yīng)定期檢查和維護(hù)傳感器電路，以防止這些故障的發(fā)生。

（3）單點(diǎn)后輪位置傳感器硬件故障都應(yīng)在故障檢測(cè)間隔內(nèi)被檢測(cè)到，并在故障探測(cè)與響應(yīng)間隔（FTTI）內(nèi)得到緩解。

用于電動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的行程位置傳感器

該傳感器引起的風(fēng)險(xiǎn)如：

表中的第一個(gè)故障模式描述了后輪位置傳感器（例如，內(nèi)部短路）的硬件故障。如果后輪位置傳感器向EPS控制模塊提供錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，EPS控制模塊可能會(huì)認(rèn)為它在使后輪居中，而實(shí)際上它正在將它們移出中心位置。

表中的第二個(gè)故障模式描述了其他車輛組件的電磁干擾（EMI）或靜電放電（ESD）如何影響從后輪位置傳感器到EPS控制模塊的連接。如果這影響了后輪位置的測(cè)量，EPS可能會(huì)錯(cuò)誤地控制后輪的位置。

2、控制單元（ECU）：控制單元是后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的“大腦”。它接收傳感器的數(shù)據(jù)，收集到的數(shù)據(jù)被發(fā)送到車輛的中央控制單元（ECU），也就是車輛的“大腦”。ECU根據(jù)這些數(shù)據(jù)以及預(yù)先設(shè)定的算法，計(jì)算出后輪應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向。

3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)根據(jù)ECU的指令調(diào)整后輪的角度。后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常是一套電動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，它根據(jù)ECU的指令來(lái)調(diào)整后輪的角度，在電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，通常使用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪或轉(zhuǎn)向拉桿，從而改變后輪的方向。

4、轉(zhuǎn)向模式：主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以根據(jù)不同的駕駛條件，自動(dòng)或手動(dòng)切換不同的轉(zhuǎn)向模式，如高速模式、低速模式和中性模式。

后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以根據(jù)不同的駕駛條件，自動(dòng)或手動(dòng)切換不同的轉(zhuǎn)向模式：

高速模式：在高速行駛時(shí)，后輪與前輪同向轉(zhuǎn)向，有助于提高車輛的穩(wěn)定性和循跡性，減少側(cè)風(fēng)對(duì)車輛的影響。

低速模式：在低速行駛，尤其是在泊車或進(jìn)行狹小空間操作時(shí)，后輪與前輪反向轉(zhuǎn)向，有效減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，提高車輛的靈活性。

中性模式：在某些情況下，后輪保持直行，不進(jìn)行額外的轉(zhuǎn)向。

ZF_AKC原理介紹簡(jiǎn)圖

5、動(dòng)力源：主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要電源來(lái)驅(qū)動(dòng)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這可以是車輛的電池系統(tǒng)，或者是一個(gè)專門的后輪轉(zhuǎn)向電源。

6、通信網(wǎng)絡(luò)：后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要與其他車輛系統(tǒng)（如剎車系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和穩(wěn)定控制系統(tǒng)）進(jìn)行通信，以確保車輛的整體協(xié)調(diào)和性能。

7、用戶界面：在一些車型中，后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能包括一個(gè)用戶界面，允許駕駛員根據(jù)個(gè)人偏好調(diào)整后輪轉(zhuǎn)向設(shè)置。

主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用電子控制單元（ECU）來(lái)控制后輪的轉(zhuǎn)向角度。ECU根據(jù)車輛的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如車速、轉(zhuǎn)向角度、車輛動(dòng)態(tài)等）來(lái)調(diào)整后輪的轉(zhuǎn)向。這種系統(tǒng)可以提供更加靈活和動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)向響應(yīng)，能夠根據(jù)不同的駕駛條件（如高速行駛或低速泊車）自動(dòng)調(diào)整后輪轉(zhuǎn)向策略。它通常提供更好的操控性和駕駛體驗(yàn)，但成本和復(fù)雜性相對(duì)較高。

2.2.2 典型主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向應(yīng)用：

例如保時(shí)捷911GT3，它的后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)重量不到3kg，可以使后輪實(shí)現(xiàn)最大6度的轉(zhuǎn)向，并能夠提供高達(dá)4000N的轉(zhuǎn)向力度。其有一點(diǎn)與常見后輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同的是，它由內(nèi)部的兩套電機(jī)單獨(dú)控制兩個(gè)后輪，由此實(shí)現(xiàn)了左右兩個(gè)后輪的獨(dú)立控制，這使它能夠有著更高的操控極限，當(dāng)然這對(duì)控制系統(tǒng)的要求就更高了。