汽车检测与维修论文 浅谈四轮转.docx

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汽车检测与维修论文浅谈四轮转

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X应用职业技术学院

毕业论文

题目

浅谈四轮转向系统结构原理

学生姓名

系部名称

汽车工程系

专业班级

汽修三班

指导教师

教研室

汽车工程教研室

起止时间

年月

教务处制

摘要

四轮转向（4WS,4WheelSteering）除了传统的以前轮为转向轮，后两轮也是转向轮，即四轮转向。

在20世纪80年代中期开始发展，其主要目的是提高汽车在高速行驶或在侧向风力作用时的操作稳定性，改善在低速下的操纵轻便性，以及减小在停车场时的转弯半径。

四轮转向主要有两种方式：

当后轮转向与前轮转向方向相同时称为同向位转向；当后轮转向与前轮转向方向相反时称为逆向位转向。

将横摆力矩控制（DYC）与四轮转向（4WS）系统相结合，建立侧偏角和横摆角速度具有最佳输出响应的车辆理想模型。

采用前馈和反馈控制相结合跟踪理想模型的控制策略，设计出最优控制器，并分别在低速和高速下进行仿真分析。

结果表明：

四轮转向模型与横摆力矩控制相结合，采用跟踪理想模型的控制策略能够有效地同时控制汽车转向侧偏角和横摆角速度，得到较好的瞬态及稳态响应，有效地减轻驾驶员操纵负担，提高了车辆操纵稳定性。

尤其在高速行驶时，仍能获得较好的输出响应，利于提高行车安全性。

关键词:

四轮转向；组成；构造；原理；优缺点；安全

Abstract

Four-wheelsteering（4WS,4WheelSteering）beforeadditiontothetraditionalroundofthesteeringwheel,steeringwheelaftertworoundsisthatthefour-wheelsteering.Inthe20thcenturybegantodevelopthemid-80s,itsmainpurposeistoimprovethecarathighspeedsorwhenthelateralwindloads,operationalstability,improvethemanipulationoflightatlowspeed,aswellasreducetheturningradiusintheparkinglot.Four-wheelsteeringmainlyintwoways:

whentherearwheelsteeringandfrontwheelsteeringinthesamedirectionasthesameshifttotheposition;whentherearwheelsteeringandfrontwheelsteeringintheoppositedirectioniscalledreversepositionwhenturning.

Theyawmomentcontrol（DYC）andfour-wheelsteering（4WS）systemcombinedwiththeestablishmentslipangleandyawratevehicleresponsewiththebestoutputoftheidealmodel.Feedforwardandfeedbackcontrolbythecombinationoftheidealmodeltrackingcontrolstrategy,designtheoptimalcontroller,respectively,underthelowandhighspeedsimulation.Theresultsshowedthat:

four-wheelsteeringandyawmomentcontrolmodelcombinedwiththeidealmodeltrackingcontrolstrategycaneffectivelycontrolbothsteeringslipangleandyawrate,getabettertransientandsteady-stateresponse,effectivelyreducetheburdenonthedrivercontroltoimprovevehiclehandlingandstability.Especiallyinhighspeed,canstillgetabetteroutputresponse,whichwillhelpimprovetrafficsafety.

Keywords:

four-wheelsteering;composition;structure;principle;advantagesanddisadvantages;Security

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

第2章四轮转向2

2.1四轮转向2

2.2四轮转向的组成2

第3章四轮转向系统4

3.1四轮转向系统的结构4

3.2四轮转向系统的原理6

3.3四轮转向系统的类型6

第4章Quadrasteer四轮转向系统6

4.1Quadrasteer四轮转向系统工作原理7

4.2Quadrasteer四轮转向系统优点8

第5章安全9

第6章前轮转向与四轮转向比较10

第7章四轮转向系统的发展11

结论12

致谢13

参考文献14

第1章绪论

随着现代电子科技突飞猛进的发展，很多先进的电子产品已经应用到汽车产业当中。

而汽车的行驶系统在汽车上尤为重要，因为它即是汽车行驶的必要组成，也是影响汽车行驶安全的重要部分。

为了提高汽车的行驶安全可靠行，在汽车的行驶系统加装了各种传感器及电控装置来反馈汽车的当前行驶状态。

所以，在汽车日新月异发展的这个时代，安全已经是一个不可遗忘的事实。

上世纪80年代的本田Prelude轿车、马自达602轿车及GMBlazerXT-1概念车都曾经应用了四轮转向技术。

其主要目的是增强轿车在高速行驶或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，以减少调头时的转弯半径。

汽车的驱动力来源于轮胎对地面的附着，四轮驱动充分利用了车轮对地面的附着，当然会获得好的驱动性能。

但因转向时各轮的转弯半径不同，各车轮转动的速度也就不同，四个车轮不能刚性连接，必须在左右两轮间，在前后驱动轴间设置差速器。

带来的问题是四个轮的驱动力受与地面摩擦力最小的轮的限制，需要再设置差速锁。

汽车电子控制四轮驱动技术是通过传感器感知四个轮路面的情况，通过微电脑进行分析判断，通过电磁阀驱动，改变黏液偶合器的特性，在前后驱动轴之间，在左右轮上分配驱动力。

目前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新型轿车上。

当今社会汽车已进入了千家万户，每个驾驶汽车的人都希望自己的汽车拥有最佳的舒适性的同时，还具有最可靠的安全性，而在汽车的结构中能够提供此保障的主要部件之一就是汽车的车轮和悬挂。

在现代汽车中，为了使汽车直线行驶、转向轻便、受控力好，并减少轮胎及相关部件的磨损，在轮胎安装和前、后轮的悬挂系统均设置车轮定位角度（各汽车生产厂家根据不同车型，设置不同数据）。

由于更换轮胎或减震器、机械的磨损、机件在剧烈颠波中疲劳变形或车架和机件在碰撞后变形，都会导致四轮定位参数发生变化。

所以一般新车在驾驶3个月后就应做四轮定位检测，以后每行驶l0000公里或更换轮胎及减震器，以及发生碰撞后都应及时做“四轮定位”，检测其是否符合原车标准，并及时进行维修与调校。

第2章四轮转向

2.1四轮转向

除了传统的以前轮为转向轮，后两轮也是转向轮，即四轮转向。

汽车的四轮转向系统在20世纪80年代中期开始发展，其主要目的是提高汽车在高速行驶或在侧向风力作用时的操作稳定性，改善在低速下的操纵轻便性，以及减小在停车场时的转弯半径。

四轮转向主要有两种方式：

当后轮转向与前轮转向方向相同时称为同向位转向；当后轮转向与前轮转向方向相反时称为逆向位转向。

四轮转向技术目前被很多公司所采用，其中大多应用在了大型车辆上，也有一些SUV以及跑车具有四轮转向的功能。

配备四轮转向之后，车辆可以减少转弯半径、提高低速行驶时的机动性以及高速行驶时的操纵性和可控制能力。

我们以德尔福公司的OUADRASTEER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。

OUADRASTEER是在传统的前轮转向基础上增加了一个电动盾轮转向系统。

该系统有三种主要运行方式：

负相、中相、正相。

低速行驶时．后轮转弯方向与前轮相反，这就是负相。

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，负相拖曳操纵，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，OUADRASTEER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。

QUADRASTEER提高了车辆的高速行驶平稳性。

高速行驶时后轮和前轮的转向相同，有助于减少车辆侧滑或扭摆，对平衡车辆在超车、变道、或躲避不平路面时的反应均有帮助。

此外，OUADRASTEER和四轮驱动系统也可以完全兼容，并能提高四轮驱动系统的性能，根据制造厂商的要求，既能由驾驶员选择，又能实现全自动化。

比如，使用选择界面，驾驶员就能调节不同驾驶条件下后轮转向的性能。

选择模式包括一个驾驶，一个拖车拖运，一个两轮转向。

如果四轮转向系统损坏的话，QUADRSEER系统还可控制回到正常两轮转向模式。

2.2四轮转向的组成

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（4WS或4WS挂车）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。

四轮转向系统是一个电子控制后轮操纵系统。

该系统有4个主要部分：

前轮定位感应器，可操纵的固定偏轴伞齿轮后轴，电动发动机驱动的执行机构，控制单元。

四轮转向系统同时改善了低速行驶时的操控性，与使用两轮转向系统相比，拖车更接近主车的行驶轨迹。

在一些特殊行驶状态下，如市区交通堵塞、拖带挂车倒车和泊位时，四轮转向系统大大提高了操控性。

第3章四轮转向系统

3.1四轮转向系统的结构

目前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。

如下图

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。

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。

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。

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。

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。

四轮转向轿车的前后轮转向装置之间的联系形式有机械式，也有液压式、电子式等。

目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。

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。

四轮转向轿车的前后轮转向装置之间的联系形式有机械式，也有液压式、电子式等。

目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（如图3-1所示），在很大程度上改善轿车的转向特性，提高操纵稳定性。

图3-1四轮转向的结构

3.2四轮转向系统的原理

从汽车转向系统的基本过程来看，无论采取怎样的转向形式，都是为了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。

3.3四轮转向系统的类型

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。

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。

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。

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。

我们一般驾驶的汽车都是两轮转向汽车，在中、高速做圆周行驶时，车身后部会甩出一点，车身以稍稍横着一点的姿态做曲线运动，增加了驾驶者的判断与操作的困难。

你有没有想过，如果两个后轮也可以像前轮一样自由转动，那么我们就可以更加自如地进行泊车等操作了，甚至可以将车横向泊入车位。

第4章Quadrasteer四轮转向系统

德尔福公司的四轮转向系统将在通用的2002 Sierra Denali大型皮卡车上使用。

这是首次在卡车上使用，四轮转向系统以前都用在轿车上。

四轮转向系统是一个电子控制后轮操纵系统。

该系统有4个主要部分：

前轮定位感应器，可操纵的固定偏轴伞齿轮后轴，电动发动机驱动的执行机构，控制单元。

转向盘位置和车辆速度传感器不断将数据传输给控制单元，控制单元据此确定后轮的转向角度。

该系统有3种基本状态——正相、中间和负相。

在较低速度的负相，后轮与前轮方向相反；中速时，后轮保持直行；高速时的正相，后轮与前轮方向相同。

高速时后轮与前轮保持相同的方向，可保证更高的稳定性，减少汽车在完成一项操纵动作时产生的偏摆和转动，使汽车即使在恶劣路面条件下也能在直行、转向或闪避时保持稳定的操纵响应。

使用该系统，高速行驶时的牵引稳定性也得到提高。

后轮的正相状态会减小主车和拖挂车之间的铰接角度，减小拖车作用在主车后轮上的侧向力，避免主车和拖车的摇摆。

四轮转向系统同时改善了低速行驶时的操控性，与使用两轮转向系统相比，拖车更接近主车的行驶轨迹。

在一些特殊行驶状态下，如市区交通堵塞、拖带挂车倒车和泊位时，四轮转向系统大大提高了操控性。

通过电子化控制后轮的方向，可以减小重型卡车的转弯半径。

按照通用汽车公司对使用四轮转向系统的大型SUV和卡车的测试，转变半径平均减小了19%。

一种重型卡车的转变半径从14m减小到11.4m。

4.1Quadrasteer四轮转向系统工作原理

OUADRASTEER四轮转向系统是目前最为先进的四轮转向系统之一。

OUADRASTEER是在传统的前轮转向基础上增加了一个电动盾轮转向系统。

系统有四个主要部件——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。

前轮定位传感器和车辆速度传感器连续不断地向控制单元报告数据，控制单元根据报告的数据确定后轮合适的角度。

通过计算，决定正确的操作阶段。

该系统有三种主要运行方式：

负相、中相、正相。

低速行驶时．后轮转弯方向与前轮相反，这就是负相。

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，负相拖曳操纵，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，OUADRASTEER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。

QUADRASTEER提高了车辆的高速行驶平稳性。

高速行驶时后轮和前轮的转向相同，有助于减少车辆侧滑或扭摆，对平衡车辆在超车、变道、或躲避不平路面时的反应均有帮助。

此外，OUADRASTEER和四轮驱动系统也可以完全兼容，并能提高四轮驱动系统的性能，根据制造厂商的要求，既能由驾驶员选择，又能实现全自动化。

比如，使用选择界面，驾驶员就能调节不同驾驶条件下后轮转向的性能。

选择模式包括一个一般驾驶，一个拖车拖运，一个两轮转向。

如果四轮转向系统损坏的话，QUADRSEER系统还可控制回到正常两轮转向模式。

4.2Quadrasteer四轮转向系统优点

德尔福Quadrasteer四轮转向技术极大地提高了SUV、MPV、大型皮卡和卡车的操纵性及舒适性。

简单地说，Quadrasteer系有如下优点：

首先，缩小车辆低速转向时的转弯半径。

在低速转向时，车辆因前后轮的反向转向能够缩小转弯半径达20%。

四轮转向技术使大型车辆具有如同小型车班的操纵及泊车敏捷性。

其次，明显改善车辆高速行驶的稳定性。

当在高速行驶中转向时，四轮转向系统通过后轮与前轮的同相转向，有效降低/消除车辆侧滑事故的发生几率，明显改善车辆高速行驶的稳定性及安全性，进而缓解驾驶者在各种路况下（尤其是在风雨天）高速驾车的疲劳程度。

再次，提高了车辆的挂车能力。

通过转向后轴对挂车的转向牵引，四轮转向系统极大地提高了车辆挂车行驶的操纵性、稳定性及安全性。

第5章安全

以往的汽车四轮转向控制系统的设计，往往依据侧向加速度较小时的车辆运动的线型两轴模型进行线性控制器的设计。

这样在某些危险行驶状态，例如紧急躲避障碍物、在路面摩擦力低的滑路面行驶，汽车四轮转向控制系统将失去应有的控制作用，致使汽车的转向安全性大大减低。

文章提出在侧向加速度大的情况下，利用神经网络理论来设计汽车四轮转向控制系统。

这样的控制系统不依赖于车辆运动的线型模型，它不是基于模型的控制，而是基于知识的控制，保证了控制系统能适应车辆运动的非线性特性。

在以行驶时速60公里为界，低于此速度,转向与前轮反向,高于此速度,则同向转向。

当后轮与前轮同向转向时，汽车在高速中闪避障碍时的稳定性大为提高，因为这时前后桥所受到的离心力更加均衡。

尾部的随动性和稳定性都更好，使车辆在转换线路的时候更灵活，更安全（如图5.1所示）。

当后轮与前轮反向转向时，在狭窄的弯路或街道上汽车会更加灵活。

所有这些底盘系统的运作，包括油门、变速箱都由一体化底盘管理系统ICM统一协调，以便让它们彼此最高效地合作，使行驶状态尽可能适应驾驶者的要求及当前的行驶状况。

图5.1安全变线

第6章前轮转向与四轮转向比较

从车辆的操控性和安全性方面考虑，前驱车的发动机和驱动轴中心在车辆前部，驱动轮也在两个前轮，所以在转弯时前部重心因惯性而往前，容易突破前轮的地面附着力，发生转向不足，俗称“推头”。

后驱车在车辆中心分配上比前驱车平均，一般可以达到50∶50的最佳比例，转弯的极限值更高，但是，由于汽车前轮直接受转向系统支配已经改变了行驶方向，而后面的驱动轮仍有往前的惯性，所以容易出现转向过度，俗称“甩尾”。

四轮驱动则是更平衡的驱动方式，能有效避免转向不足和转向过度等状况，当汽车绕过障碍物的时候前后轮的转向相同，当汽车转弯的时候前后轮的转向方向向反，使转向的中心更加接近汽车的中心部位，使转向半径更小（如图5.1所示），但是，由于发动机扭矩被分配到前后轮，因此，牺牲了一部分动力性，而且比较费油。

图6.1前轮转向与四轮转向比

第7章四轮转向系统的发展

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，这两种装置都能够像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加过多产生不利的影响。

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转弯的角