汽車全輪驅(qū)動系統(tǒng)解析

金元山（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438）

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汽車全輪驅(qū)動系統(tǒng)解析

金元山
（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438）

文章介紹了全輪驅(qū)動系統(tǒng)結構組成、布置方案，分時四驅(qū)，全時四驅(qū)和適時四驅(qū)的驅(qū)動形式及特點，闡述了全輪驅(qū)動汽車中性轉(zhuǎn)向，提升通過不良路況能力等性能特點，解析全輪驅(qū)動汽車前沿控制技術的應用和獨立四輪驅(qū)動技術的發(fā)展趨勢。

全輪驅(qū)動；差速鎖；地形管理系統(tǒng)；越野

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.019

CLC NO.: U463Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-58-03

前言

所謂全輪驅(qū)動系統(tǒng)，又稱四輪驅(qū)動系統(tǒng)，是指汽車前、后輪都有驅(qū)動力。一般用4×4，AWD或4WD（All Wheel Drive 或4 Wheel Drive）來表示，以下簡稱“四驅(qū)系統(tǒng)”。

傳統(tǒng)汽車一般只有兩個驅(qū)動輪，驅(qū)動力只作用于兩個車輪，如果驅(qū)動輪扭矩大于有效的附著力，即使是只有其中一個車輪打滑，由于差速器作用，其有效的驅(qū)動力也將傳到低附著車輪，形成功率循環(huán)，車輪因此會失去驅(qū)動能力而無法行駛。為此，為了提高汽車通過陡坡，泥濘地，砂礫，雪地等需要較高牽引力的低附著越野路面的需求，從而開發(fā)了全輪驅(qū)動系統(tǒng)。

1、四驅(qū)系統(tǒng)總布置結構

四驅(qū)系統(tǒng)從總體結構布置上分為發(fā)動機橫置基于前驅(qū)的四驅(qū)系統(tǒng)和發(fā)動機縱置基于后驅(qū)的四驅(qū)系統(tǒng)，下面分別說明。

1.1發(fā)動機橫置基于前輪驅(qū)動的四驅(qū)系統(tǒng)

該結構在取力器和后主減速器之間整合布置限滑差速機構，由于無法布置縱向差速器，不能長時間四輪驅(qū)動，一般采用適時四驅(qū)系統(tǒng)。

1.2發(fā)動機縱置基于后輪驅(qū)動的四驅(qū)系統(tǒng)

該結構布置了分動器，可根據(jù)需要布置縱向差速器結構，因此可根據(jù)分動器結構采用分時，全時或適時四驅(qū)系統(tǒng)。見圖2。

2、驅(qū)動形式

2.1分時四驅(qū)PART-TIME 4WD

分時四驅(qū)（PART-TIME 4WD）—是一種駕駛者可以在兩驅(qū)和四驅(qū)之間手動選擇的四輪驅(qū)動系統(tǒng)，由駕駛員根據(jù)路面情況，通過接通或斷開分動器來變化兩輪驅(qū)動或四輪驅(qū)動模式，這也是越野車或四驅(qū)SUV最常見的驅(qū)動模式。

分時四驅(qū)靠操作分動器實現(xiàn)兩驅(qū)與四驅(qū)的切換。它的優(yōu)點是結構簡單，穩(wěn)定性高，堅固耐用，但缺點是必須車主手動操作，有些甚至結構復雜，不止是一個步驟，同時還需要停車操作，這樣不僅操作起來比較麻煩，而且遇到惡劣路況不能迅速反應，往往錯過了脫困的最佳時機；二是分時四驅(qū)不設置中央差速器，不能在硬地面（鋪裝路面）上使用四驅(qū)系統(tǒng)，特別是在彎道上不能順利轉(zhuǎn)彎。

一般情況下，車輛并不能長時間處于四驅(qū)狀態(tài)，正常行使狀況下，采用的是兩輪驅(qū)動，當需要通過惡劣路面時，駕駛員可以通過分動桿把兩輪驅(qū)動切換成四輪驅(qū)動，讓四個車輪都提供驅(qū)動力，從而提高車輛的通過性能。

2.2全時四驅(qū)

也叫全時全輪驅(qū)動——簡稱AWD或4WD（All Wheel Drive或4 Wheel Drive）。具體的含義是：汽車在行駛的任何時間，任何地點，所有輪子均有驅(qū)動力。

全時全輪驅(qū)動車輛會比兩驅(qū)車型(2WD)擁有更優(yōu)異與安全駕駛基礎，尤其是碰到極限路況或是激烈駕駛時。理論上，AWD會比2WD擁有更好的牽引力，車子的行駛是依據(jù)它持續(xù)平穩(wěn)的牽引力，而牽引力的穩(wěn)定性主要由車子的驅(qū)動方法來決定，將發(fā)動機動力輸出經(jīng)傳動系統(tǒng)分配到四個輪胎與分配到兩個輪胎上相比較，其結果是AWD的可控性、通過性以及穩(wěn)定性均會得到提升，即無論車輛行駛在何種天氣以及何種路面（濕地、崎嶇山路、彎路上）時；駕駛員都能夠更好的控制每一個行跡動作，從而保證駕駛員和乘客的安全。

而在駕駛時，全時全驅(qū)的轉(zhuǎn)向風格也很有特點，最明顯的就是它會比兩驅(qū)車型轉(zhuǎn)向更加中性，通常它可以更好的避免前驅(qū)車的轉(zhuǎn)向不足和后驅(qū)車的轉(zhuǎn)向過度，這也是駕駛安全性以及穩(wěn)定性的特點之一。

也正因為AWD的存在，為汽車提供了“主動安全、主動駕駛”的機會。

2.3適時四驅(qū)

適時四驅(qū)（Real－Time）——單純從字面來理解，就是指只有在適當?shù)臅r候才會的四輪驅(qū)動，而在其它情況下仍然是兩輪驅(qū)動的驅(qū)動系統(tǒng)。這個名稱是有別于需要手動切換兩驅(qū)和四驅(qū)的分時四驅(qū)，以及所有工況下都是四輪驅(qū)動的全時四驅(qū)系統(tǒng)而來的。

相比全時四驅(qū)，適時四驅(qū)的結構要簡單得多，這不僅可以有效也降低成本，而且也有利于降低整車重量。由于適時四驅(qū)的特殊結構，它更適合于前橫置發(fā)動機前驅(qū)平臺的車型配備，這使得許多基于這種平臺打造的SUV或者四驅(qū)轎車有了裝配四驅(qū)系統(tǒng)的可能。

前驅(qū)平臺相對于后驅(qū)平臺本身就有著諸多優(yōu)勢，如更有利于拓展車內(nèi)空間、傳動效率更高、傳動系統(tǒng)的噪音更小等等。這些優(yōu)點對于小型SUV，特別是發(fā)動機排量較小的SUV來說顯得尤其重要。

當然，適時四驅(qū)的缺點仍然是存在的，目前絕大多數(shù)適時四驅(qū)在前后軸傳遞動力時，會受制于結構本身的缺陷，無法將超過 50%以上的動力傳遞給后軸（或前軸），這使它在主動安全控制方面，沒有全時四驅(qū)的調(diào)整范圍那么大；同時相比分時四驅(qū)，它在應對惡劣路面時，四驅(qū)的物理結構極限偏低，主要適用于城市SUV車型，是目前市場需求最大的車型。

表1

3、四驅(qū)系統(tǒng)車型運動特性

3.1良好的加速性和通過性

車輛的牽引能力或加速能力主要取決于兩個因素：一是能夠傳到車輪上的扭矩，另外一個則是車輪所附著的地面提供的附著力。

傳到車輪上的扭矩主要影響因素有：發(fā)動機扭矩，變速器變速比或變矩比，分動器低速比，主減速器速比，輪胎滾動半徑。

車輪附著力主要影響因素有：坡度，地形，輪胎。

這種總布置形式，全部車輪都是驅(qū)動輪，充分利用了汽車的全部附著質(zhì)量，因此汽車具有較大的驅(qū)動力和克服障礙、防止打滑的能力。

3.2轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性

轉(zhuǎn)彎時，全輪驅(qū)動時驅(qū)動力分布于4個車輪均產(chǎn)生縱向滑移，而不是普通汽車的兩個車輪，降低的側(cè)向力作用于前后兩個軸，而不是前軸或后軸，這使得四輪驅(qū)動汽車具有中性加速轉(zhuǎn)向性能。四輪驅(qū)動汽車的操控穩(wěn)定性更好。

4、四輪驅(qū)動技術的最近應用成果及發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)的越野駕駛需要駕駛員有豐富的越野駕駛經(jīng)驗，比如，鎖止差速器，切換至低速四驅(qū)，關閉ESP，調(diào)整油門踏板響應，變速器升檔提前或延遲等等。隨著電子、電氣技術的發(fā)展和成熟，更多先進技術應用于四驅(qū)系統(tǒng)控制。

4.1地形管理系統(tǒng)

地形管理系統(tǒng)（Terrain Manage System，簡稱ATS）幫助駕駛員選擇不同駕駛模式適應不同的地形，駕駛員控制方向盤就可以了。沒有多少越野駕駛經(jīng)驗的駕駛員也可以越野了。

ATS與普通四驅(qū)系統(tǒng)在硬件構成上一致，是專為四驅(qū)系統(tǒng)開發(fā)的，增強其在各種路面上驅(qū)動、制動及車身穩(wěn)定性能的主動安全控制系統(tǒng)，是在研究了一些典型路況的特點，通過標定，集成控制發(fā)動機EMS，分動器TCU，ABS/ESC，電子差速鎖ELD,主動懸架CDC，電子轉(zhuǎn)向機EPS系統(tǒng),把成熟有效的駕駛習慣預先設定在車輛控制模式程序中使之適應不同地形，簡化惡劣路況操作難度。

ATS和ESC系統(tǒng)均是主動安全系統(tǒng)，ATS能提升車輛在更復雜路面上的性能表現(xiàn)，適應范圍更廣，更復雜的路況，降低不良路況駕駛難度。

隨著傳感器技術以及圖像識別技術的進步和發(fā)展，四驅(qū)系統(tǒng)駕駛將向著智能化方向發(fā)展，根據(jù)成像識別及傳感器識別信息，自動判別當前路況而選擇合適的地形模式，人類駕駛復雜路況地形時將會更加安全，便捷和智能。

表2　不良路況需要面對的困難及應對策略

4.2四輪獨立驅(qū)動系統(tǒng)

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展和環(huán)境問題的日益嚴重，排放法規(guī)越來越嚴格，行業(yè)將關注和發(fā)展的重心轉(zhuǎn)移到了新能源驅(qū)動技術，尤其是電驅(qū)動技術近年來發(fā)展迅猛，電動汽車技術愈發(fā)成熟可靠，全輪驅(qū)動汽車將何去何存，或許四輪獨立驅(qū)動汽車將是發(fā)展方向之一。

輪邊驅(qū)動技術不僅能節(jié)省大量空間，還能提升傳動效率，是新能源車發(fā)展的一個很好的方向。

輪邊驅(qū)動技術的應用將徹底顛覆四輪驅(qū)動布置形式，原有的動力傳動系統(tǒng)發(fā)動機，離合器，變速器，分動器，傳動軸，主減速器，差速器等將會消失，取而代之的每個車輪自帶驅(qū)動電機，根據(jù)整車需求，自動調(diào)整電流大小即可實現(xiàn)。因此，輪邊驅(qū)動技術和控制邏輯算法將是未來電動汽車發(fā)展的重點問題。

5、結論

越野汽車采用四輪驅(qū)動的布置形式，每個車輪均有驅(qū)動力，加速性好，通過不良路況的能力大幅提升，且四輪驅(qū)動克服轉(zhuǎn)向不足和轉(zhuǎn)向過度能力強，其操控性、穩(wěn)定性也大幅提升。隨著地形管理系統(tǒng)的開發(fā)應用，也極大的降低了越野環(huán)境汽車的駕駛難度，讓人們更加享受越野駕乘。

[1]Top4×4完全四驅(qū)檔案.2012版/《越玩越野》雜志社編.北京：機械工業(yè)出版社，2012.5.

[2]四驅(qū)車越野寶典/(美)艾倫（Allen,J）著:張磊 譯.上海：上海科學技術出版社，2015.7.

[3]全輪驅(qū)動技術/（美）John A.Barlage,Todd.Perttola著：刁曾祥 楊洲譯.北京：軍事譯文出版社.2010.12.

Automobile AWD Analysis

Jin Yuanshan
(Commercial Vehicle R&D Center of SAIC Motor,Shanghai 200438)

This paper simply introduces the structure of the AllWheel Drive system,the layout scheme,Part-time 4WD，All-time 4WD and Real-time 4WD，describes the performance characteristics of All Wheel Drive System,and analyzes the application and development trend of the future technology of the AllWheel Drive.

All Wheel Drive; Differential Lock; Terrain Manage System; Off-Road

U463

A

1671-7988（2016）08-58-03

金元山，（1980-），男，工程師，就職于上海汽車集團商用車技術中心，從事整車動力傳動設計。