电动汽车转向系统的结构

技术论坛TechnicalTalk栏目编辑：文二霞[e-mail]992014/11·汽车维修与保养电动汽车转向系统的结构◆文/北京杨树岭广东汪贵行汪学慧电动汽车的驱动能源主要是动力电池，或主要不依靠发动机进行驱动，其转向装置不能采取传统的由发动机驱动的液压助力方式，而需要利用电机来辅助转向，这就是要采取电动助力转向。它是在机械转向系统的基础上，将电力电子技术对高性能电机的控制，来辅助驾驶员进行转向操作的系统。当前电动转向技术发展很快，已出现了“主动转向”和“线传转向”等技术，如当前使用较多的“自动泊车辅助”系统就是主动转向的应用，它不需等待驾驶员操纵方向盘发出信号，转向ECU会根据停车的需要主动地发出指令控制车辆的转向，实现自动寻位停车；而“线传转向”现已逐步实现量产，如日产车系的英菲尼迪Q50车上，驾驶员操纵方向盘的转向动作不直接传递给转向机，而仅仅作为信号发送到转向ECU，实现车辆的转向运作，这在无人驾驶车辆和自动稳定行驶轨迹方面得到了应用。但从目前实际运行的电动汽车来看，转向装置仍由驾驶员操纵方向盘，而采用电机的辅助转向形式。电动助力转向EPS系统是在传统转向系统基础上，采用电机驱动取代液压驱动的机构，能在各工况下提供实时的转向助力，使驾驶员操纵方向盘更轻便省力。电动转向只在车辆转向时才消耗电能，比起传统机械式液压助力转向，能显著地节省油耗，经济性较好，同时结构相对简单，取消了液压系统的高压油泵和液压控制阀，减少了维修工作量。电控转向的助力十分准确，操纵稳定性、响应性和主动安全性更高，适用于车辆的高低速行驶的转向助力，同时还较大的减少维修工作量。电动助力转向由于有一系列的优点，所以电动助力转向系统不仅在电动汽车上得到普遍使用，而且在燃油汽车上也越来越多的采用电动助力转向装置。一、电动助力转向系统的几种形式电动助力转向系统有多种形式，主要分齿条驱动式和转向柱驱动式两大类。本文重点介绍齿条电动转向驱动式助力系统。1.齿条驱动式齿条驱动式电动助力转向系统，可分为单轴齿条电机助力式和平行轴助力式，平行轴助力式的在本文的后部有所介绍；齿条助力式还可按齿轮数量分为单齿式和双齿式，如奥迪A3与大众速腾等轿车上，就是装用双齿式电动助力系统。所谓“双齿式”电动助力系统是指有两个齿轮同时作用在齿条轴上，一个是由驾驶员操纵方向盘直接带动的转向小齿轮，另一个则是由助力电动机驱动的齿轮，驱动电机在转向电脑的控制下工作，这种结构尤其是对转向的“自动回正”有极好的功效。2.转向柱驱动式转向柱驱动式电动助力转向装置，应用范围较广，在经济型电动汽车和燃油汽车上，也在高档豪华车辆上均有使用。(1)转向柱电动助力驱动式系统转向柱电动助力驱动式系统，在经济型电动汽车和普通轿车上使用较多。为节约成本，电动驱动多采用转向柱电动助力式，直接在方向盘下方的转向柱上，加装一个电机给方向盘助力，这就是转向柱电动助力驱动系统。在转向柱上安装电机和减速装置，产生较大的转矩辅助驾驶员转向操作，此系统具有良好的燃油经济性，只在车辆转向时电机才提供助力。图1是这种结构的解剖图，驱动电机一般为有炭刷的直流电机，定子为稀士强永磁材料。为提升电机的转矩和减少体积，驱动电机的工作电压比蓄电池的电压高得多，多为20～36V以上，为此必须装置有专用的DC-DC转换器。转换器内部电路较复杂，先将DC直流电转变为AC交流电，经变压器升压后，再整流为直流电供给电机使用。直流电机转向柱轴蜗轮蜗杆式减速机构拆解拆解图1普通转向柱驱动电动的解剖图示例二发动机燃油切断控制在现代汽车牵引力控制过程中，有一项控制环节就是降低发动机的动力输出，以达到减小车辆扭矩输出的目的。例如，在日产车型中急加速发动机断油控制，当挡位从N挡变到D挡时，冷却液温度为35℃或更高，车速为8km/h或更低，发动机转速为大约2600r/min或更高，所有汽缸燃油供给被切断。燃油供给将在转速低于2200r/min时恢复。发动机燃油切断控制转速的设定就是由监测车辆运行状态的多个转速传感器来实现的。通过发动机转速传感器、变速器输入输出传感器、车轮转速传感器等转速传感器监测的信号，根据车辆的总的传动比及车轮尺寸等信息，计算出车辆在此状态下发动机要求转速与实际车速间的关系。(上接第98页)技术论坛TechnicalTalk栏目编辑：文二霞[e-mail]100·November-CHINA(2)固定传动比与可变传动比转向柱电动助力驱动式系统可分为固定传动比与可变传动比的方式，如比亚迪F3DM电动车和普通轿车就装用固定传动比电机助力方式，而宝马轿车的所谓“主动式”助力转向，用的就是可变传动比的电机助力系统。普通轿车转向传动比一般在(16-18)∶1之间，即在车辆低速行驶时扳动方向盘约16度时，转向轮可以偏转1度；而在高速时方向盘需转动18度才偏转1度，低速与高速的相差不大。而可变传动比的转向系统，如宝马轿车的转向系统，转向的传动比可在10∶1和20∶1之间变化，这么大的传动比调节范围，使得车辆在倒车进库或低速行驶时，操纵方向盘更省力轻松，而在高速行驶时，需要转动方向盘更大的角度转向轮才能转向，这可极大的提高行驶的稳定性和安全性。宝马的所谓“主动式”助力转向显然并不是会自动进行转向的操作，它只是一个辅助性的装置，转向还得按驾驶员的操作意图来实现。(3)转向的“波齿轮”减速结构转向柱驱动式电动助力转向装置现也在高档豪华车辆上使用，如雷克萨斯LS460系列轿车的转向系统，就用了一种“波齿轮”可变应力减速方式，丰田车系称之为“VGRS”，能实现转向的可变齿轮比，达到极佳的行驶稳定性和操控性。图2表示这种波齿轮减速结构，图中方向盘带动红色刚性的输入齿转动，与之并列的刚性绿色齿轮是输出轴，再接后面的转向器。中部蓝色圆柱体代表驱动电机，它驱动一个外表光滑的椭圆形波形轮，波形轮上活套一个较宽的黑色柔性齿轮，它同时分别与红色输入齿及绿色输出齿相啮合。由于波形轮呈椭圆形，故黑色柔性齿轮也呈椭圆状，形成椭圆的长轴齿和短轴齿，从图中可见只有长轴齿才与红输入齿及绿输出齿啮合，而短轴齿则不被啮合。输入红齿有102齿，输出绿齿有100齿，电机驱动的柔性齿也是100齿，这种不同齿数的特殊齿轮结构，可获得齿轮的传动比达51∶1，而且能实现传动比可变。在转向控制ECU的作用下，在低速行驶时转向能实现低减速比，减少驾驶员对方向盘的操控力；中速时可适度提高减速比，使车辆的转向响应较灵敏；高速时不需要过高的转向灵敏度，则大幅提高减速比，保证了高速行驶车辆的稳定性和安全性。方向盘驱动电机输出轴，接后方转向器红输入齿绿输出齿中部为波形轮和柔性齿图2转向的波齿轮减速结构减速循环滚珠转角传感器左右两端接转向横拉杆转矩传感器空心电机齿条轴空心转子定子图3齿条驱动式电动助力转向器结构图二、齿条电动转向驱动式REPS助力系统图3所示为齿条电动转向驱动式助力系统的结构，它由机械与电气两部分组成，机械部分主要有齿条轴、转向驱动小齿轮、循环滚珠式减速装置、左右两边的横拉杆及车轮转向节等；电气部分包括助力驱动电机，转矩传感器及转向传感器、ECU电控模块、电源变频装置及车速传感器等几种部件所组成，电机直接安装在齿条轴上提供助力，形成齿条电机助力式转向系统。电动汽车的转向系统随车型会有差别，主是是采用不同的转矩传感器、不同的驱动电机、不同的布置形式，或采取不同的减速传动装置。但电动汽车的转向系统的基本工作原理是相同的，均是通过转矩及转向传感器，检测驾驶员操纵方向盘的转矩大小及转角方向，并转化成电信号，传输到转向控制单元ECU进行分析，输出一个与之相匹配的力矩信号，指令转向的驱动电机工作，而产生相应的转向助力作用。转矩传感器反映了驾驶员操纵方向盘转动的力矩的大小，转矩传感器通常有解角式、磁阻式及检测环复合式等数种形式，其中解角式转矩传感器用得最普遍。图3中的转角传感器是检测转向角度及转动方向用的。1.解角式转矩传感器的结构解角式转矩传感器通常安装在方向盘转向柱的中部或下端，串接在方向盘的转向轴与转向齿条之间，转矩传感器的输出装置就是转向驱动小齿轮，它与齿条直接啮合使齿条作左右直线运动，通过左右横拉杆来驱动车轮的转向节左右摆动而转向。显然转矩传感器在电动转向系统中，是极重要的一个部件，它检测驾驶员操纵方向盘转向力矩的大小，并将此力矩转换成电信号，向转向控制器ECU传输。图4是解角式转矩传感器的分解图，图中部为其转子总成外形图，右部图是其定子结构图，定子分上下两层分别嵌有上定子线圈1和下定子线圈2(用红字标注)。它安装在转向器外壳内，是固定不动的，其上有七根不同颜色的细线，向转向控制单元ECU输出转矩信号；定子的内部是转矩传感器的转子，转子的上端与方向盘轴技术论坛TechnicalTalk栏目编辑：文二霞[e-mail]1012014/11·汽车维修与保养用花键钢性连接，转子轴有上下的内外两层。图中用红色线标识转子线圈1，用兰色线标识转子线圈2。两个定子线圈与两个转子线圈在位置上是分别对应的。转子线圈1是装在转子空心轴上，与方向盘同步旋转。而转子线圈2则与转向小齿轮一起旋转，小齿轮的上部有较细的扭杆，插入空心轴内，细扭杆的上端与空心轴的上端用横销相连，有花键与方向盘的输出转轴连接，随着方向盘一起转动。扭杆下端是驱动小齿轮，直接与齿条相啮合，驱动两前轮左右摆动而转向。图5平行轴式REPS转向器带减速滚珠的转向丝杠同步传动皮带三相驱动电机图4解角式转矩传感器的分解图细扭杆横销孔转子线圈1转子线圈2驱动齿轮上楼方向盘轴定子线圈1定子线圈22.转矩传感器的输出电压转矩传感器的输出电压反映了驾驶员操纵转向力矩。当驾驶操纵方向盘转向时，方向盘轴带动转矩传感器的转子轴旋转，转子轴的空心轴与扭杆轴随之转动。空心轴的下端只有转子线圈1，而没有其他的负载，所以空心轴完全与方向盘同步旋转；而灵敏的细扭杆轴下端是驱动小齿轮，它与齿条啮合以驱动左右前轮摆动。由于轮胎与路面有较大的摩擦力，反映扭杆轴上的驱动齿轮是有载荷阻力的。在这个阻力的作用下，会造成细扭杆产生一定的扭曲形变，扭曲形变量的大小直接反映转子线圈2与转子线圈1两者间产生的“相位差”。两个转子线圈的转角相位差可通过定子的上层和下层的线圈感应，则定子线圈输出转向的感应电压信号到转向ECU电控模块，反映了驾驶员操纵方向盘的力矩，故这个装置称为转向的转矩传感器。3.转向助力电机与减速机构转向齿条轴横置在驾驶室火墙的下方，其外壳内装有电机，向转向系统提供助力。电机有直接采取DC直流无刷电机式的，也有用三相永磁无刷电机式的，其共同特点是电机的体积小可直接安装在转向器的齿条轴上，转子的转动惯量较小，转向操纵十分灵活，运转时的噪声较低，输出功率高。电机结构的特点如下。①为减少助力电机的体积和增大电机的输出功率，有的电机的工作电压提升到三相交流电30V左右，有的三相交流电压提升得更高，远高于蓄电池的电压，可有效地减小电机运转时的工作电流。由于电机工作电压提升的需要，为此必须增加一个电压提升的电路，以及必须的电源逆变电路来产生三相交流电，供三相驱动电机使用。②电机的转子采用永磁材料，为使转向齿条轴穿过电机的转子，所以转子内部是空心的，电机与齿条轴是同轴结构。如图3所示，电机永磁转子上还安装有转角传感器的永磁转子，与之相对应的还有转角传感器的定子及其线圈，其信号传给转向ECU，反映了实际转向及角度的大小。③电机的旋转运动是通过减速装置传给齿条轴的，为高效传递转矩减轻摩擦阻力，并减少运动的噪声，这里采取了循环滚珠式的减速装置，如图3所示。齿条轴的延伸是滚珠丝杠，外套有滚珠螺母，丝杠与螺母间有循环流动的滚珠。转向电机转子的高速旋转通过外套的滚珠螺母，形成较大的减速比，并将滑动摩擦转换成滚动摩擦，摩擦阻力异常轻巧，轻便的传送给滚珠丝杠，使得齿条轴得以助力，整个转向系统变得轻便灵活，响应极迅速。4.齿条平行轴式REPS电动助力转向系统齿条驱动式电动助力转向装置，有同轴式和平行轴式两种形式，同轴式REPS辅助系统是指电机的空心轴与转向器丝