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相比于常見的兩輪驅(qū)動,四輪驅(qū)動也已經(jīng)被大家所熟悉,但是四輪轉(zhuǎn)向,可能就沒有四輪驅(qū)動那么熟悉了。
四輪轉(zhuǎn)向,其實誕生很早,但是卻沒有被普及,甚至差點被淹沒在歷史洪流中了。我們這篇就來跟大家講講四輪轉(zhuǎn)向背后的故事。為了講這個故事,我把壓箱底的大學(xué)教材都翻出來了,故事中盡量不包含任何的學(xué)術(shù)名詞,以最直觀的方式去讓大家感受到四輪轉(zhuǎn)向的特點和原理。
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壓箱底的課本
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什么是四輪轉(zhuǎn)向?
https://www.zhihu.com/video/1449376280558526464
四輪轉(zhuǎn)向的基本原理
眾所周知,車輛在路面上行駛,是依靠摩擦力的存在,而轉(zhuǎn)向,同樣是依靠摩擦力,只是通過車輪的轉(zhuǎn)向改變摩擦力的作用方向,來促使車輛改變行駛軌跡。
我們把輪胎模型盡量去簡化,不去考慮輪胎的變形等等因素,當車輪偏轉(zhuǎn)一定角度的時候,促使車輛做圓周運動的力是由于地面通過輪胎傳遞給車輛的側(cè)向靜摩擦力。
對于前輪來說,車輪向右偏轉(zhuǎn),側(cè)向靜摩擦力則向右,促使車輛向右發(fā)生偏轉(zhuǎn),對于后輪來說,車輪向右偏轉(zhuǎn),其側(cè)向靜摩擦力則是向左,促使車輛向左發(fā)生偏轉(zhuǎn)。導(dǎo)致前后輪轉(zhuǎn)向一致,但是受力方向相反的主要原因是因為輪胎與車輛質(zhì)心的相對位置造成的。
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前輪轉(zhuǎn)向與后輪轉(zhuǎn)向
低速轉(zhuǎn)向時,前后輪反相,減小轉(zhuǎn)向半徑
從轉(zhuǎn)向上來說,前輪向右,車輛向右,后輪向右,車輛向左,如果將前后輪轉(zhuǎn)向?qū)τ谲囕v轉(zhuǎn)向的影響疊加,是不是就可以讓車輛以更小的轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)彎呢?答案是肯定的。當我們需要向左轉(zhuǎn)彎時,前輪向左偏轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)向中心在車身左邊,車輛向左偏轉(zhuǎn),此時后輪如果向右偏轉(zhuǎn),后輪的轉(zhuǎn)向中心也在車輛左邊,車輛同樣向左偏轉(zhuǎn),兩種效果疊加,將大大縮短車輛轉(zhuǎn)向半徑。
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四輪轉(zhuǎn)向-前后輪反相
這就是四輪轉(zhuǎn)向減小轉(zhuǎn)向半徑的直觀理解,如果想進一步了解背后原因的同學(xué),可以嘗試找一下四輪轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向中心,并精確計算一下后輪轉(zhuǎn)向角度對于轉(zhuǎn)向半徑的具體影響程度。這里就不展開去講了。
高速避障時,前后輪同相,提高行駛穩(wěn)定性
其實,四輪轉(zhuǎn)向不僅可以輔助車輛轉(zhuǎn)向,還可以提高車輛額操控穩(wěn)定性,有點類似于ESP的作用。
比如車輛在高速變向的時候,我們向左猛打方向,前輪向左偏轉(zhuǎn),車輛受到額外的指向轉(zhuǎn)向中心的力,但是車輛由于慣性,會發(fā)生傾斜,右外側(cè)車輪瞬間承受較大的載荷壓力,車輛有向右側(cè)發(fā)生側(cè)翻的趨勢。此時如果后輪同相偏轉(zhuǎn),對車輛在受力方向的影響,與前輪恰好相反,四個車輪也能更加平均地受力,避免一些高速避障時的側(cè)翻、爆胎、車身劇烈晃動等情況的發(fā)生。
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四輪轉(zhuǎn)向,前后輪同相
四輪轉(zhuǎn)向,也曾暗淡,但在智能化時代重新發(fā)光
上文說過,四輪轉(zhuǎn)向誕生很早,早在30年代,奔馳就將四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用在軍車上,用來減小軍車的轉(zhuǎn)向半徑,當然這離民用還很遠。
后來到了90年代,比如日系、美系都在民用車型上量產(chǎn)過這一技術(shù)。但是后面都沒有大規(guī)模推開。主要原因是受限于當時的技術(shù)條件。
最初的后輪轉(zhuǎn)向,角度極小,是依靠后懸架機構(gòu)上的橡膠襯套的彈性變形來完成的,變形角度很小,且工作場景比較單一,一般是在高速變道時,后輪與前輪同相轉(zhuǎn)動,來提高變道的車身穩(wěn)態(tài)的,轉(zhuǎn)向角度也很小,一般不超過1度,由于依靠彈性元件的性能,所以磨損老化問題就很嚴重。
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圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
后來,四輪轉(zhuǎn)向向前發(fā)展了一步,不再依靠橡膠襯套的變形來工作了,而是使用一些諸如偏心軸和行星齒輪來完成,可以實現(xiàn)更大的轉(zhuǎn)向角度,但是也沒辦法和今天相比,一般都在2度以內(nèi),這種機構(gòu)雖然轉(zhuǎn)向角度更大、也不依靠彈性元件,但是其工作機制非常被動,其動作的輸入只能依靠方向盤的輸入。依靠方向盤的轉(zhuǎn)動角度大小來判定后輪轉(zhuǎn)向的方向。大體原則是,方向盤轉(zhuǎn)向角度小時,判定為高速避讓,會采用同相轉(zhuǎn)向,方向盤轉(zhuǎn)向大時,會判定為低速掉頭或者轉(zhuǎn)向,會采用逆相轉(zhuǎn)向,但是當遇到高速緊急避讓需要大角度轉(zhuǎn)向時,后輪會逆相轉(zhuǎn)向,這無疑大大增大了車輛的側(cè)翻風(fēng)險,所以這種單依賴于方向盤轉(zhuǎn)角的工作邏輯,就非常危險,很快就被淘汰了。
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發(fā)展到如今,上述的諸多問題都被傳感器、ECU和電機執(zhí)行機構(gòu)所解決,不再需要冗長復(fù)雜的機械液壓機構(gòu),也不用擔(dān)心控制判定出問題。
例如在智己L7上的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù),其可以通過足夠多的傳感器獲得諸如車速、方向盤轉(zhuǎn)角、油門信息、剎車信息等等,通過ECU來綜合判斷車輛當前所需要后輪轉(zhuǎn)向所配合的相位和角度,最終通過后橋的轉(zhuǎn)向電機控制轉(zhuǎn)向拉桿來完成最終的轉(zhuǎn)向動作,從而在真正意義上實現(xiàn)了四輪轉(zhuǎn)向的完全理想狀態(tài)。
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據(jù)官方資料顯示,智己L7的軸距為3.1米,車長接近5.1米,寬度接近2米,其后輪轉(zhuǎn)向最大幅度為正負各6度,使得其最小轉(zhuǎn)向半徑能達到10.8米,與7代高爾夫10.9米的轉(zhuǎn)向半徑相當,相比于同級別的C級車,其轉(zhuǎn)向半徑大概降低了1-1.5米。這對于一些害怕開大車不靈活的用戶來說,是十分實用的。
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智能化的洪流滾滾向前,我們總在不停地在跟過去的一些東西告別,有的縱使是我們不舍得的,但是時代也總不忘了帶給我們一些全新的東西,甚至于將原本一些受限于技術(shù)水平?jīng)]有發(fā)揮能量的重新帶到我們面前,告別、遇見、重逢,都是時間留下的證據(jù)。
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