未来汽车发展的必然趋势-智能四驱

1未来汽车发展的必然趋势——智能四驱摘要随着现代汽车技术的发展,人们对汽车各种性能的要求越来越高。汽车的电控四轮驱动(4WheelsDrivingSystem,4WD)技术能够根据前后轴的转速等信息,控制并分配前后轴驱动力,使汽车具有防滑能力、良好的加速性和行驶稳定性。四轮驱动已由70年代以前主要用于越野车发展到目前以轿车为中心迅速普及开来。随着对4WD这一领域研究的不断进展,出现了多种不同结构形式、不同控制方案的实用4WD系统。粗略地将四轮驱动分类,有短时四轮驱动和常时四轮驱动之分。如果按前后扭矩分配方式进行分类,常时四轮驱动可分为二种,一、四轮驱动的概述四轮驱动；所谓4轮驱动，又称全轮驱动，是指汽车前后轮都有动力。可按行驶路面状态不同而将发动机输出扭矩按不同比例分布在前后所有的轮子上，以提高汽车的行驶能力。一般用4X4或4WD来表示，如果你看见一辆车上标有上述字样，那就表示该车辆拥有4轮驱动的功能。过去只有越野车采用4轮驱动，一般的越野车，变速器后面装有手动分力器，前后车轴各装一个称为驱动桥的部件。变速器输出的扭矩通过分力器和传动轴，分别传递到前后车轴上的驱动桥，再通过驱动桥将扭矩传递到轮子上。现在有些轿车也用上4轮驱动装置，比如奥迪A4quattro、欧蓝德4驱版。现在轿车的马力都比较大，加速时重心后移，全车重量就会向后轴移动，造成前轴轻飘。前轮驱动的轿车即使在良好的路面上也会打滑，4轮驱动就可以防止这种现象发生。轿车上的4轮驱动装置是常啮合式，增加了粘性耦合器，省去了手动分力器，2自动将扭矩按需分配在前后轮子上。在正常路面上，4轮驱动装置将引擎输出扭矩的92％分配到前轮，8％分配到后轮；在滑溜的路面上，将至少40％的引擎机输出扭矩分配给后轮；当前轮开始打滑时，前、后轮的转速差异会使耦合器中的粘液立即变稠并锁住耦合器，从而使传动轴只将扭矩传递至后轮，待前、后轮的转速差异消失就自动回复原有驱动形式。目前，轿车的4轮驱动装置已经引进了电子计算机控制系统，当前轮或后轮驱动时，车子随时根据路面状态的反馈信息分配前后轮子的动力，变为4轮驱动。4轮驱动又可以细分成4种驱动模式：全时驱动（Full－Time）、兼时驱动（Part-Time）、适时驱动（Real－Time）和兼时/适时混和驱动。全时驱动（Full－Time）：前后车辆永远维持4轮驱动模式，行驶时将发动机输出扭矩按5050设定在前后轮上。全时驱动具有良好的驾驶操控性和行驶循迹性，缺点是比较废油，经济性不好。兼时驱动（Part-Time）：由驾驶员根据路面情况，通过接通或断开分动器来变化2轮驱动或4轮驱动模式，这也是一般越野车或4驱SUV最常见的驱动模式。优点是可根据实际情况来选取驱动模式，比较经济；缺点是其机械结构比较复杂，驾驶员要具有一定的经验才能掌握好切换时机。适时驱动（Real－Time）：采用适时驱动（Real－Time）的车辆，其选择何种驱动模式由电脑控制，正常路面一般采用后轮驱动，如果路面不良或驱动轮打滑，电脑会自动测出并立即将发动机输出扭矩分配给其它两轮，切换到4轮驱动状态，操纵简单。其缺点是电脑即时反应较慢，缺少驾驶乐趣。四轮驱动系统分为两大个类别：主动与被动，但目的不外乎只有一个，就是把动力从空转打滑的轮子移走，然后再重新分配到抓地力较大的轮子上，就好比车轮打滑，我们要用石块木板等东西塞在打滑的轮子下面一样，道理很简单。当两轮（前轮或者后轮）驱动的汽车发生轮胎空转打滑的时候，补救措施只有一个，就是减小引擎的驱动力，而驾驶者只有通过收油才能达到这个目的，或者行车电脑控制油门的收小。而四轮驱动的汽车就不同了，你可以任凭自己的喜好打脚加油，动力会通过电子系统自动分配到各个车轮上，能更加有效的防止车轮打滑的情况发生。二、全时四驱系统的基本构成以丰田普拉多（PRADO）为例，四驱传动系统的机械部分主要由变速器、分动器（可电控锁止差速器）、前后传动轴及前后差速器等组成（图1）。四驱的电控部分由制动控制ECU、发动机ECU、中间差速器锁止按钮、驻车及空挡位置开关、4WD控制ECU和分动器电控执行器等组成。分动器电控执行器根据驾驶员的操作意愿（中间差速器锁止按钮）、汽车制动状态、发动机运行转速状态、变速器挡位状态等信号对分动器内的差速器进行锁止控制。这样做的目的是为了便于驾驶员操作，确保分动器内的传动切换准确有效，避免由于误操作而造成的机件损坏.3分动器电控执行器一汽丰田普拉多（PRADO）的发动机型号为1GR-FE，变速器型号为A750F，其分动器采用经过改进的VF4BM。如图2所示，分动器有L和H两个挡位，传动比分别为2.566和1.000，L、H挡位由驾驶员手动操作。驾驶员根据路面状况切换“中间差速器锁止按钮”对差速器进行锁止，因而可实现H4F-H4L-L4F-L4L的换挡模式。H4F和L4F为分别对应分动器高、低挡的差速器“F”（自由）模式，H4L和L4L则为“L”（锁止）模式。其他类型的分动器如表1所示，其中VF2A分动器在普拉多2700车型上使用，TORSENLSD为选装部件。由变速器传来的动力经分动器的副变速L或H齿轮传到差速器外壳齿轮，再经差速器内的传动机构把动力传到前、后轴，4WD控制ECU对分动器电控执行器进行控制，驱动“中间差速器锁止拨叉轴”实现中间差速器锁的切换。TORSENLSD防滑差速器结构TORSENLSD的结构主要由差速器外壳、行星齿轮架、行星齿轮、太阳轮、环形齿轮接合齿、太阳轮接合齿及4个离合器盘等组成。结构中有8个行星齿轮与环齿和太阳轮齿内外相互啮合，它们之间相互啮合齿轮的齿形属于TORSENT-3型。当环齿与太阳轮的转速不等时（某一驱动轴有打滑趋势），行星齿轮会被迫产生自转运动，这个自转运动又会导致与环齿或太阳轮的轴向相对运动。轴向运动的压力对安装在装置内的离合器盘施加压力，产生内摩擦力，因此限制了相对运动，也就限制了打滑的驱动轴的运动，而增加不打滑的驱动轴的扭矩；太阳轮与太阳轮接合齿相互配对，以便把太阳轮传来的动力输出到前驱动轴。而环形齿轮接合齿则把环齿的动力输出到后驱动轴，因此接合齿实际上是用于传递动力的过渡齿轮。只要前、后驱动轮因地面附着力的变化而导致扭矩的变化，差速器会立即产生比普通差速器（非限制式）要大得多的内摩擦扭矩。这种差速器的限制方式也叫扭矩敏感式。不同行驶状态TORSENLSD的扭矩分配把分动器切换到H4F或L4F模式时，差速器处于“自由模式”，TORSENLSD有如下的4种工作状态。1.前轴转速等于后轴转速当汽车在良好路面直线行驶时，前轮与后轮的转速接近相等，即太阳轮与环齿的角速度也相等，动力的传动路线如图6所示。如图7所示，太阳轮与环齿转速相等，行星齿轮不做自转运动，差速器的内摩擦为0，太阳轮与环齿半径之比为2:3，前轴与后轴的扭矩比为2:3。正常行驶时，后轴得到60%的扭矩，前轴得到40％的扭矩。这种扭矩分配方式与汽车的质量分配相对应，有利于利用车辆加速时后轴载荷大于前轴的情况下，提升车辆轮胎的抓地力，增加车辆的稳定性。2.前轴转速大于后轴转速当汽车转向或因湿滑路面导致前轮打滑时，车辆则会出现前轴转速大于后轴的情况。如图8所示，太阳轮转速大于环齿转速，两者的相对运动使行星齿轮被迫自转。但是由于它与环齿和太阳轮齿相互啮合，啮合的齿形角产生很大的摩擦力，同时它与行星齿轮架之间也会产生摩擦力，因此行星齿轮的自转受到以上摩擦力的作用，挤压4号离合器盘。另一方面，环齿则沿轴向向左运动，挤压1号离合器盘。4号离合器盘的摩擦力，限制了高转速的太阳轮的转速继续增加，1号离合器盘的摩擦力，则把差速器外壳上的动力直接传递到环齿。由上可知，行星齿轮自传的摩擦力和离合器片的摩擦力构成了内摩擦力矩，从而增加了后轴4的驱动力。前、后轴的扭矩分配比最大可达到29:71，从而减小前轴的扭矩，把更多的驱动力分配到附着状况好的后轴。当车辆实现这种扭矩分配后，转向时前轴驱动扭矩降低，增加了侧向附着力，可减小转向侧滑的趋势，操作稳定性得到了改善，同时也提高了汽车在湿滑路面行驶时的通过性。3.前轴转速小于后轴转速当环齿转速大于太阳轮转速，此时行星齿轮也产生自转，自转时与环齿、太阳齿和齿架之间会产生摩擦阻力；同时行星齿轮沿轴向向左运动，环齿和太阳轮分别向左、向右做轴向运动，环齿仍然挤压1号离合器盘，行星齿轮挤压2号离合器盘，太阳轮挤压4号离合器盘，因此，后轴的高转速受到1号和2号离合器片摩擦力的限制，同时动力由行星齿轮架通过4号离合器盘的摩擦力直接传递到太阳轮，增加了前轴的输出扭矩。差速器的内摩擦力由1号、2号、4号和行星齿轮自转摩擦力组成，使前、后轴的扭矩分配比最大达到53:47。4.中间差速器的锁止如果前轮的地面附着力较小，出现了滑转趋势，差速器自动限制其滑转，前轮驱动力自动降低到29％。若前轮附着力继续减小，而此时前轮驱动力不能再降低，未滑转的后轴所分配到的扭矩只能达到71％，此时，驾驶员应该锁止差速器，这种情况一般发生在特别恶劣的泥沼路面。如前轮离开地面（悬空），该车轮的驱动力降为0，此时如果未锁止差速器，后轴只能分配到71％的最大驱动力，但如果锁止了差速器，后轴则可分配到100％的驱动力。驾驶员应该根据驾驶经验，在进入恶劣路面前提早锁止差速器，以使汽车驶入该路面时获得更好的越野性能。但是当汽车在驶入良好路面时，必须解除对差速器的锁止，否则汽车前、后轴会产生运动干涉，造成汽车转向困难、传动系振动、机件磨损和油耗增加，甚至会损坏传动部件。三、四轮驱动的技术特征非常接合式四轮驱动为越野车采用的传统结构形式，其特点是可以根据路面情况手动地选择四轮驱动或两轮驱动。全时四轮驱动是指20世纪70年代末出现的以在硬路面上行驶为主的常接合式四轮驱动，由于其在各种路况下尤其在潮湿路面和冬季路面上均有较好的驱动能力，低档加速性好，驱动力不受汽车轴荷分配改变的影响，在泥泞和雪地上的行驶稳定性好，对侧风的敏感性小，各轮胎的磨损比较均匀，它已成为今后的发展方向。轿车采用常接合式四轮驱动，虽使其结构复杂、质量增大、造价提高、油耗增加（约5%～10%），通常其最高车速也有所降低，但可大大地提高它对各种路面的适应性，提高其行驶安全性及通过性，因此深受用户欢迎，得到迅速发展。以往，常接合式四轮驱动汽车装有轴间差速器及差速锁，后来有的差速锁被粘性离合器或液压多片摩擦离合器所代替；又出现了没有轴间差速器而代之以液压多片离合器、粘性离合器或超越离合器的新型常接合式四轮驱动汽车。粘性离合器如上图所示，其输入、输出轴分别以花键与内、外圆盘相联，壳内充满硅油，利用内、外圆盘间硅油的粘性剪切力传递转矩。它所传递的转矩随输入、输出轴间转速差的变化而变化，旋转速度改变时转矩变化非常平稳。装轴间差速器的四轮驱动汽车的一轮滑转时，将导致其它各轮的驱动力下降。加装差速锁锁住轴间差速器，则成为刚性联接的四轮驱动系统，这时动力在车轮间的分配由轮胎与地面的附着力决定，而在轴间差速器壳上的总的驱动转矩T0等于前、后驱动轮转矩TF、TR之和，5且前、后轮转速ωF、ωR相同。当轴间差速器起作用时，经它传到前、后轮的转矩的分配由差速器的传动比α决定，即：TF=αT0TR=（1－α）T0轿车上采用的几种常接合式四轮驱动系统如上图所示，在采用粘性离合器传递的四轮驱动系统中，粘性离合器装在汽车的传动轴上，并把转矩Tv通过粘性离合器传到后轮，即：TF=T0－TvTR=Tv当采用液压多片离合器作为转矩分配器并装在汽车的传动轴上时，它能在前、后轮间控制适宜的转矩比，以保持平衡。经液压多片离合器传给后轮的转矩TC除与离合器的摩擦面数、摩擦面的平均半径及摩擦系数有关外，还与压紧摩擦片的油压P呈正比线性关系，而油压又由电控系统自动控制。电控系统是根据车轮转速及发动机节气门开度等汽车行驶信息调节输向油压调节阀的指令电流，后者用于控制油压调节阀、改变油压，从而改变液压多片离合器传给后轮的转矩及前、后轮的转矩分配。前、后轮的转矩分别为：TF=T0－TCTR=TC在采用超越离合器的四轮驱动系统中，超越离合器加在通向前轮的传