四轮转向实验台使用说明书2.docx

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四轮转向实验台使用说明书2

目录

第一部分、产品说明和功能介绍……………………………………2

1、产品说明…………………………………………………………2

2、功能介绍…………………………………………………………2

第二部分、台架使用方法……………………………………………4

第三部分、四轮转向系介绍…………………………………………6

1、四轮转向系统转向特性……………………………………………4

2、转向角比例控制四轮转向系统……………………………………5

3、横摆角速度比例控制4WS…………………………………………10

第一部分产品说明和功能介绍

一、产品说明

转向系统是汽车底盘的重要组成部分，本实验台采用的是马自达929卡佩拉车型的转向系统和悬架系统，各部件安装精良、结构布局合理，通过本实验台可以了解汽车转向系统各部分的组成、构造及其工作原理。

为方便控制和保护系统元件，该实验台上设置有总电源开关，在接上外接电源的情况下，应在ON的位置上各部分才能正常工作。

本实验台还安装有油门踏板，可踩下和松开此踏板来调节车速。

该实验台结构紧凑、操作可靠、工作灵敏，本实验台可以移动，并可以在任意位置锁止，安全可靠，方便移动和教学展示。

二、功能介绍

1、该实验台可以演示四轮转向系统的各部分组成；

2、该实验台可以演示四轮转向系统的各部分的结构；

3、该实验台可以按照技术要求实现四轮转向系统的转向的运转过程；

4、配置可移动实验台及脚轮刹车装置，表面采用高档金属漆喷涂耐蚀性能好，适应各种环境的教学实训。

5、在教学中本实验台可以让学生实际操纵方向盘，并通过操纵油门踏板实现不同转速下的四轮转向过程。

第二部分台架使用方法

首先接上380V和220V外接电源，把实验台上的电源总开关按下，电源总开关指示灯亮，系统通电。

然后进行如下操作：

踩下油门踏板，使车速小于35km/h，此时操纵方向盘，使其向左转动，则前轮向左转动而后轮向右转动；再操纵方向盘，使其向右转动，则前轮向右转动而后轮向左转动，即在车速在35km/h以下时，前后轮转动方向相反。

踩下油门踏板，使车速等于35km/h，此时操纵方向盘，使其向左转动，则前轮向左转动而后轮向基本不转动；再操纵方向盘，使其向右转动，则前轮向右转动而后轮也基本不转动，即在车速在35km/h以下时，前轮转动后轮不动。

踩下油门踏板，使车速大于35km/h，此时操纵方向盘，使其向左转动，则前轮向左转动而后轮向左转动；再操纵方向盘，使其向右转动，则前轮向右转动而后轮向也向右转动，即在车速在35km/h以下时，前后轮转动方向相同。

第三部分四轮转向系介绍

所谓四轮转向汽车（4WS汽车），是指四个车轮都是转向车轮的汽车，或四个车轮都能起转向作用的汽车。

一、四轮转向系统转向特性

（一）4WS汽车与2WS汽车性能比较

普通四轮转向汽车在转向运动的初期，只有前轮在自转的同时又以转向主销为轴心相对于车身发生偏转（公转），而后轮只自转而不偏转（公转），不起主动转向作用。

当前轮偏转后，前轮先改变了前进方向，地面就有一个侧向力通过前轮作用于车身，使车身横摆。

车身在改变原来运动方向的同时产生离心力，车身产生的离心力同时传给前轮和后轮，传给前轮的离心力平衡地面作用在前轮上的侧向力，而传给后轮的离心力使后轮轮胎产生侧偏并改变后轮行进的方向，这时后轮才参与汽车的转向运动。

显然，两轮转向的汽车在转向时，从转向盘到后轮参与转向运动之间存在一定的滞后时间，使汽车转向的随动性（灵敏度）变差，并使汽车转向半径增大。

1．转弯时动作过程简单。

（1）两轮转向汽车的转向过程：

两轮转向汽车在转弯时的动作过程有九个步骤：

驾驶员的意志一打转向盘一前轮改变方向～前轮胎变形产生横向力～汽车方向发生改变～后轮改变方向～后轮胎变形产生横向力～车辆开始转弯～路线与车轮轨迹发生偏转一驾驶员的意志修正。

（2）四轮转向汽车的转向过程：

四轮转向汽车在转弯时的动作过程只需六个步骤：

驾驶员的意志～打转向盘～前后轮同时改变方向一前后轮胎变形产生横向力～车辆开始转弯～路线与车轮轨迹发生偏转一驾驶员的意志修正。

2.转弯时的稳定性提高。

在高速转弯时，轮胎容易产生滑动，四轮转向的滑动减少，从而使高速转弯时的稳定性提高。

3．转弯操作的应答性及正确性提高。

从驾驶员开始操作转向盘到车辆开始转弯动作，四轮转向较两轮转向应答时间大为缩短，不必要的修正动作减少，使转向正确性提高。

4．高速直行稳定性提高。

在高速直线行驶时，如突遇不良路面或横风吹袭时，四轮转向的直行稳定性亦较两轮转向高。

5．变换车道容易。

在高速行驶变换车道时，操作容易，车身摆动减少。

6.最小转弯半径减小，转向操作灵活。

四轮转向在做U形回转、入库操作、狭路行车时较两轮转向容易。

（二）4WS汽车的转向特性

四轮转向系统可使汽车在低速行驶时，使前、后轮逆向偏转，改善汽车的操纵性，获得较小的转向半径；在中、高速行驶时，使前、后轮同向偏转，减小汽车的横摆运动，提高车道变更和曲线行驶时的操纵稳定性。

1．4WS汽车低速转向特性。

汽车在低速转向行驶时，后轮相对于前轮反向偏转（如图7-34），并且偏转角度应随转向盘转角增大而在一定范围内增大。

如汽车急转弯、掉头行驶、避障行驶或进出车库时，使汽车转向半径减小，机动性能提高。

这时，四轮转向汽车可以轻松地通过两轮转向汽车需多次反复倒车才能通过的地方。

2．4WS汽车高速转向特性。

汽车在高速行驶转向时，后轮相对于前轮同向偏转（如图7-35），如汽车通过曲率不大的弯道或汽车变道行驶时，使汽车车身的横摆角度和横摆角速度大为减小，使汽车高速行驶的操纵稳定性显著提高。

相当多的汽车把改善汽车操纵性能的重点放在提高汽车高速行驶的操纵稳定性上，而不过分追求汽车低速行驶的机动性和减小汽车转弯半径，因此，一些四轮转向汽车在中、低速行驶时只用前轮转向，当书车速超过一定限值后（如55lffn/h），后轮转向机构才投人工作，并且后轮只保持与前轮同向偏转。

二、转向角比例控制四轮转向系统

所谓转向角比例控制就是后轮转角与前轮转角成比例。

在低速区前后轮逆向，而在中高速区前后轮同向。

在中高速区的转向操纵应使前后轮平衡稳定并处于恒定转向状态，汽车的前进方向和车体的朝向就能一致，并能得到稳定的转向性能。

（一）系统组成

丰田汽车转向角比例控制四轮转向系统如图7-36所示。

该系统前、后轮的转向机构进行机械连接。

转向盘的转动传到前转向器（齿轮齿条式），齿条使前转向横拉杆作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转向齿轮箱中，后轮的转角与转向盘的转角成比例变化，并让其在低速转向时，后轮与前轮反向转动；在中高速行驶时，后轮与前轮同向转动。

这种控制方式可以使汽车在中、高速转向行驶时，前后轮保持相对稳定的平衡。

让汽车的前进方向与其车身的方向保持一致，获得稳定的转向特性。

在转向初期的过渡阶段，由于从一开始，前、后轮都同时产生侧偏力，使得车身的公转运动早于其自转的横摆运动，与两轮转向汽车的转向相比，其转向方向的偏差要小得多。

1．转向枢轴。

后转向齿轮箱的转向枢轴实际上是一个大轴承（见图7-37）。

它的外圈与扇形齿轮做成

一体，可绕转向枢轴左右倾斜运动，内座圈与一个突出在变换杆上的偏心轴相连，变换杆由4WS转换器中的电动机驱动，绕其旋转中心，可正、反向运动，并使偏心轴可在转向枢轴内上、下旋转55。

。

与连接杆相连的输入小齿轮向左或向右转动时，旋转力就传到扇形齿轮上，扇形齿轮带动转向枢轴并通过偏心轴使变换杆左右摆动。

变换杆的左右摆动又使后转向横拉杆移动，从而带动后转向节臂转动，使后轮转向。

图7-37b说明了转向枢轴与偏心轴的运动使后轮产生与前轮同向或反向转动的关系。

当偏心轴的前端与转向轴左右旋转中心一致时，使转向枢轴左右倾斜，变换杆完全不动，此时后轮处于中间位置。

当偏心轴的前端位于转向枢轴旋转中心上方或下方，并有一定的偏距时，转向枢轴的左右倾斜就会使变换杆产生较大的位移量。

当偏心轴的前端处于转向枢轴的上方，则后轮相对前轮反向转动；若偏心轴的前端处于转向枢轴的下方，则后轮相对前轮同向转动。

图7-37c示出了转向枢轴转角与变换杆的转角左右移动量的关系。

2.4WS变换器。

图7-38示出了四轮转向汽车的变换器结构图。

该变换器由主电动机与辅助电动机组成的驱动部分，行星齿轮组成的减速部分和使变换杆转动的蜗杆所构成。

一般情况下，主电动机工作，辅助电动机不工作。

辅助电动机的输出轴与行星齿轮机构中的太阳轮相连，主电动机输出轴与行星齿轮相连，而行星齿轮机构中的齿圈就成为变换器的输出轴。

平时，太阳轮固定，与主电动机相连的行星齿轮轴转动，亦即，行星齿轮一边围绕太阳轮公转，一边自转，同时带动四轮转向变换器输出轴的齿圈转动。

当主电动机不工作时，行星齿轮就成为一个中介的惰轮（只自转，不公转），直接将辅助电动机的转动传给齿圈，从而带动变换杆同向转动。

3．车速传感器。

汽车中通常所使用的车速传感器与车速表传感器和ABS控制系统中所提及的的车速传感器相同。

电子控制装置根据车速传感器检测到的车速去控制后轮转向角和相位。

4.转角比传感器。

安装在执行器上的转角比传感器采用一只可变电阻，图7-39显示了该传感器的安装位置。

通过检测转角比传感器输出的电压值，可指明执行器的状态和转向情况、转向比例以及根据前轮转向情况所得到的后轮最大偏转量。

（二）控制原理，图7-40所示的是电子控制装置的控制原理田。

电子控制装置根据转角传感器、车速传感器的翰人伶号，可进行如下的控制。

1.转角比控制。

依据图7-41示出的转角比控侧图，再根据行驶车速控制主电动机，从而实现对转角的控制。

驾驶员可使用四轮转向模式切换开关，选释"NORMAL"或"SPORT"模式。

作为控制系统输人的车速信号，主要来自车速襄的速度传感器，另外，任一前轮的ABS轮速传感器中的轮速信号将作为反馈信号输人控制系统。

同时摘人给电子控制装置的信号还有由转角比传感器检侧出的后转向器中变换杆的转动角度信号和由横摆污动产生的车身回转角模拟电压信号。

2.两轮转向选择功能。

当两轮转向选择开关设定在ON，且变速器被挂人倒档位置时，后轮转向量就被设置为零，对那些习惯于使用两轮转向系统倒车的人来说，可利用这一功能。

3．故障诊断控制。

当系统发生异常情况时，防误操作控制会进行如下的处理：

使驾驶室内的“四轮转向警示灯”点亮，告知驾驶员已出现异常情况，同时，将发生异常情况的部位存储到电子控制装置中。

（1）主电动机异常：

此时，驱动辅助电动机，仅利用转角控制图中"NORMAL"模式的同向转向部分，进行与车速相对应的转角比控制。

（2）车速传感器异常：

使用SP1,SP2中输出的较高车速值，通过主电动机仅进行同向转向的转角比控制。

（3）转角比传感器异常：

利用辅助电动机，驱动到同方向的最大值，然后，中止其后的控制，若此时辅助电动机异常，则用主电动机完成上述工作。

（4）电子控制装置异常：

利用辅助电动机，驱动到同方向最大值，然后停止其后的控制，此时要避免出现反方向转向。

三、横摆角速度比例控制4WS

1991年丰田Soara型轿车上装用了横向偏转角比例控制四轮转向系统，该系统附加横向摆动率反馈控制，利用横向摆动率传感器检测车辆转向，抵消这一拐弯力以控制后轮转向，使汽车能主动适应行驶中

横向摆动率的变化，确保车辆行驶的稳定性。

（一）系统组成

该系统的组成如图7-42所示。

它是一种根据检测出的车速横摆角速度来控制后轮转向量的控制方法。

因为通过横摆角速度可直接检测出车身的自转运动，因此，根据检测出的数值，对后轮的转角也作相应的增减，就可能从转向初期开始，使车身方向与前进方向之间的误差非常小，又由于它能直接感知到车辆的自转运动，因此，即使有转向以外的力（如横向风等）引起车身自转，也能马上感知到，并可迅速通过对后轮的转向控制来抑制自转运动。

系统中使用多个传感器感知转向信息和汽车行驶状况，并用新开发的后轮转向执行机构主动控制后轮的转向角度。

此系统主要由以下两个控制模块组成：

一是纯机械转向控制模块，目的在于改善低速下的操纵性；另一是电子转向控制模块，它不仅用来改善中、高速时的操纵性和稳定性，而且也用来提高抗外来干扰的能力。

1.前轮转向机构。

图7-43示出了前轮转向机构的详细部分。

转向盘的转动，传到转向器中的齿轮齿条上，齿条端部的移动又使控制齿条左右移动，带动小

齿轮转动，使与小齿轮做成一体的前滑轮产生正反方向的转动。

滑动轮的转动通过转角传动钢丝绳传递到后轮转向机构中的滑轮上。

控制齿条存在一个不敏感行程，转向盘左右约2500以内的转角正好处于此范围内。

因此，在此范围内将不会产生与前轮连动的后轮转向，由于高速行驶时不可能产生这样大的转角，所以事实上，高速行驶时的后轮仅由脉动电动机控制转向。

2．后轮转向机构。

图7-44示出后轮转向机构的详细部分，在机械转向时，纲丝绳的行程一传到后滑轮，就带动控制凸轮转动，凸轮随动件就沿凸轮的轮廓线运动，使阀管左右移动。

当转向盘向左转动时，后滑轮向右移动。

此时凸轮的轮廓线是向半径减小的方向转动，将凸轮随动件拉出，使阀管向左边移动。

当转向盘向右转动时，与上述相反，凸轮的轮廓线向半径增大的方向转动，把凸轮随动件推向里面，使阀－管向右移动。

来自高压油泵的作动油压油路根据阀管与阀轴的相对位移进行切换。

当转向盘左转时，阀｛管向左方移动，将来自油泵的高压油输进油缸的右室，驱动动力活塞向左移动。

此时，与活塞做成一体的油缸就被推向左方，带动后轮向右转向。

相反，当前轮向右转向时，动力活塞被推向右方，带动后轮向左转向。

总之，不管是哪一种情况，后轮都是反向转向。

在电动转向时，阀管固定不动，此时，根据由脉动电动机驱动的阀控制杆的左右摆动，使阀轴左右移动，从而引起动力活塞的左右运动，其动作原理与上述机械转向时一样。

脉动电动机根据ECU的指令，可进行正、反向转动，因此它可完成与前轮转向无关的后轮转向操作。

（二）控制形式

与前轮的转向量相对应，后轮的转角控制形式可分为下述的大转角控制与小转角控制二种。

1．大转角控制（机械式转角控制）。

当前轮转角处在不敏感范围内时，阀轴与阀管的相对位置处于中间状态。

因此，从油泵来的油液就流回到储油器中，动力油缸中的左、右室仅存较低油压，油缸轴就在回位弹簧的作用下，处于中间位置。

当前轮左转时，阀管向左方移动，与阀轴之间就产生了相对位移，使图7-45中a部与b部的节流面积缩小，高压就作用到动力油缸的右室，将动力活塞推向左方，使后轮向右转向。

此时油缸轴也向左方移动，由于脉动电动机没有起动，阀控制杆就绕支点A转动，带动阀轴移动到比B点更左边的B'点。

由于这个原理，已缩小的a部与b部的节流面积又增大，使动力油缸右室内的压力下降。

其结果，当油缸轴一

移动到目标位置后，a部与b部的节流面积就正好达到与由车轮产生的外力相平衡的位置，从而使后轮不产生过大的转向。

在外力发生变化时，油缸轴也产生微量的移动变化，立刻引起阀控制杆对阀轴产生一个相应的反馈量，变化到与外力相平衡所需的活塞压力的节流面积，使其始终保持平衡。

2.小转角控制（电动转角控制）。

由于要将脉动电动机的旋转运动转变为阀轴的直线运动，使用了一种将螺旋齿轮与曲轴相互接合而构成的机构。

脉动电动机的旋转由一个蜗轮传送给被动齿轮，再通过曲轴使阀控制杆摆动。

被动齿轮左转时，阀控制杆的上端支点A以被动齿轮的中心点O为转动中心向A'点摆动。

在脉动电动机起动的瞬间，后转向轴还没有移动，因此阀控制杆就以C点为中心向左方摆动，使杠杆的中间点B移到B'点位置，带动阀轴移向左方。

在钢丝绳没有动作的时候，阀管是固定不动的，因此阀轴的移动就使阀管、阀轴之间产生相对位移，引起图7-46中a部以及b部的节流通道收缩，使高压作用到油缸左室。

当油缸轴向右方移动时，反馈杆就以支点A’为中心转动，带动阀轴向右移动到了。

这个移动又使a部和b部的节流通道张开，使油压降低，从而达到与上述机械转向时一样的平衡。