摘要： 回顾了应用于多轴车辆后桥转向技术的概念与技术。随着工业的迅速发展， 大马力、高承载能力的车辆得到更多的应用， 由此引发较多的转向问题， 以多轴车辆需求为切入点开展研究， 其行驶工况复杂， 要求有足够动力的同时也要求有更好的操纵灵 活性和操纵稳定性。目前后桥转向技术有机械式、全液压式、电控电动式以及电控液压式等，较先进且应用较广的为电控液压式。 电控液压式后桥转向系统共有 3 种类型： 一是通过电磁阀来控制液压缸， 二是利用普通电机- 变量马达控制液压缸， 三是伺服电 机-定量马达控制液压缸。研究讨论了这些不同类型的转向系统，详细描述各种类型的优点、缺点， 并探讨了未来后桥转向系统的 发展趋势。通过对后桥转向系统的研究， 为提高多轴车辆转向性能的优化、实现网-机- 电-液一体化的发展提供科研思路， 为将来 实现车辆转向智能化、精准化打下坚定的基础。

　　关键词：后桥转向; 多轴车辆; 电控液压; 转向系统

　　Review of Rear Axle Steering Technology for Multi-axle Vehicles and Prospects

　　Xu Yifan1 ，Yuan Qinghao1. 2 ，Yang Liujia1 ，Zhao Wentao3 ，Wang Xuguang3 ，Xu Jiang3 ，Zhang Wei1. 3

　　( 1.The School of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101. China; 2. Shandong Xinhua Medical

　　Equipment Co., Ltd., Zibo, Shandong 255300. China; 3.China Heavy Duty Truck Group Automotive Research Institute, Jinan 250100. China) Abstract: The concept and technology of rear axle steering technology applied to multi axle vehicles are reviewed. With the rapid development of industry, vehicles with high horsepower and high load-bearing capacity have been increasingly applied, which has led to many steering problems. Research is conducted based on the demand for multi axle vehicles, which have complex driving conditions and require sufficient power, as well as better handling flexibility and stability. At present, the rear axle steering technology includes mechanical, fully hydraulic, electronically controlled electric, and electronically controlled hydraulic, the electronic hydraulic type used is more advanced and widely. There are three types of electrically controlled hydraulic rear axle steering systems: one is to control the hydraulic cylinder through solenoid valves, the other is to use a conventional motor variable motor to control the hydraulic cylinder, and the third is to use a servo motor quantitative motor to control the hydraulic cylinder. These different types of steering systems are explored and discussed, and a detailed description of their advantages and disadvantages is provided, the development trend of future rear axle steering systems is explored. Through the study of the rear axle steering system, scientific research ideas are provided to improve the optimization of multi axle vehicle steering performance and achieve the development of network machine electric hydraulic integration, and to lay a solid foundation for achieving intelligent and precise vehicle steering in the future.

　　Key words: rear axle steering; multi-axle vehicle; electro-hydraulic; steering system

　　引言

　　多轴车辆大多数因为车辆轴距较长， 在使用过程中 缺乏机动性。主要种类有： 以工程作业为主的工程车辆， 如起重机、挖掘机; 以特殊任务为主的特种车辆， 如导 弹运输车、天然气运输车、消防车; 以货物运输为主的 重型车辆， 如重型卡车、军用战术型车辆。在狭小的空 间中，相对于其他车辆， 多轴车辆转向需要较多的空间， 进而导致车辆使用成本进一步升高。此外， 在交通基础 设施不完全发达的地区， 缺乏较直和宽阔的道路， 多轴 车辆使用效率会降低[1]。基于以上两种情况， 使用后桥转向系统可以增强车辆的机动性、降低车辆使用成本。 多轴车辆后桥转向系统在初期几乎都使用机械或液压结 构， 随着技术的进步， 目前大多数的后桥转向系统都利 用电控液压技术， 将电气与液压相结合， 采用单独实现 各桥的转向独立控制， 为提高转向系统的灵活性， 但是 在使用过程中因其核心为液压控制系统， 使得其系统效 率通常低于 50%， 从而造成整个系统仍然存在能量损耗 大、效率低等问题[2]。而由于电液助力转向系统特有的 机电液非线性耦合关系及轮胎负载非线性特征， 使得针 对系统的效率研究分析及节能优化困难重重。

　　综上所述， 在后桥转向系统的实际应用过程中还存 在一些问题尚未解决， 所以针对后桥电液转向系统的研 究还需要更加深入， 从而使后桥转向系统更加智能化、 精准化。

　　1 后桥转向原理

　　后桥转向技术最早可以追溯到 1907 年， 戴姆勒卡车 通过与方向盘相连的转向拉杆来实现后轮的转向。随着 国内外对重型车辆后桥转向系统的研究， 后轮转向系统 按控制方式和执行结构可划分为： 机械式、全液压式、 电控电动式、电控液压式[3]。在设计任何转向系统的同 时， 都应该遵循阿克曼转向原理， 其原理是车辆在转弯 过程中， 每个转向车轮的轨迹都应符合自然运动轨迹， 从而保证轮胎与地面之间不会出现滑动现象， 保证施加 到每个车轮上转向力最小的纯滚动状态。如图 1 所示， 阿 克曼转向原理是由德国工程师 Lankensperger 于 1817 年提出， 适用于多轴车辆， 应用阿克曼转向原理可避免车辆轮胎打滑， 提高车辆的稳定性与操控性[4] 。

　　2 机械式后桥转向系统

　　在发展的前期，机械式因其具有简单可靠的优点得到广泛的使用， 多轴卡车也首先采用机械式后桥转向系统。如图 2 所示，其原理是通过机械结构(例如连杆机构、凸轮和齿轮等结构) 将前桥与后桥相连接， 根据前轮转向带动后轮的转向 。机械结构具有结构简单、传动效率高等优点。

　　Cǎtǎlin Alexandru[5]设计了一种基于凸轮的后转向箱， 根据前轮转向角， 确定凸轮的运动幅度、相位角凸轮 轮廓的大小， 以及平移从动件的运动幅度， 最终确定 后桥转向从动件的线性位移， 以及凸轮轮廓的极坐标。 Lawrence J Godin 等[6] 提出了一种后轮解决方案， 该解决 方案包括一个外壳， 该外壳具有一对可操作地连接到前 后转向系统的轴， 只有在前轮转动超过一个角度后， 后 轮才会转向表示车辆急转弯， 而在直线前方在对前轮进 行小的转向操作期间， 驾驶后轮不会转向。 Kanazawa 等[7]所示的四轮转向解决方案除了前轮转向机构和后轮 转向机构外， 还包含一个控制器， 用于调整后轮转向机 构(这是一个由中央平移元件操作的左右横梁组成的连 杆机构)。

　　Dragoş Macaveiu 和 Petre Alexandru[8] 提出的后桥转向 包括一个凸轮连杆机构， 具有一个回路(轮廓) 和两个 驱动输入(执行元件)， 可以实现整体转向的要求， 即后 轮同时转向并且与前轮方向相反， 该解决方案可以在后 桥转向箱内水平或垂直布置连杆。 Uma Maheshwar Vana ‐ mala 和 Raja Rao koganti[9] 提出的转向机构包含多个连接 器、耦合器和锥齿轮， 能够提供 3 种转向操作模式(驾 驶员可选择)， 即两轮前转向、两轮后转向和四轮操舵。 Marco Visconti[10] 提出的四轮转向装置包含一个连接到前 轮转向机构和从动轴的驱动轴， 这两个轴(与减速齿轮 刚性连接) 设有曲柄和偏心销与连接到后轮转向拉杆 (杠杆) 的连杆元件接合。 Yonas Mitiku 和 Defaru Thomas 等[11]提出一种组合转向系统， 转向桥与后桥转向器通过 齿轮齿条结构链接， 利用选择器来对前轮单独转向与后 桥随动转向之间进行切换。

　　Shoichi Sano 等[12] 为本田汽车设计了一套后轮转向机 构， 采用在传统的前轮转向系统中添加一个用于后轮转 向的机械子系统， 该子系统由前后两个齿轮箱组成， 通 过中心转向轴相互机械连接， 当驾驶员转动方向盘时， 前转向齿轮箱中的齿条和小齿轮机构会轴向移动齿条。 该齿条行程使前轮转向， 同时通过前齿轮箱中的另一个 齿条和小齿轮机构转动输出小齿轮轴， 将方向盘角度通 过中心转向轴传递给后转向齿轮箱。响应于如此传递的 转向角， 后齿轮箱中的行程杆轴向移动以通过拉杆引导 后轮。同时后桥齿轮箱内配有可变齿轮比机构， 可根据 方向盘角度改变行程杆输出行程与输入行程的方向和比 率。 Shaikh Naveed Ahmed 等[13]对重载拖车的后桥转向系 统设计了一套由液压缸驱动的机械联动结构， 前桥与后 桥通过连杆机构铰接， 通过液压缸运动带动机械连杆运 动，机械连杆带动车轮转动。

　　在目前国内对机械式多桥/后桥转向系统研究中主要 集中于连杆式的转向系统， 曾锦峰[14]在梯形转向结构与 平面六连杆的基础上， 设计了一种凸轮连杆转向机构， 该机构用于后桥转向驱动。北京理工大学的刘卓[15]对某 六轮特种车辆转向系统进行优化设计， 将后桥转向横拉 杆前置; 后桥左、右车轮分别与同侧的之前一桥左、右 车轮通过转向梯形机构联接; 前桥与后桥之间同侧采用 两根纵拉杆接替进行联接。进而使转向桥转向关系更加 接近理想阿克曼转角关系。

　　程修正、李建华[16]针对现有汽车转向装置结果复杂 成本较高的问题， 提出了一种基于飞锤离心装置的机械 式后轮转向， 其原理是利用飞锤来感应车速进而实现车 辆低速、中速、高速情况下的不同转向形式。陈栋[17]设 计了一套有运动部分与控制部分组成的独立的后轮智能 随动转向系统， 运动部分采用四连杆机构。与其他学者思路不同， 其工作原理是利用可施加电流改变磁场强度 而变形的智能材料， 通过智能材料的变形带动四连杆运 动机构产生运动， 进而控制车轮转动。该智能随动转向 系统结构简单， 想法新颖， 但是也有一定的局限性， 比 如在车辆直线行驶或是倒车时， 后轮无法发生变化。另 外， 还可将液压系统与机械机构连接。中国重汽集团[18] 针对旗下多轴车辆也设计了一种机械式转向系统。该系 统由转向轴系和起助力作用的转向液压缸总成组成， 将 二者安装于纵梁上，通过轮边拉杆控制车轮转动。

　　机械式后桥转向系统由于占用空间较大， 精度低且 由于转向杆系受力较大对杆系的规格材料有更高的要求， 并且难以实现车辆多种转向模式， 易形成轮胎磨损、摆振现象的发生。

　　3 全液压式后桥转向系统
       根据阿克曼原理 ， 机械联动系统的性能更接近 于正确的路径轮廓。但离 完美的转向还差得很远 。 这是因为系统的机械限制 以及转向角组合的不断变 化的需求， 而单一的机械 联动系统无法满足这些需 求[19] 。基 于 此 ， 提 出 全 液 压式后桥转向系统， 如图 3 所示， 全液压转向系统是 靠发动机来提供动力， 通 过液压油路连接转向器和 转向作用液压缸。通过控 制液压油量来满足转向要 求。全液压转向系统相对 机械式来说最大的特点是不会因为机械式结构存在死点而受到限制。

　　目前全液压转向系统多用于工程机械车辆， 日本三 菱公司旗下的一款车较早应用全液压式后桥转向系统[20]， 德国 Liebherr 公司为提高其生产的 LTM1120 型全路面起 重机的灵活性， 也针对多轴起重机配备了全液压转向系 统。从而使起重机拥有可选择的多种转向模式， 从而形 成多个转弯半径以适应不同的转向工况[21] 。1998 年由 ZF Friedrichshafen 公司[22] 开发了一套全液压式后桥转向系 统， 其解决方案是在后桥上面安装一个从动气缸以及定 心装置， 前桥转向缸为主缸， 前桥主缸与后桥从动缸通 过机械与液压装置连接， 主缸流量由用户进行控制， 而 后桥从动缸的流量是由主缸控制。同时提出了一种利用 蓄能器对从动缸进行定心的机构。 Scania 与 MAN[23]公司 卡车在 21 世纪初期采用的是全液压结构， 卡车前桥的液压缸控制前轮， 同时将一定比例的流量分配给控制后轮 的从动缸。该系统一直运行良好，但也存在一定的缺点： 无法进行关闭。Jiang Yong[24]针对大型矿用卡车设计了一 种全液压转向系统， 对转向系统动力特性在各种工况下 进行了仿真， 为以后重型矿用卡车的全液压转向系统设 计提供了理论参考与技术支持。 Zhongliang Meng 、Hao Zang[25]对履带式全地形车全液压转向系统的内部反馈信 号输入、负载敏感变量泵控制系统、转向液压缸等液压 特性进行了分析，建立相关仿真模型。

　　全液压式后桥转向系统在使用过程中存在溢流、节 流损失、油液内泄漏和待机能耗等问题[26]。所以针对以 上问题， 在全液压式后桥转向系统的基础上开发出了电 控液压后桥转向系统。

　　4 电控电动式后桥转向系统

　　机械式后桥转向系统结构简单、成本低廉， 但它存 在布置困难、灵活性差等缺陷。全液压式后桥转向系统 可以利用液压对轮胎产生很大的转向推力， 多适应于重 型车辆， 但它需要专门设计一套油路来满足使用， 而且 还存在液压油泄漏的问题[27]。因此， 在轻型多轴车辆上， 更多采用的是电控电动式后桥转向系统。电控电动式后 轮转向系统其主要结构是传感器、电控单元、步进电机、 减速器和后轮转向机构等。电控单元采集传感器信号， 然后步进电机接收到传感器发出的信号， 带动后轮转向机构使后轮转向[28]。

　　电控电动式后桥转 向系统最具代表性的是 电动缸直线位移控制 。 如图 4 所示， Bin Deng， Han Zhao 等[29] 设计的后 桥转向系统是由安装在 后桥左右轮的电动推杆实现， 并且针对左右独立的电动执行器同步控制问题， 提出了一种基于虚拟同步控制和线性自抗扰控制的分层 同步控制策略来减少后轮转向角之间的同步误差。魏冬[30] 针对家用乘用车设计了一种电动式左右轮独立的后轮转 向系统， 采用的是两套无刷直流电机驱动转向机构， 由 一个控制器进行控制。并且针对 3 种典型模式进行仿真 分 析 。并 且 利 用 ADAMS 搭 建 车 辆 虚 拟 模 型 ， 经 过 与 MATLAB 进行联合仿真， 仿真结果与典型控制策略基本 相同。凯迪拉克 CT6 汽车[31] 中所用的后桥转向机构工作 原理为通过同步带滚珠丝杠螺母啮合，由电机驱动，带动 同步带将电机的圆周运动转化为丝杠的横向平移运动，带 动后桥车轮完成转向。该结构具有工作平稳、噪声小、占 用空间小等特点。同时， 丝杠螺母机构特有的自锁机构， 可以保护转向机在突发故障情况，保证车辆的安全驾驶。

　　因为电控电动式全轮转向系统产生的转向推力小， 不适用于多轴重型车辆上， 在多轴重型车辆上采用更多 的是趋向于电控液压式全轮转向系统。

　　5 电控液压式后桥转向系统

　　电控液压后桥转向系统是在全液压转向系统的基础 上进行改进， 增加了电子控制和执行元件， 通过传感器 传递给车辆 ECU， 用以弥补全液压转向系统中所存在的 某些不足。电控液压式后桥转向系统逐步形成了电液泵控 与电液阀控两种结构。目前应用较为广泛的是电液阀控。
       5.1 电液阀控式后桥转向系统

　　如图 5 所示， 电液阀控后桥转向系统主要元件是电 液伺服阀与电液比例阀， 电液伺服阀最大响应频率高， 不存在零位死区， 可以实现后桥精确控制， 但是制造成 本高， 功率损失大， 对液压油要求高。电液比例控制阀 也称为电液比例方向流量阀， 通过控制比例电磁铁控制 电流来控制液压油的流动大小与方向[32]。最大响应频率 小于电液伺服阀， 存在零位死区， 但电液阀控后桥转向 系统结构简单、精度高成本低、驱动功率大、平稳性好， 针对零位死区的补偿可以通过控制策略来实现。所以， 在各种多轴车辆上应用广泛。

　　针对应用电液比例阀液压系统的电液比例位置控制 的研究主要集中在电液比例位置控制系统的建模、系统 控制特性的提高以及系统鲁棒性的优化方面。

　　Koichi SHIMOMURA 、Takashi MORITA [33] 为 提 高 起 重机在城市范围内的灵活性， 采用电控液压的方式来控 制后桥转向， 电磁阀收到控制器的命令后， 进而控制液 压缸实现后轮的转向。早期的 ZF[34]公司应用在全路面起 重机上的后桥主动转向系统采用发动机驱动泵提供液压 油， 控制阀来控制转向液压缸， 其中后桥的对中回路通 过附加的液压泵持续提供压力， 通过蓄能器保证液压恒 定，如图 6 所示。

　　由于后桥转向系统需要恒压油源， 而电液阀控后桥 转向系统与车辆本身的液压系统使用同一液压源， 所以 会导致工作压力过大， 造成溢流与节流损失。如果添加 一套恒压油源， 则会加大系统的占用空间。通过以上学 者针对阀控后桥转向系统的改进与优化， 极大地改善了 能源损失与空间过大等问题， 但是能源节约方面仍然不 如电液泵控后桥转向系统。

　　5.2 电液泵控式后桥转向系统

　　随着液压技术的发展及机电液一体化技术的成熟， 为了提高后桥转向系统的响应， 减少能耗， 设计出了电 液泵控液压转向系统。泵控系统利用改变电动机转速与 转向或者是利用变量泵容积调速两种方法改变液压执行 机构的速度与方向[35]。根据以上原理， 它可分为伺服电 机+定量泵和普通电机+变量泵两种方式。

　　5.2.1 伺服电机+定量泵

　　采取伺服电机具有效率高、启动转矩大、体积小、 过载能力强和易实现高精度控制等优点， 在未来后桥转 向系统中应用越来越广泛。如图 7 所示， Bosche[36]为特定 的商用车及工程车辆提高后桥转向系统解决方案， 工作 原理为首先采集来自角度传感器、速度传感器、诊断测 试和阿克曼原理输入 ECU 或控制器， 通过伺服电机+变 量泵组合实现流量的变化进而控制液压缸运动， 已达到 所需要的转角。杨敬等[37]也通过伺服电机+双向定量泵的 组合搭建了一种新型的闭式泵控液压转向系统， 并且在 相关的工程机械上验证了可行性， 相比于原来的控制效 果有显著提升。郑洪波等[38] 为了研究直驱式泵控电液伺 服系统的动态特性， 设计了一套伺服电机-定量泵为动 力源的伺服驱动系统实验台。

　　5.2.2 普通电机+变量泵

　　如图 8 所示， 该方式采用普通电机作为动力源， 通 过改变变量泵运行方式去控制变量泵排量大小、流量和 压力的大小，进而控制液压执行器的速度与方向。

　　针对该方式固有频率低、响应速度慢、调速范围小 等特点， Naseem A Daher 等[39]通过电机控制可变排量泵 来实现车辆后桥转向， 经过验证该方式消除了节流损失， 有助于实现高能效， 降低油耗与排放， 提高了系统的稳 定性与安全性。张玻溶[40]通过改进了现有的电液伺服转向系统， 提出了一种检测压力变化与对实时追踪车轮转 角变化相结合的电液伺服转向系统， 采用恒压式变量泵 与伺服比例阀相结合的方式， 从而实现伺服控制、电液 锁定与手动应急功能的整合。这就限制了该系统的适用 环境与范围。方凌霄[41]对不同的主动转向系统以及控制 策略进行了研究， 并且提出了一种基于零质心侧偏角为 控制目标的控制算法， 改善转向系统响应机理。

　　6 后桥转向技术展望

　　后桥转向系统旨在通过在多轴车辆后桥加装转向装 置来提高车辆转向灵活性和机动性， 目前国内外研究中 应用较多的为阀控，但阀控方式能量损耗大，效率较低， 节能仍然是一大问题， 闭式泵控系统可消除溢流损失， 减少能量损耗， 同时针对泵控系统控制精度不高、鲁棒 性较差这两个问题， 可以通过改变控制策略来进一步改 善， 提高控制精度。所以泵控由于其无可替代的优越性 将会成为未来发展的趋势。

　　在后桥转向系统中， 液压元件的耐用性与安全性尤 为重要， 液压元件的智能化又恰恰直接反映在产品的寿 命上， 这也会促进液压产品的可靠性研究， 现在大多数 是针对事故发生以后进行防护。随着对车辆装备智能化 和可靠性要求的不断提升， 机电液一体化、信号处理、 智能控制和故障诊断等技术越来越多地被引入到相关设 备上， 未来可将在线监测诊断故障技术应用到后桥转向 系统液压元件系统老化进行提前故障检测， 提高工作期 限， 保证系统的使用寿命。甚至未来可将泵与伺服电机 直接安装，无需管路， 可工作在 4 象限。

　　针对电液泵控式后桥转向系统控制精度不高的问题， 未来可考虑采用高性能伺服电机搭配各类型更精密传感 器等措施， 通过改进相应的闭环控制算法来实现更加精 密的后桥转向控制。同时， 未来还可采取双排量设计 (大/小排量)， 快速运动采用大排量， 精密控制采用小排 量; 发展基于机器学习或道路预瞄的车辆控制系统， 可 以根据驾驶员的驾驶习惯和路况实时调整后桥转向系统 的控制参数， 从而进一步提高车辆转向的操稳性、安全 性与舒适性。此外， 未来工业制造商可以为电液泵控制 系统提供更加智能化的维护和故障排除方案， 以减少维 修和停机时间， 为用户提供更好的使用体验。

　　针对电液伺服系统效率较为低下的问题， 制造商与 学者可以通过研发和生产更高效率的电液泵和执行器， 来减少能源浪费。未来，通过优化电液伺服系统的设计， 包括优化传动机构、减少能量损失的设计和使用低摩擦材 料等，降低系统的能耗和能量损失;采用先进的控制算法 和技术，如模糊控制、自适应控制和预测控制等，以提高 系统的响应速度和准确性，从而减少能量的浪费;研发和 引入新型的动力传递技术，优化电动驱动系统、电动液压 传动系统等，显著提高系统的效率。重视和加强对车辆电液转向系统的效率分析与研究，在不增加转向系统质量、 体积、噪声和确保转向系统高精度动态转向的基础上，从 转向系统控制策略优化的角度提高转向系统的效率， 降 低转向系统的能量消耗， 不仅能够推动电液比例伺服控 制技术的发展， 而且对于整个液压控制领域意义重大。

　　7 结束语

　　本文通过对多轴车辆后桥转向系统的工作原理、发 展现状以及关键技术的研究，可以看出后轮转向后桥转向 技术不仅可以提高多轴车辆在狭小的空间内的转向性能， 还可以提高车辆的机动性，降低轮胎的磨损。同时对后桥 转向技术进行展望，众多车企都在追求车辆尽可能的轻量 化，目前市面上所应用的产品体积过大，严重影响车桥其 他装置的布置，这显然不符合轻量化的需求，所以进一步 将后桥转向系统小型化，这也是将装置批量化模块化产业 化的基础。未来具有智能化接口的后桥转向系统， 将传 感器、检测与控制电路、保护及故障自检测电路等融为 一体并达到调节精度、响应频率和功率输出的性能要求。

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