汽车全轮驱动系统解析

金元山（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438）



汽车全轮驱动系统解析

金元山
（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438）

文章介绍了全轮驱动系统结构组成、布置方案，分时四驱，全时四驱和适时四驱的驱动形式及特点，阐述了全轮驱动汽车中性转向，提升通过不良路况能力等性能特点，解析全轮驱动汽车前沿控制技术的应用和独立四轮驱动技术的发展趋势。

全轮驱动；差速锁；地形管理系统；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

所谓全轮驱动系统，又称四轮驱动系统，是指汽车前、后轮都有驱动力。一般用4×4，AWD或4WD（All Wheel Drive 或4 Wheel Drive）来表示，以下简称“四驱系统”。

传统汽车一般只有两个驱动轮，驱动力只作用于两个车轮，如果驱动轮扭矩大于有效的附着力，即使是只有其中一个车轮打滑，由于差速器作用，其有效的驱动力也将传到低附着车轮，形成功率循环，车轮因此会失去驱动能力而无法行驶。为此，为了提高汽车通过陡坡，泥泞地，砂砾，雪地等需要较高牵引力的低附着越野路面的需求，从而开发了全轮驱动系统。

1、四驱系统总布置结构

四驱系统从总体结构布置上分为发动机横置基于前驱的四驱系统和发动机纵置基于后驱的四驱系统，下面分别说明。

1.1发动机横置基于前轮驱动的四驱系统

该结构在取力器和后主减速器之间整合布置限滑差速机构，由于无法布置纵向差速器，不能长时间四轮驱动，一般采用适时四驱系统。

1.2发动机纵置基于后轮驱动的四驱系统

该结构布置了分动器，可根据需要布置纵向差速器结构，因此可根据分动器结构采用分时，全时或适时四驱系统。见图2。

2、驱动形式

2.1分时四驱PART-TIME 4WD

分时四驱（PART-TIME 4WD）—是一种驾驶者可以在两驱和四驱之间手动选择的四轮驱动系统，由驾驶员根据路面情况，通过接通或断开分动器来变化两轮驱动或四轮驱动模式，这也是越野车或四驱SUV最常见的驱动模式。

分时四驱靠操作分动器实现两驱与四驱的切换。它的优点是结构简单，稳定性高，坚固耐用，但缺点是必须车主手动操作，有些甚至结构复杂，不止是一个步骤，同时还需要停车操作，这样不仅操作起来比较麻烦，而且遇到恶劣路况不能迅速反应，往往错过了脱困的最佳时机；二是分时四驱不设置中央差速器，不能在硬地面（铺装路面）上使用四驱系统，特别是在弯道上不能顺利转弯。

一般情况下，车辆并不能长时间处于四驱状态，正常行使状况下，采用的是两轮驱动，当需要通过恶劣路面时，驾驶员可以通过分动杆把两轮驱动切换成四轮驱动，让四个车轮都提供驱动力，从而提高车辆的通过性能。

2.2全时四驱

也叫全时全轮驱动——简称AWD或4WD（All Wheel Drive或4 Wheel Drive）。具体的含义是：汽车在行驶的任何时间，任何地点，所有轮子均有驱动力。

全时全轮驱动车辆会比两驱车型(2WD)拥有更优异与安全驾驶基础，尤其是碰到极限路况或是激烈驾驶时。理论上，AWD会比2WD拥有更好的牵引力，车子的行驶是依据它持续平稳的牵引力，而牵引力的稳定性主要由车子的驱动方法来决定，将发动机动力输出经传动系统分配到四个轮胎与分配到两个轮胎上相比较，其结果是AWD的可控性、通过性以及稳定性均会得到提升，即无论车辆行驶在何种天气以及何种路面（湿地、崎岖山路、弯路上）时；驾驶员都能够更好的控制每一个行迹动作，从而保证驾驶员和乘客的安全。

而在驾驶时，全时全驱的转向风格也很有特点，最明显的就是它会比两驱车型转向更加中性，通常它可以更好的避免前驱车的转向不足和后驱车的转向过度，这也是驾驶安全性以及稳定性的特点之一。

也正因为AWD的存在，为汽车提供了“主动安全、主动驾驶”的机会。

2.3适时四驱

适时四驱（Real－Time）——单纯从字面来理解，就是指只有在适当的时候才会的四轮驱动，而在其它情况下仍然是两轮驱动的驱动系统。这个名称是有别于需要手动切换两驱和四驱的分时四驱，以及所有工况下都是四轮驱动的全时四驱系统而来的。

相比全时四驱，适时四驱的结构要简单得多，这不仅可以有效也降低成本，而且也有利于降低整车重量。由于适时四驱的特殊结构，它更适合于前横置发动机前驱平台的车型配备，这使得许多基于这种平台打造的SUV或者四驱轿车有了装配四驱系统的可能。

前驱平台相对于后驱平台本身就有着诸多优势，如更有利于拓展车内空间、传动效率更高、传动系统的噪音更小等等。这些优点对于小型SUV，特别是发动机排量较小的SUV来说显得尤其重要。

当然，适时四驱的缺点仍然是存在的，目前绝大多数适时四驱在前后轴传递动力时，会受制于结构本身的缺陷，无法将超过 50%以上的动力传递给后轴（或前轴），这使它在主动安全控制方面，没有全时四驱的调整范围那么大；同时相比分时四驱，它在应对恶劣路面时，四驱的物理结构极限偏低，主要适用于城市SUV车型，是目前市场需求最大的车型。

表1

3、四驱系统车型运动特性

3.1良好的加速性和通过性

车辆的牵引能力或加速能力主要取决于两个因素：一是能够传到车轮上的扭矩，另外一个则是车轮所附着的地面提供的附着力。

传到车轮上的扭矩主要影响因素有：发动机扭矩，变速器变速比或变矩比，分动器低速比，主减速器速比，轮胎滚动半径。

车轮附着力主要影响因素有：坡度，地形，轮胎。

这种总布置形式，全部车轮都是驱动轮，充分利用了汽车的全部附着质量，因此汽车具有较大的驱动力和克服障碍、防止打滑的能力。

3.2转向稳定性

转弯时，全轮驱动时驱动力分布于4个车轮均产生纵向滑移，而不是普通汽车的两个车轮，降低的侧向力作用于前后两个轴，而不是前轴或后轴，这使得四轮驱动汽车具有中性加速转向性能。四轮驱动汽车的操控稳定性更好。

4、四轮驱动技术的最近应用成果及发展趋势

传统的越野驾驶需要驾驶员有丰富的越野驾驶经验，比如，锁止差速器，切换至低速四驱，关闭ESP，调整油门踏板响应，变速器升档提前或延迟等等。随着电子、电气技术的发展和成熟，更多先进技术应用于四驱系统控制。

4.1地形管理系统

地形管理系统（Terrain Manage System，简称ATS）帮助驾驶员选择不同驾驶模式适应不同的地形，驾驶员控制方向盘就可以了。没有多少越野驾驶经验的驾驶员也可以越野了。

ATS与普通四驱系统在硬件构成上一致，是专为四驱系统开发的，增强其在各种路面上驱动、制动及车身稳定性能的主动安全控制系统，是在研究了一些典型路况的特点，通过标定，集成控制发动机EMS，分动器TCU，ABS/ESC，电子差速锁ELD,主动悬架CDC，电子转向机EPS系统,把成熟有效的驾驶习惯预先设定在车辆控制模式程序中使之适应不同地形，简化恶劣路况操作难度。

ATS和ESC系统均是主动安全系统，ATS能提升车辆在更复杂路面上的性能表现，适应范围更广，更复杂的路况，降低不良路况驾驶难度。

随着传感器技术以及图像识别技术的进步和发展，四驱系统驾驶将向着智能化方向发展，根据成像识别及传感器识别信息，自动判别当前路况而选择合适的地形模式，人类驾驶复杂路况地形时将会更加安全，便捷和智能。

表2　不良路况需要面对的困难及应对策略

4.2四轮独立驱动系统

随着汽车产业的大力发展和环境问题的日益严重，排放法规越来越严格，行业将关注和发展的重心转移到了新能源驱动技术，尤其是电驱动技术近年来发展迅猛，电动汽车技术愈发成熟可靠，全轮驱动汽车将何去何存，或许四轮独立驱动汽车将是发展方向之一。

轮边驱动技术不仅能节省大量空间，还能提升传动效率，是新能源车发展的一个很好的方向。

轮边驱动技术的应用将彻底颠覆四轮驱动布置形式，原有的动力传动系统发动机，离合器，变速器，分动器，传动轴，主减速器，差速器等将会消失，取而代之的每个车轮自带驱动电机，根据整车需求，自动调整电流大小即可实现。因此，轮边驱动技术和控制逻辑算法将是未来电动汽车发展的重点问题。

5、结论

越野汽车采用四轮驱动的布置形式，每个车轮均有驱动力，加速性好，通过不良路况的能力大幅提升，且四轮驱动克服转向不足和转向过度能力强，其操控性、稳定性也大幅提升。随着地形管理系统的开发应用，也极大的降低了越野环境汽车的驾驶难度，让人们更加享受越野驾乘。

[1]Top4×4完全四驱档案.2012版/《越玩越野》杂志社编.北京：机械工业出版社，2012.5.

[2]四驱车越野宝典/(美)艾伦（Allen,J）著:张磊 译.上海：上海科学技术出版社，2015.7.

[3]全轮驱动技术/（美）John A.Barlage,Todd.Perttola著：刁曾祥 杨洲译.北京：军事译文出版社.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，工程师，就职于上海汽车集团商用车技术中心，从事整车动力传动设计。