汽車底盤故障綜合檢修項目18汽車四輪轉向技術簡介

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1、 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修 1 項 目 18 汽 車 四 輪 轉 向 技 術 簡 介18.1 概 述四 輪 轉 向 （ 4WS4 Wheel Steering） 汽 車 是 指 四 個 車 輪 都 是 轉 向 車 輪 的 汽 車 ， 或 4個 車輪 都 能 起 轉 向 作 用 的 汽 車 。 它 是 在 傳 統(tǒng) 兩 輪 轉 向 系 統(tǒng) 的 基 礎 上 ， 增 設 了 一 個 安 裝 在 后 懸架 上 的 后 輪 轉 向 機 構 ， 能 夠 使 駕 駛 員 操 縱 轉 向 盤 時 轉 動 汽 車 的 前 后 四 個 車 輪 ， 不 僅 提 高了 高 速

2、時 的 穩(wěn) 定 性 和 可 控 性 ， 而 且 提 高 了 低 速 時 的 機 動 性 。汽 車 的 四 輪 轉 向 系 統(tǒng) 在 20世 紀 80年 代 中 期 開 始 發(fā) 展 ， 二 十 世 紀 八 、 九 十 年 代 的 本 田 、 馬自 達 及 通 用 概 念 車 都 曾 經(jīng) 應 用 了 四 輪 轉 向 技 術 。 此 外 ， 最 近 幾 年 的 豐 田 概 念 車 、 日 產(chǎn) 以及 雷 諾 等 車 型 都 用 到 了 四 輪 轉 向 技 術 。 目 前 該 技 術 被 很 多 公 司 所 采 用 ， 其 中 大 多 應 用 在了 高 級 轎 車 、 大 型 車 輛 上 ， 也 有 一

3、些 SUV以 及 跑 車 具 有 四 輪 轉 向 的 功 能 。 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修18.2 4WS車 輛 的 轉 向 特 性采 用 四 輪 轉 向 系 統(tǒng) 的 車 輛 ， 在 低 速 行 駛 時 為 逆 相 轉 向 （ 前 、 后 輪 旋 轉 方 向 相 反 ） ，使 轉 彎 時 具 有 較 小 的 轉 彎 半 徑 ， 靈 活 性 良 好 ； 中 高 速 時 為 同 相 轉 向 （ 前 、 后 輪 旋 轉 方 向 相同 ） ， 以 提 高 在 高 速 時 抗 側 風 能 力 及 車 道 變 換 或 車 輛 轉 彎 時 的 操 縱 穩(wěn) 定 性 。

4、（ 1） 逆 相 位 轉 向如 圖 18-1所 示 ， 在 低 速 行 駛 或 者 方 向 盤 轉 角 較 大 時 ， 前 、 后 輪 實 現(xiàn) 逆 相 位 轉 向 ， 即后 輪 的 偏 轉 方 向 與 前 輪 的 偏 轉 方 向 相 反 ， 且 偏 轉 角 度 隨 方 向 盤 轉 角 增 大 而 在 一 定 范 圍 內 增大 （ 后 輪 最 大 轉 向 角 一 般 為 5 左 右 ） 。 這 種 轉 向 方 式 可 改 善 汽 車 低 速 時 的 操 縱 輕 便 性 ， 減 小 汽 車 的 轉 彎 半 徑 ， 提 高 汽 車 的 機 動 靈 活 性 。 便 于 汽 車 掉 頭 轉 彎 、 避

5、障 行 駛 、 進 出 車 庫 和停 車 場 。（ 2） 同 相 位 轉 向如 圖 18-3所 示 ， 在 中 、 高 速 行 駛 或 方 向 盤 轉 角 較 小 時 ， 前 、 后 輪 實 現(xiàn) 同 相 位 轉 向 ，即 后 輪 的 偏 轉 方 向 與 前 輪 的 偏 轉 方 向 相 同 （ 后 輪 最 大 轉 角 一 般 為 1 左 右 ） 。 使 汽 車 車 身 的橫 擺 角 速 度 大 大 減 小 ， 可 減 小 汽 車 車 身 發(fā) 生 動 態(tài) 側 偏 的 傾 向 ， 保 證 汽 車 在 高 速 超 車 、 進 出高 速 公 路 、 高 架 引 橋 及 立 交 橋 時 ， 處 于 不 足

6、 轉 向 狀 態(tài) 。 2 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修 3 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修18.3 4WS車 輛 的 結 構 和 控 制 原 理18.3.1 轉 向 角 比 例 控 制 的 四 輪 轉 向 系 統(tǒng)1. 系 統(tǒng) 的 結 構 與 工 作 原 理轉 向 角 比 例 控 制 的 四 輪 轉 向 系 統(tǒng) 是 指 后 輪 轉 角 與 前 輪 轉 角 成 比 例 ， 在 低 速 區(qū) 前 、 后輪 逆 相 ， 而 中 高 速 區(qū) 同 相 的 轉 向 操 縱 控 制 ， 使 車 體 的 前 進 方 向 與 車 體 朝 向

7、一 致 ， 得 到 穩(wěn) 定的 轉 向 性 能 。該 轉 向 系 統(tǒng) 主 要 由 車 速 傳 感 器 、 轉 角 比 傳 感 器 、 轉 向 控 制 單 元 、 4WS轉 換 器 、 轉 向樞 軸 、 前 后 轉 向 齒 輪 箱 等 組 成 。 前 后 輪 的 轉 向 機 構 機 械 連 接 ， 轉 向 盤 的 轉 動 傳 到 前 輪 轉 向 齒 輪 箱 （ 齒 輪 齒 條 式 ） ，齒 條 帶 動 前 轉 向 橫 拉 桿 左 右 運 動 ， 以 控 制 前 輪 轉 向 。 同 時 ， 輸 出 小 齒 輪 旋 轉 ， 通 過 連 接 軸傳 遞 到 后 輪 轉 向 齒 輪 箱 ， 后 輪 的 轉

8、角 與 轉 向 盤 的 轉 角 成 比 例 變 化 ， 使 其 低 速 轉 向 時 ， 后 輪與 前 輪 反 相 轉 動 ， 中 高 速 行 駛 時 ， 后 輪 與 前 輪 同 相 轉 動 。 4 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修 5圖 18-3 轉 向 角 比 例 控 制 的 四 輪 轉 向 系 統(tǒng) 的 結 構 示 意 圖 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修如 圖 18-4a所 示 為 轉 向 樞 軸 的 結 構 ， 轉 向 樞 軸 位 于 后 轉 向 齒 輪 箱 內 ， 是 一 個 大 的 軸承 ， 其 外 圈 與 扇 形

9、齒 輪 成 為 一 體 ， 圍 繞 樞 軸 可 左 右 旋 轉 ； 內 圈 與 連 桿 突 出 的 偏 心 軸 相 連 ，連 桿 通 過 4WS轉 換 器 的 電 動 機 以 連 桿 旋 轉 中 心 做 正 反 旋 轉 。 偏 心 軸 在 轉 向 樞 軸 機 構 內 可 上下 回 轉 約 55 。通 過 連 接 軸 的 輸 入 使 輸 入 小 齒 輪 向 左 或 向 右 旋 轉 時 ， 帶 動 扇 形 齒 輪 轉 動 ， 再 由 轉 向樞 軸 通 過 偏 心 軸 使 連 桿 向 左 右 方 向 移 動 ， 連 桿 帶 動 后 轉 向 橫 拉 桿 和 后 轉 向 節(jié) 臂 實 現(xiàn) 后 輪 的轉 向

10、 。 如 圖 18-4b所 示 為 樞 軸 與 偏 心 軸 的 運 動 ， 形 成 后 輪 的 同 相 位 和 逆 相 位 的 轉 向 原 理 圖 。偏 心 軸 的 前 端 與 樞 軸 左 右 旋 轉 中 心 重 合 時 ， 即 使 轉 向 樞 軸 左 右 轉 動 ， 連 桿 也 完 全 不動 ， 后 輪 就 在 中 立 狀 態(tài) ； 隨 著 偏 心 軸 前 端 位 置 與 樞 軸 的 旋 轉 中 心 上 下 方 向 的 偏 離 ， 樞 軸 左右 轉 動 時 連 桿 的 移 動 量 就 會 變 大 ， 偏 心 軸 與 后 輪 轉 向 之 間 的 動 態(tài) 關 系 是 ： 偏 心 軸 前 端 位 置

11、在 轉 向 樞 軸 的 上 側 時 為 逆 相 位 ， 而 下 側 時 為 同 相 位 ， 如 圖 18-4c所 示 。 6 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修 7 (a) 轉 向 樞 軸 的 結 構 示 意 圖(b)偏 心 軸 和 樞 軸 的 運 動 (c) 樞 軸 的 旋 轉 角 與 連 桿 移 動 量 之 間 的 關 系圖 18-4 轉 向 樞 軸 的 結 構 和 工 作 原 理 示 意 圖 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修2. 控 制 原 理如 圖 18-5所 示 為 該 系 統(tǒng) ECU控 制 流 程 圖 。 通 過 轉

12、 向 角 傳 感 器 、 車 速 傳 感 器 等 輸 入 信號 ， 進 行 以 下 控 制 ：（ 1） 轉 向 角 比 例 控 制車 速 主 要 由 車 速 表 的 傳 感 器 提 供 （ SP1） ， 用 ABS車 速 傳 感 器 中 的 前 輪 的 一 個 傳 感器 輸 入 信 號 作 為 輔 助 信 號 （ SP2） 。 轉 向 角 比 傳 感 器 是 檢 測 后 轉 向 齒 輪 箱 內 的 連 桿 的 旋 轉角 度 ， 其 工 作 原 理 與 電 位 計 式 節(jié) 氣 門 位 置 傳 感 器 類 似 ， 根 據(jù) 與 旋 轉 角 度 的 變 化 ， 傳 感 器 內的 滑 動 電 阻 值 發(fā)

13、 生 變 化 ， 進 而 使 得 電 路 中 的 電 壓 發(fā) 生 變 化 ， 將 不 同 的 電 壓 信 號 輸 入 到 ECU即 可 得 出 對 應 的 角 度 。（ 2） 前 輪 轉 向 選 擇 功 能 前 輪 轉 向 開 關 為 ON且 變 速 器 為 倒 擋 狀 態(tài) 時 ， 因 車 速 較 低 ， 故 將 后 輪 的 轉 向 操 縱 量 設定 為 零 。 對 前 輪 轉 向 車 倒 退 轉 向 操 縱 已 習 慣 的 人 ， 若 對 4WS車 倒 退 轉 向 操 縱 有 失 調 感 時 ，可 使 用 此 開 關 。 8 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修

14、（ 3） 安 全 性 控 制 系 統(tǒng) 出 現(xiàn) 故 障 時 ， 在 進 行 下 列 工 作 的 同 時 點 亮 “4WS警 告 燈 ”通 知 駕 駛 員 ， 而 且 ECU記 憶 故障 信 息 。 主 電 動 機 異 常 時 ， 驅 動 副 電 動 機 只 在 同 相 方 向 上 ， 以 常 規(guī) 模 式 （ NORMAL） 按 照 車 速 進行 轉 向 角 比 控 制 。 車 速 傳 感 器 異 常 時 ， 在 SPl和 SP2的 任 何 一 個 輸 出 中 ， 用 車 速 高 的 值 通 過 主 電 動 機 只 對同 相 方 向 進 行 轉 向 角 控 制 。 轉 向 角 比 傳 感 器 異

15、常 時 ， 通 過 副 電 動 機 驅 動 到 同 相 方 向 最 大 值 時 停 止 控 制 。 此 時 ， 若 是副 電 動 機 異 常 ， 則 用 主 電 動 機 進 行 同 樣 的 控 制 。 ECU異 常 時 ， 通 過 副 電 動 機 驅 動 到 相 同 方 向 最 大 值 為 止 ， 然 后 停 止 控 制 。 此 時 ， 能 避 免出 現(xiàn) 逆 相 位 狀 態(tài) 。 9 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修 10 圖 18-5 轉 向 角 比 例 控 制 的 四 輪 轉 向 系 統(tǒng) ECU控 制 流 程 圖 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤

16、故 障 綜 合 檢 修18.3.2 橫 擺 角 速 度 比 例 控 制 的 四 輪 轉 向 系 統(tǒng)1. 系 統(tǒng) 的 結 構 與 工 作 原 理圖 18-6所 示 為 4WS的 橫 擺 角 速 度 比 例 控 制 系 統(tǒng) 的 組 成 。 使 后 輪 產(chǎn) 生 轉 向 角 的 工 作 原理 就 是 轉 換 后 轉 向 機 構 的 控 制 閥 油 路 ， 使 閥 芯 左 右 移 動 。 在 前 輪 有 轉 向 運 動 時 控 制 閥 將 后輪 的 最 大 轉 向 角 控 制 到 5 （ 大 轉 向 角 控 制 ） ， 而 與 前 輪 轉 向 無 關 時 將 后 輪 的 轉 向 角 最 大 控制 到 1

17、 （ 小 轉 向 角 控 制 ） 。 前 者 屬 于 依 靠 傳 動 繩 索 的 機 械 式 轉 向 ， 而 后 者 是 依 靠 轉 向 電 動機 的 電 子 式 轉 向 ， 后 輪 的 轉 向 角 是 由 上 述 兩 者 合 成 的 。 11 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修 12圖 18-6 4WS橫 擺 角 速 度 比 例 控 制 系 統(tǒng) 的 結 構 示 意 圖 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修2. 系 統(tǒng) 的 工 作 原 理（ 1） 機 械 式 系 統(tǒng) 的 工 作 原 理當 前 輪 轉 向 角 處 在 與 后 輪 轉

18、向 無 關 的 控 制 齒 條 自 由 行 程 范 圍 （ 盲 區(qū) ） 內 時 ， 閥 芯 與閥 套 筒 之 間 的 相 對 位 置 處 于 中 立 狀 態(tài) 。 因 而 ， 來 自 液 壓 泵 的 工 作 油 液 被 排 出 ， 且 返 回 到 副油 箱 。 動 力 油 缸 的 左 、 右 室 都 成 為 中 立 的 低 油 壓 ， 活 塞 桿 在 復 位 彈 簧 的 作 用 下 停 止 在 中 立位 置 。 當 前 輪 轉 向 角 較 大 時 ， 超 出 轉 向 齒 條 自 由 行 程 范 圍 ， 如 果 向 左 轉 向 時 ， 閥 套 筒 向 左方 向 移 動 ， 并 與 閥 芯 之 間

19、產(chǎn) 生 相 對 位 移 ， 圖 18-7中 的 閥 套 筒 與 閥 芯 在 a部 位 接 觸 密 封 ， 高 壓作 用 于 動 力 油 缸 的 右 室 ， 推 動 活 塞 桿 向 左 移 動 ， 而 后 輪 就 向 右 轉 向 。當 活 塞 桿 向 左 移 動 時 ， 因 為 轉 向 電 動 機 不 工 作 ， 閥 控 制 桿 就 以 支 點 A為 中 心 回 轉 ， 并 將 閥 芯 從 B點 移 到 左 方 的 B點 （ A、 B、 B點 的 位 置 如 圖 18-8a所 示 ） ， 因 此 閥 套 筒 與 閥 芯在 a部 位 脫 開 接 觸 形 成 節(jié) 流 作 用 ， 降 低 動 力 油

20、缸 右 室 的 壓 力 ， 結 果 是 當 活 塞 桿 移 動 到 規(guī) 定 位置 時 ， 節(jié) 流 壓 力 與 來 自 車 輪 的 外 力 相 平 衡 ， 后 輪 就 不 能 進 行 更 多 的 轉 向 。外 力 產(chǎn) 生 變 化 時 ， 活 塞 桿 將 有 微 小 的 變 化 ， 但 閥 控 制 桿 立 即 將 變 化 反 饋 給 閥 芯 并 改變 節(jié) 流 量 。 這 個 過 程 直 到 動 力 活 塞 的 壓 力 與 外 力 相 平 衡 為 止 ， 從 而 保 持 穩(wěn) 定 。 13 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修 14圖 18-7 機 械 式 控 制 機 構

21、 示 意 圖 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修（ 2） 電 子 式 系 統(tǒng) 的 工 作 原 理為 了 將 轉 向 電 動 機 的 旋 轉 運 動 變 為 閥 芯 的 直 線 運 動 ， 采 用 螺 旋 齒 輪 和 曲 柄 組 合 機 構 。轉 向 電 動 機 的 旋 轉 通 過 蝸 輪 機 構 傳 遞 到 從 動 齒 輪 ， 借 助 曲 柄 使 閥 控 制 桿 移 動 ， 如 圖 18-8a）所 示 。 當 從 動 齒 輪 逆 時 針 旋 轉 時 ， 閥 控 制 桿 的 上 端 支 點 A就 以 從 動 齒 輪 中 心 O點 為 回 轉 中 心移 動 到 A點

22、 。 轉 向 電 動 機 剛 起 動 的 瞬 間 ， 后 轉 向 軸 還 沒 有 運 動 ， 所 以 閥 控 制 桿 就 以 C點 為 回轉 中 心 向 左 運 動 ， 桿 中 央 的 B點 成 為 B點 ， 使 閥 芯 向 左 移 動 。 纜 繩 不 動 時 ， 閥 套 筒 固 定 不 動 ，閥 芯 與 閥 套 筒 產(chǎn) 生 相 對 位 移 ， 圖 18-8b） 中 閥 的 b部 分 被 節(jié) 流 ， 高 壓 油 進 入 油 缸 左 室 。 當 活 塞 桿 向 右 移 動 時 ， 如 圖 18-8b） 所 示 ， 閥 控 制 桿 以 支 點 A為 中 心 回 轉 ， 使 閥 芯向 右 移 動 到

23、 B點 為 止 。 結 果 打 開 b部 分 ， 減 少 節(jié) 流 使 壓 力 下 降 。 而 后 以 與 機 械 式 轉 向 操 縱相 同 的 方 法 保 持 平 衡 。 15 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修 16 (a) (b)圖 18-8 電 子 式 控 制 機 構 示 意 圖 出 版 社 理 工 分 社 汽 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修3. 系 統(tǒng) 的 控 制 原 理（ 1） 車 體 側 滑 角 的 零 控 制 。車 體 側 滑 角 零 控 制 是 在 轉 向 初 期 的 過 渡 過 程 中 ， 4WS以 特 有 的 抑 制 轉 向 時 車 體

24、向 轉向 內 側 滯 后 的 轉 向 角 比 例 現(xiàn) 象 ， 使 轉 向 時 車 體 的 方 向 與 前 進 方 向 相 一 致 ， 從 而 確 保 穩(wěn) 定 轉向 的 一 種 控 制 。 根 據(jù) 式 7-1所 示 的 控 制 規(guī) 則 ， 它 通 過 逆 相 位 轉 向 角 比 例 控 制 與 橫 擺 角 速 度 反饋 控 制 的 組 合 來 實 現(xiàn) ， 如 圖 18-10所 示 。 r= KS（ v） f+ KY（ v） Y 式 18-1式 18-1中 ， r是 后 輪 轉 向 角 ； f是 前 輪 轉 向 角 ； Y是 橫 擺 角 速 度 ； v是 車 速 ； KS是 轉向 角 比 例 系

25、數(shù) ； KY是 橫 擺 角 速 度 比 例 系 數(shù) 。在 轉 向 初 期 的 瞬 間 ， 對 后 輪 進 行 逆 相 控 制 使 它 產(chǎn) 生 自 轉 并 抑 制 公 轉 ， 從 而 能 防 止 車體 朝 轉 向 外 側 傾 斜 。 與 此 同 時 ， 橫 擺 角 速 度 傳 感 器 能 檢 測 自 轉 運 動 的 增 大 狀 態(tài) 并 進 行 反 饋控 制 ， 同 時 附 加 同 相 位 成 分 以 取 得 自 轉 與 公 轉 運 動 的 平 衡 。 從 轉 向 開 始 至 轉 向 結 束 ， 一 直進 行 使 車 體 側 滑 角 成 為 零 的 控 制 。 17 出 版 社 理 工 分 社 汽

26、 車 底 盤 故 障 綜 合 檢 修（ 2） 受 側 向 風 干 擾 時 的 控 制 。由 于 突 然 的 側 向 風 力 的 作 用 ， 車 輛 會 偏 向 行 駛 。 橫 擺 角 速 度 傳 感 器 能 立 即 檢 測 出 它的 偏 向 ， 并 對 后 輪 進 行 轉 向 控 制 以 消 除 產(chǎn) 生 的 偏 向 行 駛 。 由 于 后 輪 產(chǎn) 生 的 力 矩 ， 側 向 風 引起 的 自 轉 運 動 會 減 小 ， 并 能 使 汽 車 的 行 駛 方 向 偏 差 最 小 。（ 3） ABS工 作 時 的 控 制通 常 為 了 提 高 中 低 速 范 圍 的 轉 向 操 縱 的 響 應 性 ， 正 如 橫 擺 角 速 度 比 例 系 數(shù) K Y特 性 中見 到 的 那 樣 ， 角 速 度 增 益 低 于 高 速 區(qū) 域 。 但 是 ABS工 作 時 ， 與 轉 向 操 縱 響 應 性 相 比 將 更 加重 視 車 輛 的 穩(wěn) 定 性 ， 而 且 將 ABS開 始 工 作 的 瞬 間 的 橫 擺 角 速 度 增 益 （ KY值 ） 一 直 保 持 到ABS的 工 作 結 束 。圖 18-9 前 輪 轉 向 角 與 后 輪 轉 向 角 之 間 的 關 系 圖 18-10 控 制 比 例 系 數(shù) 18