了解电子控制四轮转向系统

任务七　了解电子控制四轮转向系统

任务描述

本任务主要了解电子控制四轮转向系统的组成、特点及基本工作原理，教学现场应提供电子控制四轮转向系统的示教板及相关器件实物。

任务实施

一、了解四轮转向系统的分类、特性

1．认识电子控制四轮转向系统

随着汽车技术的不断发展，车辆主动安全性日益受到人们的重视，四轮转向系统即是提高主动安全性的方法之一。

所谓四轮转向（4Wheel Steering缩写为4WS），就是四个车轮都能起转向作用，而传统的汽车通常是前轮转向（缩写为2WS），后轮不起转向作用。目前，大部分汽车制造厂家都在积极研发4WS车型，以提高车辆高速行驶时的稳定性和车辆在密集排放的停车场中的进出灵活性。

四轮转向（4WS）与前两轮转向（2WS）相比，四轮转向具有以下优点：

①提高了汽车在光滑路面上高速行驶时的转向性能。

②操纵方向盘时反应灵敏，动作准确。

③在进行急转弯时便于转向操纵，提高汽车高速转弯的行驶稳定性。

④通过后轮转向与前轮转向方向相反，减小了低速行驶时的转弯半径，不但便于在狭窄的路面上进行U形转弯，而且在驶入车库时更加便于驾驶，如图3-44所示。

图3-44　2WS与4WS转向系统高速转弯时比较

2．四轮转向系统的分类及特性

四轮转向系统的分类及特性如下。

①按汽车功能划分见表3-14。

表3-14　按汽车功能划分的类型及特性

②按汽车结构划分见表3-15。

表3-15　按汽车结构划分的类型及特性

知识窗

四轮转向汽车首次出现是在20世纪30年代的日本。近年来，日本的本田、日产等汽车厂商纷纷推出带有四轮转向控制系统的车型，将一些成熟的四轮转向技术运用到某些车型中，大大地提高了汽车的主动安全性。

二、电子控制四轮转向系统的组成

电子控制四轮转向系统主要由各种输入传感器、后轮转向执行器和电子控制器（ECU）组成，电子控制四轮转向系统组成如图3-45所示。

后轮转向执行器的结构如图3-46所示。

三、四轮转向（4WS）工作原理

由于四轮转向系统的电子控制方式较多，通常采用的四轮转向控制方法有转向角比例控制和横摆角速度比例控制两种。这里介绍这两种常用的四轮转向（4WS）控制方法的工作原理。

1．转向角比例控制系统

如图3-47所示为4WS转向角比例控制系统图。

①转向角比例控制的组成：该系统主要由转向枢轴、4WS转换器、电动机和齿轮等组成。

②工作原理：前后的转向机构是用机械方式连接，转向盘的转动通过前转向齿轮箱（齿轮齿条式）中的齿条带动转向横拉杆左右移动，使前轮产生转向，同时小齿轮的旋转输出通过连接轴由输入小齿轮传给后转向齿轮箱，经过转向枢轴和4WS转换器实现后轮转向。

图3-45　电子控制四轮转向系统组成

1—主前转角传感器；2—后轮传感器；3—副后转角传感器；4—后轮转向执行器；5—主后转角传感器；6—ECU；7—副前转角传感器；8—速度传感器；9—前转向机

图3-46　后轮转向执行器结构

1—转向轴螺杆；2—主后转角传感器；3—定子；4—执行器壳体；5—副后转角传感器；6—回拉弹簧；7—换向器；8—电刷；9—转子；10—循环球螺杆

③电子控制：图3-48为四轮转向电子控制（ECU）控制流程方框图，四轮转向电子控制通过转向角传感器，车速传感器等输入信号，实现转向角控制、2WS选择功能、安全性控制。

2．横摆角速度比例控制系统

①横摆角速度比例控制的组成如图3-49所示。

②横摆角速度比例控制的工作原理。转换后转向机构的控制阀油路，使阀芯左右移动；在前轮转向时控制阀将后轮的最大转角控制在5°，而与前轮转向无关时将后轮转向角控制在1°；后轮转向是机械式转向和电子式转向的合转向；具体表现在以下4个方面。

图3-47　转向比例角控制4WS系统图

图3-48　四轮转向电子控制ECU控制流程方框图

3．前轮转向操纵机构

转向盘的旋转运动传递到转向器的小齿轮和齿条，并随着齿条的左右移动带动小齿轮旋转，此时与小齿轮成为一体的前带轮就做正反旋转。前带轮的旋转通过转向角缆绳传动到后轮转向操纵机构的后带轮上。控制齿条上有一定的自由行程，相应的转向盘的转动范围为0～250°，所以不能进行与前轮转向角连动的后轮转向操纵。高速行驶时，后轮只是通过脉冲电机进行电子式转向控制。

4．后轮转向操纵机构

机械式转向操纵机构的情况是通过缆绳将转动传递到后带轮并带动控制凸轮，而凸轮推杆仿照凸轮外形运动带动阀套筒左右移动。转向盘向左转动时，后带轮作向右旋转。随着后带轮的旋转，凸轮曲率半径变小，凸轮推杆被拉出，阀套筒就向左移动。转向盘向右转动时，则相反。随着凸轮曲率半径变大，凸轮推杆被推进，阀套筒就向右移动。由于阀套筒和阀芯的相对位移，使来自液压泵的工作压力油路被切换，转向盘左转时，阀套筒就向左移，使油液进入液压缸的右室，动力活塞向左移动，此时与活塞一体的拉杆向左移动，将后轮向右转。后轮转向操纵机构如图3-50所示。

图3-49　横摆角速度比例控制组成图

图3-50　后轮转向操纵机构

5．大转向角控制

当前轮向左转向时，阀套筒向左方向移动，并与阀芯之间产生相对位移。如图3-51所示a部和b部被节流，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，因为脉冲电机不工作，阀控制杆就以支点A为中心回转并将阀心从B点移到左方的B′点。因此，打开处于节流状态的阀a部以及b部，降低动力油缸右室的压力。结果是当活塞杆移动到规定的位置时，a部及b部的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。

图3-51　大转角控制示意图

6．小转向角控制

小转向角控制采用螺旋齿轮和曲柄组合结构将脉冲电动机的旋转运动变为阀芯的直线运动。当从动齿轮向左旋转时，阀控制杆的上端支点A就以从动齿轮中心O为回转中心移动到A′ 。脉冲电机刚起动瞬间，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，使阀心向左移动。缆绳不动时，阀套筒固定不动，与阀套筒产生相对位移，阀的a部以及b部被节流，高压油进入油缸左室。小转角控制如图3-52所示。

图3-52　小转角控制示意图

四、四轮转向技术的应用

四轮转向技术目前被很多公司采用，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，20世纪80年代的本田Prelude轿车、马自达602轿车及GM BlazerXT-1概念车都曾经运用了四轮转向技术。配备了四轮转向技术的汽车如图3-53所示。

图3-53　配备四轮转向技术的汽车

五、任务评价表

自我测试

1．定前后轮转向比的四轮转向系统能使加速度响应时间_____________。

2.4WS转向角比例控制系统主要由_____________、4WS转换器、_____________和齿轮等组成。

3．简述四轮转向系统的优点。

4．简述四轮转向系统中的小转角转向控制的原理。