四轮传动系统

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1、四轮转向系统农机 XXX 班 XXX XXXXXXX摘要：四轮转向是以提高汽车在行驶时的操作稳定性和轻便性为目的的一种汽车底盘传动新技术。它通过后悬架上的后轮转向机构来加强对高速行驶状态下的 控制程度，达到相应目的。该技术有利于纠正汽车转向不足/转向过度等缺陷， 而不会导致成本和重量增加等过多不利影响。四轮转向引起了具有划时代意义的 汽车技术革命，改变了大型车辆的未来。关键词:传动新技术；四轮转向；结构；工作原理；前景Four-wheel steering systemAbstract： four-wheel steering is to enhance the operation of th

2、e car when driving stability and portability for the purpose of a chassis drive new technology. After it through suspension rear wheel steering mechanism to strengthen the degree of control of high speed condition, accordingly. This technology is helpful to correct defects such as car understeer/ove

3、rsteer, without causing too much negative effects such as increased cost and weight. Caused a landmark four-wheel steering vehicle technology revolution, changed the large vehicles in the future.Key words： transmission technology; Four-wheel steering; Structure; Working principle; prospects.0引言四轮转向（

4、4WS-four wheel steering）系统是基于一个安装在后悬架上的 后轮转向机构。它能够使驾驶员操纵方向盘时转动汽车前后四个车轮，不仅提高 了高速时的稳定性和可控制性，而且提高了低速时的机动性。即在高速行驶时， 将后轮与前轮同相位转向，以减小车辆转向时的旋转运动（横摆），改善高速行 驶的稳定性；而在低速行驶时而，把后轮与前轮逆相位转向，以改善车辆中低速 行驶的操纵性，提高快速转向性。目前，四轮转向系统有三种类型：机械式、液压式和电子控制液压式。1发展背景当今世界的轿车转向分为前轮转向（2WS）和四轮转向（4WS）,前者普遍使用, 后者是近年出现的一种新技术，主要应用在一些比较高级和

5、新型轿车上。所谓四 轮转向，是指后轮也和前轮相似，具有一定的转向功能，不仅可以与前轮同方向 转向，也可以与前轮反方向转向。其主要目的是增强轿车在高速行驶或者在侧向 风力作用下的操纵稳定性，改善低速时的操纵轻便性，在轿车高速行驶时便于由 一个车道向另一个车道的移动调整，以及减少调头时的转弯半径。随着现代道路交通系统和先进汽车技术的发展，汽车的主动安全技术日益受 到重视。先进的主动底盘控制技术是汽车发展的重要方向，而四轮转向系统是主 动底盘控制的重要组成部分。从二十世纪初（1907年），日本政府颁发第一个关于四轮转向的专利证书开 始，对于汽车四轮转向的研究一直伴随着汽车工业的发展而进行着。二战期间

6、， 美国的一些军用车辆和工程车辆上采用一种前、后轮逆相位偏转的简单机械式 4WS系统，以适应恶劣的路况，改善汽车低速转向时的机动性能。1962年，在日 本汽车工程协会的技术会议上，提出了后轮主动转向的4WS技术，开始了现代 4WS转向系统的研究。在70年代末，本田（Honda）和马自达（Mazda）积极投 入4WS的开发。1985年，日本的尼桑（Nissan）在客车上应用了世界上第一例 实用的4WS系统，应用在一种车型上的高性能主动控制悬架（High CapacityActivety-Controlled SuspensionHICAS）上。2基本结构转囱输入ECU电子转向轮转角信岂控制器I汽

7、车行驶 速度信号纽杆电机驱动務转向繪左横拉杆小齿轮转.向角传感-器左转囱节臂右横拉杆转向竝直线歩进电机 （定件）系统有四个主要部件一一前轮定位传感器、可转向的整体准双曲面后轴、电 动机驱动的执行器以及一个控制单元。当按动按钮选定四轮转向模式时，Quadrasteer系统处于激活状态。Quadrasteer系统配备了两个传感器，其中一个传感器安装在转向柱上，用以检 测转向盘的转向角度；同时另一个传感器安装在变速器上，用于提供车速信号。 来自这两个传感器的信号都能及时传递至ECU。事实上，ECU是一个包含两个具有IOMHz运行速度及128K内存的微处理器 的集成单体。每只微处理器根据转向及车速传感

8、器的输入信息进行独立运算，并 同时启动系统自检功能以确定系统自身功能是否正常。然后，ECU通过比较两个 微处理器的计算数据来确定转向令是否正在正确执行。如果一切正常，那么ECU 将启动后轴转向驱动电机。在此过程中，微处处器以0.004s/次的频率持续不断 地反复进行转向角度的计算和转向系故障自检。一旦四轮转向系出现异常或传感 器出现错误时，后轴转向执行电机立即自动驱动后轴回正，同时，系统由4WS 切换进入2WS （传统的2前轮转向）的安全转向模式。即便在转向过程中ECU出 现灾难性故障，后轴转向齿条机构内部的回位弹簧也能够使后轴慢慢回复中立位 置，并同时使后轮转向电机关闭以阻塞后轮的转向动作。

9、2.1结构分类四轮转向装置按照前后轮的偏转角和车速之间的关系分为两种类型：一种是转角传感型，另一种是车速传感型。转向摇臂转向主拉杵 转向节”转向油罐转向油泵机械转眉2.1.1转角传感型转角传感型是指前轮和后轮的偏转角度之间存在着一定的因变关系，即后轮 可以按前轮偏转方向做同向偏转，也可以做反向偏转。其工作特点在于后轮偏转受前轮偏转控制，作被动转向，即后轮偏转方向和 转角大小受方向盘转动的方向和转角大小的控制。结构上通过一根后轮转向传动 轴将前、后轮转向机构相连，一般都采用机械式传动和人力直接控制。早期应用在军用车辆、工程车辆上的4WS系统、装于本田Prelude轿车上的 4WS系统就是采用全机

10、械式的转角随动型四轮转向装置。这种4WS系统存在一定 的系统结构和动态控制的局限性，尤其在高速急转弯时，使汽车的操纵稳定性恶 化，在现代的4WS系统中已很少采用。2.1.2车速传感型车速传感型是根据事先设计的程序规定当车速达到某一预定值时（通常为 35至40公里/小时），后轮能与前轮同方向偏转，当低于某一预定值时，则与前 轮反方向偏转。其工作特点是后轮偏转的方向和转角大小主要受车速高低的控制，在转向过 程中，同时还受前轮转角、侧向加速度、横摆角速度等动态参数的综合控制作用。 这种4WS系统综合考虑了汽车的各种动态参数对汽车转向行驶过程中的操纵稳 定性的影响，动态模拟控制效果好,是目前4WS汽车

11、上主要采用的四轮转向装置。 2.1.3综合传感型目前的四轮转向轿车既有采用转角传感型，也有采用车速传感型，还有二者 兼而用之的。前四轮转向装置已将机械、液压、电子、传感器及微处理机控制技 术紧密结合在一起，在很大程度上改善轿车的转向特性，提高操纵稳定性。例如马自达929型轿车的四轮转向就是具有两种类型的特点。2.2结构特点与普通的前轮转向汽车相比，4WS汽车具有诸多优越性，但依然存在一些缺 陷。2.2.1优越性1）转向操作的响应加快，准确性提高；2）转向操作的机动灵活性和行驶稳定性提高；3）抗侧向干扰的稳定性效果好；4）超车时，变换车道更容易，减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。2.2.2不足性

12、1）低速转向时，汽车尾部容易碰到障碍物；2）实现理想控制的技术难度大；3）转向系统结构复杂、成本高；4）转向过程中，阿克曼定理难保证。3原理从汽车转向的基本过程来看，无论采取怎样的转向形式，都是使汽车在转弯 时产生重心的平移和绕着重心的转动，这两种运动的结合促使汽车完成了转向的 过程。当汽车方向盘的转角和车速都确定下来的时候，那么前轮转向汽车的行驶 状态是单一的，而四轮转向汽车的行驶状态则会随着后轮与前轮之间的角度不同 或相同而变得多种多样，这是两轮转向和四轮转向的根本差别所在，也是后者比 前者优越的关键之处。汽车前轮在做转向时，会产生一个作用在前轮的侧向力，这时后轮也会产生 一种离心力，这种

13、作用力就会使车辆在垂直轴线方向上产生一个扭矩，增大了倾 翻作用力使车辆不能稳定。而有四轮转向装置的汽车，前后轮会相互配合，减弱 倾翻作用力，侧滑也会减少，从而保障了行车的安全。汽车在做直线行驶时，由于受到车速和路面侧向风的影响经常会走偏。这时 有四轮转向装置的汽车的微处理机就会根据车速和前轮转角加以计算，确定后轮 的转角数值，以变动对变动来保持车子行驶的稳定性。3.1四轮转向汽车的工作原理4WS汽车是在前轮转向系统的基础上，在汽车的后悬架上安装一套后轮转向 系统，两者之间通过一定的方式联系，使得汽车在前轮转向的同时，后轮也参与 转向，从而达到提高汽车低速行驶的机动性和高速行驶的稳定性。经过几十

14、年的研究与开发，已经成型的4WS汽车类型有多种，组成、结构不 同，控制方式及工作原理也各异。典型的电控4WS系统主要由前轮转向系统、传 感器（如转向角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器等）ECU、后轮转向 执行机构和后轮转向传动机构等。目前，以电控液压式4WS系统应用最多。3.2常用的控制方法1）定前、后轮转向比的4WS系统。2）前、后轮转向比是前轮转角函数的4WS系统。3）前、后轮转向比是车速函数的4WS系统。4）具有一阶滞后的4WS系统。5）具有反相特性的4WS系统。6）具有最优控制特性的4WS系统。7）具有自学习、自适应能力的4WS系统。前五种控制系统属于古典控制理论范畴，只能满足汽

15、车在某些特定条件下的 需要，还不能适应汽车运动的随机变化，随着一些先进控制理论的发展，4WS系 统将朝着自适应、智能化的方向发展。3.3实例讲解以德尔福公司的Quadrasteer四轮转向系统为例对四轮转向进行介绍，它也 是目前最为先进的四轮转向系统之一。Quadrasteer通过安装在后轴壳体内的电控电机驱动执行器（类似转向齿条） 来控制后轮的转向动作，其控制指令的生成源自传感器与复杂的电子控制单元 ECU。与机械式连杆操纵方式不同，Quadrasteer系统的后轮转向应用了最新的 汽车电子技术一线控技术。根据现时车速的不同，系统转向后轴具有三种转向 动作：异相、中相和同相。低速行驶时，后轮

16、转弯方向与前轮相反，这就是异相。 中速行驶时，后轮笔直而保持中相。高速行驶时，后轮处于正相，和前轮转弯方 向相同。在低速行驶时，异相拖曳操纵，尾部跟随车辆的真实轨迹，比两轮转向 更紧密。这使得在城市交通中的驾驶更容易。低速操纵时，如倒车上船板或野营 带拖车停车时，Quadrasteer将使操纵更容易。倒拖车时。负相极大地改进拖车 对转向动作的反应，更容易使车辆就位。4应用前景从20世纪80年代末期到今天，日本汽车制造商一直延续着独立采用四轮转 向的传统。但四轮转向受到了电子稳定控制系统和横向偏摆控制系统的威胁，这 两种装置都能够使四轮转向系统一样纠正转向不足/转向过度，而不会导致成本 和重量增

17、加过多不利影响。日产Skyline GT-R仍在向世人证明四轮转向是具有价值的挑战性驾控特性。 通过电脑辅助，日产的超级HICAS系统启用了严密控制的直排轮刹车，这种形式 可以被任何一种替代手段予以贯彻。当您面临弯角的挑战时，后轮将首先逆向转 向，以便提升初始转向响应的敏锐度。然后，当传感器感应到汽车回应转向操控 时，后轮将在与前轮相同的方向转向，从而立刻导入后胎的滑动响应，这种响应 可有助于调整攻弯的角度。由于电脑在监控着整个过程，转向过度量将一直得到 抑制。所以现在除了一些大型卡车和赛车使用外，乘用车几乎都没有使用，四轮 转向技术极大地提升了大型车辆的操纵性、稳定性、安全性及舒适性，是一项

18、与 防抱制动系统ABS、牵引力控制系统TCS相媲美的具有划时代意义的汽车技术革 命，改变了大型车辆的未来，并可望于未来的5年内成为大型车辆最受欢迎的选 装件之一。未来对4WS系统的研究的发展趋势主要集中为：1）进一步研究、开发新型的后轮转向执行机构和后轮转向传动机构，提高 转向时的操纵轻便性、灵活性和转向角度的准确性。2）针对4WS系统，进一步开发、设计高性能、高精度、高灵敏度的传感器, 以便于正确地检测汽车的运动信号。3）深入研究转向过程中轮胎的瞬态特性，将其作为主要因素加入到4WS系统 的数学模型中。4）将先进的控制理论与控制方法应用于4WS控制器的研究中。5）基于新控制理论的全主动四轮转

19、向系统。6）把4WS技术与其它主动安全技术（如4WD、ABS、ASR、ASC、DYC等）相 结合，实现汽车主动底盘技术的综合控制，这是主动控制4WS系统研究的长期目 标。5总结在技术相对成熟的4WS汽车中，大多数采用电控液压动力4WS系统。但由于 液压动力系统在结构、系统布置、密封性、能耗、效率等方面的不足，尤其是在 转向过程中存在着响应滞后的固有缺陷，使得电控液压式4WS系统在适应现代 4WS汽车的转向灵敏性、准确性方面受到了束缚，不能满足汽车高速行驶稳定性 的要求。随着现代电子技术、电机技术的飞速发展和应用，电控电动式4WS系统 在技术上的不断完善，在转向控制性能、系统布置、节能等方面越来

20、越显示了其 优越性，应用前景广阔，必将取代电控液压式4WS系统，成为4WS系统发展的主 流。参考文献：1 郭孔辉、轧浩，四轮转向的控制方法的发展，98年第9卷第5期.2 张洪欣，汽车系统动力学，同济大学出版社，1996 余志生，汽车理论，机械工业出版社，20024 庄继德，汽车电子控制系统工程，北京理工大学出版社，19985 Tang Knowles, （USA）, jack jarvik, steering system, jilin science &technology press, 2000 李栓成等，汽车转向系统的结构与维修，国防工业出版社，1998.7郭孔辉，汽车操纵动力学，吉林科学技术出版社，1991 屈求真、刘延柱，四轮转向汽车的控制策略，汽车技术，1998年第2期9杜宇，四轮转向控制系统的设计与实现，北京理工大学硕士学位论文，2000 10 Jianming Yang、Ce Zhang,Elasto-dynamics of internal gear planetary transmissio-ns,Mechanism and Machine Theory ,40 (2005) ,1107 -1125