汽车底盘故障综合检修项目18汽车四轮转向技术简介

出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修 1 项 目 18 汽 车 四 轮 转 向 技 术 简 介18.1 概 述四 轮 转 向 （ 4WS4 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 。 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修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 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修 3 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修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 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修 5图 18-3 转 向 角 比 例 控 制 的 四 轮 转 向 系 统 的 结 构 示 意 图 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修如 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 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修 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 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修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 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修（ 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 。 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 。 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 。 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 。 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 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修 10 图 18-5 转 向 角 比 例 控 制 的 四 轮 转 向 系 统 ECU控 制 流 程 图 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修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 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修 12图 18-6 4WS横 摆 角 速 度 比 例 控 制 系 统 的 结 构 示 意 图 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修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 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修 14图 18-7 机 械 式 控 制 机 构 示 意 图 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修（ 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 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修 16 (a) (b)图 18-8 电 子 式 控 制 机 构 示 意 图 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修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 。 r= KS（ v） f+ KY（ v） Y 式 18-1式 18-1中 ， r是 后 轮 转 向 角 ； f是 前 轮 转 向 角 ； Y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 出 版 社 理 工 分 社 汽 车 底 盘 故 障 综 合 检 修（ 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 K Y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