四轮驱动汽车构造及原理-全部概要PPT课件

05.06.2020,.,1,四轮驱动汽车的构造及原理,05.06.2020,.,2,内容提要,四轮驱动汽车的概述四轮驱动的主要装置驱动系的总布置形式四轮驱动的分类及特点四轮驱动汽车的行驶特性驱动型式对汽车行驶特性的影响,05.06.2020,.,3,四轮驱动汽车的概述,四轮驱动汽车的引入最初，对四轮驱动汽车仅仅注意其牵引性，即在二轮驱动难以通过的地方使另外的二轮也参与驱动，或者是将强大的动力尽可能的分配给多个轮胎，从而提高汽车的通过性。最近，高性能轿车也开始采用四轮驱动了。此类汽车使用四轮驱动不仅仅为了提高汽车的牵引性和通过性，更重视汽车的行驶性、转向性和制动性。为了达到上述要求，四轮驱动系统采用分动器、中间差速器、差动限制装置等一系列装置，自动的或按司机驾驶意图综合的控制发动机功率及制动力，尽可能的降低功率损失，把驱动扭矩合理的分配给前后车轮。,05.06.2020,.,4,四轮驱动汽车的概述,四轮驱动汽车的概念四轮驱动汽车是具有将发动机的动力传递给四个车轮，并通过这些车轮驱动、行驶的汽车。四轮汽车的发展历史1.能像马车一样行驶的汽车2.战争加速了越野四轮驱动汽车的发展3.四轮驱动赛车在方程式汽车大赛中的使用4.在汽车拉力赛中独领风骚的四轮驱动汽车5.四轮驱动汽车向实用汽车方向的发展6.高性能轿车的四轮驱动化,05.06.2020,.,5,四轮驱动汽车的概述,四轮驱动系统总布置图1.将发动机产生的动力传递给变速器，然后利用分动器把动力分配给前后传动轴，接着通过传动轴将动力传递给前后差速器，与各个差速器相连接的半轴使四个轮胎旋转，如方案12.许多时候不使用分动器，而在分动器的位置上布置中间差速器，它具有差动功能，又称轴间差速器，如方案23.对于前轮驱动轿车，四轮驱动化时，为了解决布置困难的问题，常将变速器中间差速器和前差速器布置到一个壳体中，如方案3,05.06.2020,.,6,四轮驱动的主要装置,分动器差速器差动限制装置粘性联轴节万向联轴节,05.06.2020,.,7,分动器,分动器的作用把变速器传递来的动力分配给前后驱动轮系分动器结构分类1.直接连接式分动器一种为图中的短时四轮驱动的分动器，切换装置布置在分动器内，当图中的爪式离合器接通时即成为前后轮直接连接的四轮驱动；反之即为后轮驱动。另一种为装有变速装置的分动器，设有两档，在普通路面上使用高速档，恶劣路面上使用低速档。通过爪式离合器进行二轮或四轮驱动的切换。,05.06.2020,.,8,分动器结构分类,2.液压多片离合器式分动器当液压多片离合器分离时，汽车为后轮驱动；多片离合器强烈结合在一起时，发动机的动力也能传递给前轮。3.中间差速器锁死式分动器通过中间差速器，可以把发动机动力按一定比例分配给前后驱动轮系。此种形式分动器大多数采用爪时离合器，司机在座椅上遥控操作，或该装置自动动作使中间差速器锁死,05.06.2020,.,9,分动器结构分类,4.驱动力前后分配式分动器这种分动器利用粘性联轴节或液压装置驱动后轮，其功能只是把驱动扭矩分配给前后轮。5.中间差速器差动限制式分动器主要利用前后驱动轮系的转速差来限制中间差速器的差动，如粘性联轴器。它可以克服中间差速器锁死装置分离和结合时粗暴影响汽车行驶状态的缺点。右图为其两种形式,05.06.2020,.,10,分动器的布置形式,独立式分动器这种分动器单独使用自己的壳体，是一个独立的总成。如图：左侧为后轮驱动系的原布置方案，右侧为四轮驱动时的布置方案。这种布置是吉普车的典型布置，越野车也大都采用这种布置。变速-分动-差速器式分动器这种形式主要用于发动机前横置的汽车上，可以解决布置上的困难。与变速器一体化的分动器主要用于发动机前纵置的四轮驱动汽车上，从而使结构紧凑。如图：在发动机后端布置了变速-分动器，通过它将动力分配给后轮。,05.06.2020,.,11,差速器,工作原理如图：当左右车轮转速相同时小齿轮不转动，差速器的齿轮托架和两个侧齿轮以相同的转速旋转；当左右车轮发生转速差时，小齿轮被迫作旋转运动吸收左右车轮的转速差。差速器形式1.锥齿轮式差速器最常见的结构形式，一般小齿轮有2个，有时为减轻小齿轮的工作负荷，也有使用4个小齿轮的。,05.06.2020,.,12,差速器形式,2.双行星齿轮式差速器如图，变速器输出的扭矩传递给齿环，在前后传动轴的转速相同时，小齿轮不转动，整个机构一同旋转；当前后传动轴转速不同时，中心齿轮和行星齿轮托架的转速差使小齿轮转动，并吸收前后传动轴的转速差。3.复合行星齿轮式差速器如图，该差速器采用了两个中心齿轮并列布置，使用行星齿轮托架把两个中心齿轮连接起来。动力从左侧的中心齿轮输入，由行星齿轮托架驱动前轮，右侧的中心齿轮驱动后轮。,05.06.2020,.,13,差动限制装置,功能差速器虽然能把相同大小的扭矩分配给两个转速不同的轴，但是当有一侧车轮空转而不产生驱动力时，另一侧车轮也不能产生驱动力，致使汽车抛锚。差动限制装置的出现，克服了差速器的不足。这种装置允许差速器在正常使用条件下差动，而当单侧车轮空转时限制其差动。分类1.扭矩感应式差动限制装置差动限制装置能感应到差速器的差动扭矩，当扭矩过大时自动的限制差速器的差动。主要有多片摩擦离合器和扭矩敏感式差速器。2.转速差感应式差动限制装置差动限制装置能感知到差速器的差动速度，当差动速度较大时，自动的限制差速器的差动。主要指粘性联轴节。,05.06.2020,.,14,典型差动限制装置,多片摩擦离合器式1.结构图。在差速器壳体和侧齿轮之间布置了摩擦片，工作时，由于差速器扭矩的作用，用凸轮把摩擦片压紧。2.工作原理。主动小齿轮驱动齿环，差速器小齿轮驱动侧齿轮，使整个差速器一起旋转。当左右轮转速差变大时，中间部分的左右端面凸轮因传递扭矩过大而分离，把左右两个侧齿轮紧压向差速器壳体，其结果使转速低的侧齿轮转速升高了。3.特点。这种装置差动限制效果较好并能提高操纵稳定性，常用于方程式赛车和拉力赛车。,05.06.2020,.,15,粘性联轴节,1.结构原理。粘性联轴节壳体内充满高粘性的液体，一般多数使用硅油。当粘性联轴节的壳体和内轴发生相对旋转时，外板和内板也发生相对的旋转运动使高粘度的硅油内部产生剪切力，该阻力将限制壳体和内轴的相对旋转运动，从而达到传递扭矩的目的。2.特点。粘性联轴节的优点在于，如果适当的变更内外板形状、两板之间的间隔，适当的选择硅油的特性，可以使粘性联轴节的扭矩分配特性非常柔和而且连续，很适合于前差速器的差动限制。,05.06.2020,.,16,万向联轴节,用途连接四轮驱动汽车上的轴类零件，提高汽车性能。分类1.叉式联轴节使用比较广泛，其结构简单、强度高、耐久性好、生产性高、成本低.在输入轴转速一定时叉式联轴节每转一圈发生两次加减速运动，为非等速联轴节，用于连接角度比较小的情况。,05.06.2020,.,17,万向联轴节,2.等速联轴节主要特点是其传动不因两轴连接角而出现输出转速的波动，有双联轴节和球笼式联轴节两种形式。图示为球笼式联轴节，该联轴节壳体内有六个滚球，利用滚球传递扭矩。3.挠性联轴节在连接部位使用橡胶或纤维材料，连接角度可以很大。较少使用。,05.06.2020,.,18,驱动系的总布置形式,因为目前的四轮驱动系大都是从二轮驱动系改造过来的，所以在进行四轮驱动分类时必须考虑原二轮驱动的布置特点。四轮驱动的总布置分类以前纵置发动机后轮驱动为原型的四轮驱动以前纵置发动机前轮驱动为原型的四轮驱动以前横置发动机前轮驱动为原型的四轮驱动以中置发动机为原型的四轮驱动后置发动机的四轮驱动,05.06.2020,.,19,驱动系的总部置形式,以前纵置发动机后轮驱动为原型的四轮驱动1.布置方案在原型基础上，在传动轴前面的万向联轴节处布置一个分动器，并且在分动器前端布置一个传动轴和前差速器。,05.06.2020,.,20,驱动系的总部置形式,2.非独立悬挂汽车的解决方案此类汽车，如吉普车等越野车，可在发动机下面布置前驱动桥，前桥悬挂在弹簧上，汽车运动时，前桥可随弹簧上下颠动，由于原车发动机离地面较高且有较大的空间，一般不会有问题。3.轿车的解决方案轿车的前桥都是独立悬挂的，在发动机下追加布置前差速器、等速联轴节、半轴较困难，一般把前差速器和发动机油底壳做成一个总成来解决上述问题。,05.06.2020,.,21,驱动系的总布置形式,以前纵置发动机前轮驱动为原型的四轮驱动1.布置方案采用前置发动机后轮驱动汽车的布置方案2.产生的问题及解决方法A容易使发动机过分前移B可能使车体尺寸和重量都向前移为避免上述问题，选用发动机时，直列发动机最多为5缸六缸发动机需选用V6形式的。3.与原型车的对比结果A行驶性能大幅提高B底盘距地面高度略有上升C车厢内有效空间变小,05.06.2020,.,22,驱动系的总部置形式,以前横置发动机前轮驱动为原型的四轮驱动1.布置方案将分动器布置到变速-差速器内，形成变速-分动-差速器结构2.特点结构紧凑，发动机一般采用直列4缸机，最多直列5缸或V6机,05.06.2020,.,23,驱动系的总布置形式-、,以中置发动机为原型的四轮驱动这种布置方案中，发动机处于底盘的中部，司机座椅之后，它可以使前后桥载荷近似的达到50：50，整车转动惯量变小，从而提高了汽车的形式性能。后置发动机的四轮驱动由于发动机后置，导致后桥后移，后桥壳内布置有变速机构、分动机构和差速机构。这种四轮驱动汽车很少。,05.06.2020,.,24,四轮驱动的分类及特点,05.06.2020,.,25,短时四轮驱动方案,短时四轮驱动的概要短时四轮驱动可以自由的选择四轮驱动或二轮驱动。比常时四轮驱动经济型好，而且不会抛锚。在四轮驱动且前后差速器全部锁死状态下，即便三个车轮不着地，只要有一个车轮着地，也能把发动机输出的动力全部转换为汽车的驱动力。短时四轮驱动加重了驾驶员的负担驾驶员需要判断出在哪一种场合该选用哪一种驱动方式，驾驶员也必须明白车辆的二轮驱动和四轮驱动各有何优缺点，驾驶员需要有熟练的驾驶技能。短时四轮驱动汽车的两大特征1.越野性好2.难于使用,05.06.2020,.,26,短时四轮驱动汽车的切换机构,机械离合器驾驶员拉动选择拉杆来控制机械离合器从而完成二轮或四轮驱动的选择。液压多片离合器该离合器布置在多片式分动器内，驾驶员在遇到紧急情况采取紧急制动或紧急加速时，可自动转换成四轮驱动。液压油压力大小可根据发动机油门开度和车速大小加以控制。,05.06.2020,.,27,短时四轮驱动汽车的传动效率,效率问题短时四轮驱动汽车在二轮驱动时，2个非驱动轮不起驱动作用而在路上空转，并且带动与之相关的驱动轮系如半轴、差速器、传动轴等也跟着空转，从而消耗了大量的能量，降低了传动效率。解决方案1.自由轮毂自由轮毂布置在车轮轮毂处，其功能是在四轮驱动时锁死连接；在二轮驱动时分开空转，使车轮不再带动驱动轮系转动而单独空转，从而减少了能量损失，提高了传动效率。2.自由轮离合器自由轮离合器布置在半轴上，位置靠近差速器一侧。通过执行机构可以控制自由轮机构和车轮自动的分离或啮合，从而使驱动轮系中的大多数转动件停止转动以提高传动效率。,05.06.2020,.,28,常时四轮驱动方案,常时四轮驱动概述常时四轮驱动系统上布置有中间差速器，其作用是把驱动扭矩传递给前后车轮，同时吸收前后车轮的转速差。分类1.固定扭矩分配方式（前后扭矩分配比一定）中间差速器锁死方式中间差速器差动限制方式2.变动扭矩分配方式被动扭矩分配方式（利用前后轮转速差分配扭矩）主动扭矩分配方式（电子控制分配扭矩）,05.06.2020,.,29,常时四轮驱动固定扭矩分配方式-,固定扭矩分配方式的特点固定扭矩分配方式利用布置的中间差速器把扭矩分配到前后车轮，扭矩分配比取决于中间差速器的结构，多数为50：50。中间差速器锁死方式汽车正常行驶时，中间差速器自由差动。下图为当一个车轮陷进泥坑，差速器锁死与不锁死情况下的示意图：如左图，当作前轮陷进泥坑时，司机将中间差速器锁死，后轮产生驱动力，使汽车摆脱抛锚的危险。而右图中差速器没锁死发生抛锚现象。,05.06.2020,.,30,常时四轮驱动固定扭矩分配方式-,中间差速器差动限制方式1.布置方式并列布置：把粘性联轴节或液压式多片离合器等差动限制装置和中间差速器并列布置直列布置：把粘性联轴节布置在前后驱动轮系之间2.采用的差速器形式行星齿轮式中间差速器锥齿轮式差速器粘性联轴节差动式中间差速器液压多片离合器差动限制式中间差速器,05.06.2020,.,31,常时四轮驱动变动扭矩分配方式-,变动扭矩分配方式的特点汽车在行进中能适应行驶状态和路面情况，把驱动扭矩合理的分配给前后轮，能充分发挥各轮胎的驱动力，并提高操纵稳定性。被动扭矩分配方式1.特点A.依靠前后轮转速差分配扭矩，其结构紧凑，成本低B.传递的扭矩小，适用于微型车和轻型车2.结构在前置前驱汽车上追加一个分动器，把传动轴延长使之能驱动后轮，再适当的布置一个粘性联轴节，就实现了四轮驱动方案。如图,05.06.2020,.,32,被动扭矩分配方式,3.联轴节形式A.左右扭矩分配式粘性联轴节汽车正常行驶时，粘性联轴节的壳体和内板以近似相同的转速作旋转运动，驱动扭矩没有分配到后轮上，汽车相当于前置前驱。当前后轮有哪一个车轮发生打滑空转时，外板和内板间产生相对滑动，粘性联轴节工作使汽车变成四轮驱动。B.液力偶合器主要利用工作油通过节流孔产生的粘性阻力来传递扭矩,05.06.2020,.,33,被动扭矩分配方式-联轴节形式,C.轴向柱塞泵联轴节其工作原理与液力偶合器完全相同D.转翼式联轴节前后轮产生转速差时，三翼板搅动硅油使硅油变成压力油推动活塞滑动，使湿式多片离合器动作开始传递扭矩。如图,05.06.2020,.,34,主动扭矩分配方式,主动扭矩分配方式的特点利用电脑和各种传感器不断地判断轮胎对地面的动态附着力和司机的驾驶意图，积极的控制汽车差速器的差动状态，平衡各轮的驱动力，优化汽车的各项性能。示例-奔驰4玛奇克该车的车载电脑对车轮转速、汽车车速、转向盘转向角度、制动力进行判断，控制油压并驱动相关离合器动作，自动的将中间差速器和后差速器锁死，自动的切换成后二轮驱动或四轮驱动，并可从四种运行模式中自选一种最佳的运动模式。,05.06.2020,.,35,四轮汽车的行驶特性,坏路的通过性1.阶梯路面的攀升后轮驱动汽车：前轮顶住时，后轮驱动力再大也没用。前轮驱动汽车：前轮虽然能抬起，但抬起瞬间车轮失去对阶梯壁面的压力，汽车退回，恢复原状。四轮驱动汽车：后轮驱动力使前轮压在阶梯壁面，前轮驱动力使前车轮抬起，从而使汽车攀升到阶梯之上。2.单轮被支起或落到深坑中对于不装用差动限制装置的二轮驱动汽车完全不能行驶。即使四轮驱动，如果在差速器上没有差动限制装置或没有装用差动锁死装置的话也不能行驶。这种情况下，汽车必须使用粘性联轴节或差速器锁死装置，才能解决问题。,05.06.2020,.,36,坏路的通过性,3.双摩擦系数路面此类路况如汽车单侧前后轮碰到冰面或水湿路面，会使得路面摩擦系数十分小，如果踏动制动踏板，汽车可能会发生严重侧滑或围绕自身重心旋转。在汽车上装用差速器差动限制装置后，不仅能抑制车轮打滑，还能使另一侧的车轮产生数倍大的驱动力，使汽车摆脱困境。这种装置同时适用于二轮与四轮驱动汽车，但在四轮驱动汽车上会更有效。,05.06.2020,.,37,四轮驱动汽车的转向性,转向性分析图示为汽车转弯中单侧前后轮的模型。如果转弯过程中无加减速，匀速行驶，此时的汽车转向性取决于作用在前后轮上的转向力大小。如果前轮转向力大于后轮转向，汽车将发生过转向现象；如果前轮转向力较小时汽车将发生转向不足问题。,05.06.2020,.,38,各种形式四轮驱动汽车的转向,四轮直接连接的四轮驱动汽车急转弯时会出现制动现象，转向盘变得沉重，轮胎出现前后方向打滑，这将使汽车失去侧向力。此类汽车只能在转弯半径比较大的道路上使用。转弯制动性解决途径单向超越离合器是一种只能单方面传递扭矩的机构。如图外环动力来自发动机，内环接前驱动轴。汽车直线行驶时发动机扭矩传递给前后轮，此时为四轮驱动；转弯时，前轮比后轮转动快，单向超越离合器空转，前轮和发动机间的传动被切断而成为后轮驱动，从而解决了转向制动问题。,05.06.2020,.,39,各种形式四轮驱动汽车的转向,中间差速器无差动限制方式的四轮驱动此类汽车前后轮的驱动扭矩分配比固定不变，在转弯过程中如果突然紧急加速的话，其前后车轮所获得的驱动扭矩急剧增加，结果使前轮侧向力变得十分小，有时甚至为零，使汽车冲出弯道。可变扭矩分配方式的常时四轮驱动由于差动限制装置的作用，即便前轮有较大滑动，但是驱动扭矩开始向后轮转移，从而抑制了前轮的滑动，使汽车具有不足转向特性。驱动力分配控制方式的四轮驱动驱动力的分配问题极大的影响着汽车的转向性，此类方式能根据行驶状态合理分配前后轮驱动力，所以比较理想。,05.06.2020,.,40,四轮驱动汽车的制动,概述在二轮驱动汽车上，前后轮完全独立，制动时，前后轮制动力互不相关。而四轮驱动汽车其前后驱动轮总是以某种形式互相连接在一起，制动时，前后制动器互相影响，使汽车的制动性发生很大的变化。轮胎抱死时汽车的运动1.前轮抱死前轮失去转向性，后轮没抱死，仍产生充分的侧向力，致使汽车沿弯道切线方向冲出道路。2.后轮抱死后轮失去侧向力并且产生横向打滑，使汽车绕自身重心旋转直至停车。3.前后轮同时抱死前后轮全都失去侧向力，汽车仍按轮胎抱死前的运动路线继续向前行驶，直至停车。,05.06.2020,.,41,制动防抱死系统,功能通过控制车轮的制动扭矩，使轮胎的滑动率处于最佳范围，在车轮不抱死的情况下使轮胎产生最大的制动力，同时在保持较高方向稳定性的前提下在最短距离内达到制动效果，从而提高整车的制动力和转弯力。原理滑动率：S=(V-Vt)*100%/V其中：V汽车速度Vt轮胎速度S=1520%时，制动力系数达到最大值，通过控制滑动率大小从而达到控制制动力大小的目的。,05.06.2020,.,42,四轮驱动汽车的制动防抱死系统,不足在二轮驱动汽车上发展起来的制动防抱死系统并不能直接用到四轮驱动汽车上，原因有：A.四轮汽车车速检测困难，检测出的最高车速容易使控制系统造成误判。B.制动系的振动过大。防抱死系统的工作原理是加大制动力使车轮即将抱四时再减少制动力，这样反复自动控制。由于四驱动系惯性相对较大，就导致了更大的振动。,05.06.2020,.,43,四轮驱动汽车的制动防抱死系统,问题的解决方案1.在制动防抱死系统起作用时，使差动限制装置的作用减弱。例如，使粘性联轴节传递的扭矩变小，或使其正反向所传递的扭矩不同等。2.在制动防抱死系统起作用时，把前后驱动轮系分离开来，使汽车自动的变为二轮驱动汽车。3.采用加速度传感器，判断路面摩擦系数大小，进而利用制动控制程序进行制动控制。,05.06.2020,.,44,驱动型式对汽车行驶性能的影响,05.06.2020,.,45,驱动型式对纵向动力学的影响,由于前轴与后轴载荷不同及汽车质心位置变化的影响，前轮驱动与后轮驱动对附着系数的利用率不同。而全轮驱动的牵引性能则受转矩分配率的影响。,05.06.2020,.,46,牵引性能的表征,等效爬坡度可用于表征汽车牵引性能。汽车在坡道上必须首先克服坡度阻力，如果汽车再加速，便有加速阻力。忽略风阻与旋转质量的等效惯性力，驱动轮传递的纵向力有：,传递此纵向力所必须的摩擦系数为：,若各轮附着系数相同，则等效爬坡度与相同,05.06.2020,.,47,前轴驱动与后轴驱动车的牵引性能,前轴、后轴驱动车克服等效爬坡度所需摩擦系数为:,给出轮胎与路面之间附着系数，则等效爬坡度为,05.06.2020,.,48,全轮驱动汽车力矩分配,如果是平衡式全轮驱动(有中央差速器)，则要按一定比例分配前后轴间的驱动力矩。后轴的力矩分配系数为：,对前轴驱动=0；后轮驱动=1。一些全轮驱动汽车对力矩分配的选择情况如下：Audi=0.5BMW325iX=0.63BENZ4MATIC=0.65,05.06.2020,.,49,全轮驱动汽车等效爬坡度,如果传递前轴力矩所需的摩擦系数大于后轴的，则前轴车轮先打滑，相反则后轴车轮先打滑。,前轴车轮先打滑时，等效爬坡度为,后轴车轮先打滑时，等效爬坡度为,05.06.2020,.,50,各种驱动型式汽车牵引性能的比较,05.06.2020,.,51,驱动型式对横向动力学的影响,由于库仑摩擦圆的作用，驱动方式对横向动力学的影响使驱动轮所能传递的侧向力小于非驱动轮的，在一般路面的行驶范围内，现代轿车中的驾驶员是感觉不到这种差异的。在前轮驱动时，仅是驱动力对转向舒适性有些不良影响。在物理极限范围中或在摩擦系数小的路面上，这种驱动影响才明显表露出来。前轮驱动时，前轴首先达到附着检限，汽车向前驶出弯道，表现为不足转向。后轮驱动汽车通过调整行驶机构也可使汽车在极限区域内为不足转向。如果驱动轮超过牵此检限，打滑并丧失后轴的侧向导向能力，则当发动机扭矩较大或在平滑道路上行驶时，固有转向特性将可能变为严重的过多转向。,05.06.2020,.,52,全轮驱动汽车优缺点,全轮驱动汽车的优点在附着系数小的道路上特别明显，因为推进力分配在两轴上，在总的推进力相同情况下，车轮可传递较大的侧向力，因为没有一个车轮单独超过附着极限。不过全轮驱动也存在根本性的困难问题，驾驶员总是很晚才察觉到汽车已逼近行驶动态的极限，因为它不象单轴驱动那样通过不足转向或过多转向的增大明显告知驾驶员。因为四轮均传递驱动力，当在平坦的弯道上达到很高的速度以及后轴分配力矩较多时，只有很少的侧向力储备使汽车保持稳定。,05.06.2020,.,53,全轮驱动汽车改善稳定性的措施,基于这一原因，BENZ特别选择了自动转换的4轮驱动案(4MATIC)。一般情况下，4MATIC汽车以后轮