汽车底盘故障综合检修项目18汽车四轮转向技术简介.ppt

1,项目18 汽车四轮转向技术简介,18.1 概述,四轮转向（4WS—4 Wheel Steering）汽车是指四个车轮都是转向车轮的汽车，或4个车轮都能起转向作用的汽车它是在传统两轮转向系统的基础上，增设了一个安装在后悬架上的后轮转向机构，能够使驾驶员操纵转向盘时转动汽车的前后四个车轮，不仅提高了高速时的稳定性和可控性，而且提高了低速时的机动性 汽车的四轮转向系统在20世纪80年代中期开始发展，二十世纪八、九十年代的本田、马自达及通用概念车都曾经应用了四轮转向技术此外，最近几年的丰田概念车、日产以及雷诺等车型都用到了四轮转向技术目前该技术被很多公司所采用，其中大多应用在了高级轿车、大型车辆上，也有一些SUV以及跑车具有四轮转向的功能18.2 4WS车辆的转向特性,采用四轮转向系统的车辆，在低速行驶时为逆相转向（前、后轮旋转方向相反），使转弯时具有较小的转弯半径，灵活性良好；中高速时为同相转向（前、后轮旋转方向相同），以提高在高速时抗侧风能力及车道变换或车辆转弯时的操纵稳定性 （1）逆相位转向 如图18-1所示，在低速行驶或者方向盘转角较大时，前、后轮实现逆相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反，且偏转角度随方向盘转角增大而在一定范围内增大（后轮最大转向角一般为5°左右）。

这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性，减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动灵活性便于汽车掉头转弯、避障行驶、进出车库和停车场 （2）同相位转向 如图18-3所示，在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前、后轮实现同相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相同（后轮最大转角一般为1°左右）使汽车车身的横摆角速度大大减小，可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向，保证汽车在高速超车、进出高速公路、高架引桥及立交桥时，处于不足转向状态2,3,,18.3 4WS车辆的结构和控制原理,18.3.1 转向角比例控制的四轮转向系统 1. 系统的结构与工作原理 转向角比例控制的四轮转向系统是指后轮转角与前轮转角成比例，在低速区前、后轮逆相，而中高速区同相的转向操纵控制，使车体的前进方向与车体朝向一致，得到稳定的转向性能 该转向系统主要由车速传感器、转角比传感器、转向控制单元、4WS转换器、转向枢轴、前后转向齿轮箱等组成 前后轮的转向机构机械连接，转向盘的转动传到前轮转向齿轮箱（齿轮齿条式），齿条带动前转向横拉杆左右运动，以控制前轮转向同时，输出小齿轮旋转，通过连接轴传递到后轮转向齿轮箱，后轮的转角与转向盘的转角成比例变化，使其低速转向时，后轮与前轮反相转动，中高速行驶时，后轮与前轮同相转动。

4,5,图18-3 转向角比例控制的四轮转向系统的结构示意图,如图18-4a所示为转向枢轴的结构，转向枢轴位于后转向齿轮箱内，是一个大的轴承，其外圈与扇形齿轮成为一体，围绕枢轴可左右旋转；内圈与连杆突出的偏心轴相连，连杆通过4WS转换器的电动机以连杆旋转中心做正反旋转偏心轴在转向枢轴机构内可上下回转约55° 通过连接轴的输入使输入小齿轮向左或向右旋转时，带动扇形齿轮转动，再由转向枢轴通过偏心轴使连杆向左右方向移动，连杆带动后转向横拉杆和后转向节臂实现后轮的转向如图18-4b所示为枢轴与偏心轴的运动，形成后轮的同相位和逆相位的转向原理图 偏心轴的前端与枢轴左右旋转中心重合时，即使转向枢轴左右转动，连杆也完全不动，后轮就在中立状态；随着偏心轴前端位置与枢轴的旋转中心上下方向的偏离，枢轴左右转动时连杆的移动量就会变大，偏心轴与后轮转向之间的动态关系是：偏心轴前端位置在转向枢轴的上侧时为逆相位，而下侧时为同相位，如图18-4c所示6,7,(a) 转向枢轴的结构示意图,(b)偏心轴和枢轴的运动,(c) 枢轴的旋转角与连杆移动量之间的关系 图18-4 转向枢轴的结构和工作原理示意图,2. 控制原理 如图18-5所示为该系统ECU控制流程图。

通过转向角传感器、车速传感器等输入信号，进行以下控制： （1）转向角比例控制 车速主要由车速表的传感器提供（SP1），用ABS车速传感器中的前轮的一个传感器输入信号作为辅助信号（SP2）转向角比传感器是检测后转向齿轮箱内的连杆的旋转角度，其工作原理与电位计式节气门位置传感器类似，根据与旋转角度的变化，传感器内的滑动电阻值发生变化，进而使得电路中的电压发生变化，将不同的电压信号输入到ECU即可得出对应的角度 （2）前轮转向选择功能 前轮转向开关为ON且变速器为倒挡状态时，因车速较低，故将后轮的转向操纵量设定为零对前轮转向车倒退转向操纵已习惯的人，若对4WS车倒退转向操纵有失调感时，可使用此开关8,（3）安全性控制 系统出现故障时，在进行下列工作的同时点亮“4WS警告灯”通知驾驶员，而且ECU记忆故障信息 ① 主电动机异常时，驱动副电动机只在同相方向上，以常规模式（NORMAL）按照车速进行转向角比控制 ② 车速传感器异常时，在SPl和SP2的任何一个输出中，用车速高的值通过主电动机只对同相方向进行转向角控制 ③ 转向角比传感器异常时，通过副电动机驱动到同相方向最大值时停止控制此时，若是副电动机异常，则用主电动机进行同样的控制。

④ ECU异常时，通过副电动机驱动到相同方向最大值为止，然后停止控制此时，能避免出现逆相位状态9,10,图18-5 转向角比例控制的四轮转向系统ECU控制流程图,18.3.2 横摆角速度比例控制的四轮转向系统,1. 系统的结构与工作原理 图18-6所示为4WS的横摆角速度比例控制系统的组成使后轮产生转向角的工作原理就是转换后转向机构的控制阀油路，使阀芯左右移动在前轮有转向运动时控制阀将后轮的最大转向角控制到5°（大转向角控制），而与前轮转向无关时将后轮的转向角最大控制到1°（小转向角控制）前者属于依靠传动绳索的机械式转向，而后者是依靠转向电动机的电子式转向，后轮的转向角是由上述两者合成的11,12,图18-6 4WS横摆角速度比例控制系统的结构示意图,2. 系统的工作原理 （1）机械式系统的工作原理 当前轮转向角处在与后轮转向无关的控制齿条自由行程范围（盲区）内时，阀芯与阀套筒之间的相对位置处于中立状态因而，来自液压泵的工作油液被排出，且返回到副油箱动力油缸的左、右室都成为中立的低油压，活塞杆在复位弹簧的作用下停止在中立位置 当前轮转向角较大时，超出转向齿条自由行程范围，如果向左转向时，阀套筒向左方向移动，并与阀芯之间产生相对位移，图18-7中的阀套筒与阀芯在a部位接触密封，高压作用于动力油缸的右室，推动活塞杆向左移动，而后轮就向右转向。

当活塞杆向左移动时，因为转向电动机不工作，阀控制杆就以支点A为中心回转，并将阀芯从B点移到左方的B'点（A、B、B'点的位置如图18-8a所示），因此阀套筒与阀芯在a部位脱开接触形成节流作用，降低动力油缸右室的压力，结果是当活塞杆移动到规定位置时，节流压力与来自车轮的外力相平衡，后轮就不能进行更多的转向 外力产生变化时，活塞杆将有微小的变化，但阀控制杆立即将变化反馈给阀芯并改变节流量这个过程直到动力活塞的压力与外力相平衡为止，从而保持稳定13,14,图18-7 机械式控制机构示意图,（2） 电子式系统的工作原理 为了将转向电动机的旋转运动变为阀芯的直线运动，采用螺旋齿轮和曲柄组合机构转向电动机的旋转通过蜗轮机构传递到从动齿轮，借助曲柄使阀控制杆移动，如图18-8a）所示当从动齿轮逆时针旋转时，阀控制杆的上端支点A就以从动齿轮中心O点为回转中心移动到A'点转向电动机刚起动的瞬间，后转向轴还没有运动，所以阀控制杆就以C点为回转中心向左运动，杆中央的B点成为B'点，使阀芯向左移动缆绳不动时，阀套筒固定不动，阀芯与阀套筒产生相对位移，图18-8b）中阀的b部分被节流，高压油进入油缸左室 当活塞杆向右移动时，如图18-8b）所示，阀控制杆以支点A为中心回转，使阀芯向右移动到B''点为止。

结果打开b部分，减少节流使压力下降而后以与机械式转向操纵相同的方法保持平衡15,16,(a) (b) 图18-8 电子式控制机构示意图,3. 系统的控制原理 （1）车体侧滑角的零控制 车体侧滑角零控制是在转向初期的过渡过程中，4WS以特有的抑制转向时车体向转向内侧滞后的转向角比例现象，使转向时车体的方向与前进方向相一致，从而确保稳定转向的一种控制根据式7-1所示的控制规则，它通过逆相位转向角比例控制与横摆角速度反馈控制的组合来实现，如图18-10所示 θr= KS（v） θf+ KY（v） ωY 式18-1 式18-1中，θr是后轮转向角；θf是前轮转向角；ωY是横摆角速度；v是车速；KS是转向角比例系数；KY是横摆角速度比例系数 在转向初期的瞬间，对后轮进行逆相控制使它产生自转并抑制公转，从而能防止车体朝转向外侧倾斜与此同时，横摆角速度传感器能检测自转运动的增大状态并进行反馈控制，同时附加同相位成分以取得自转与公转运动的平衡从转向开始至转向结束，一直进行使车体侧滑角成为零的控制17,（2）受侧向风干扰时的控制。

由于突然的侧向风力的作用，车辆会偏向行驶横摆角速度传感器能立即检测出它的偏向，并对后轮进行转向控制以消除产生的偏向行驶由于后轮产生的力矩，侧向风引起的自转运动会减小，并能使汽车的行驶方向偏差最小 （3）ABS工作时的控制 通常为了提高中低速范围的转向操纵的响应性，正如横摆角速度比例系数KY特性中见到的那样，角速度增益低于高速区域但是ABS工作时，与转向操纵响应性相比将更加重视车辆的稳定性，而且将ABS开始工作的瞬间的横摆角速度增益（KY值）一直保持到ABS的工作结束 图18-9 前轮转向角与后轮转向角之间的关系 图18-10 控制比例系数,18,。