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（本文作者：汪贵行） 一辆2000年9月购买的比亚迪F3DM混合电动汽车，使用近6年，近期发现转动方向盘时，操纵转向越来越沉重，而且转向时有越来越明显的“咔、咔”声异响。后来车辆就再也不能转向并发生停驶的故障,同时在仪表盘上出现P/S报警灯亮。由于此车有明显转向故障的预兆，所以引导我们检修转向系统。 一、电动转向助力电机的检修 比亚迪F3DM汽车的电动助力转向属于方向柱式助力方式。现电动转向装置通常有两种助力方式：一是在转向器前方安装电机助力，二是在转向器后方装置电机来助力。前者为方向柱式助力方式，后者为齿条助力或循环球转向助力方式。比亚迪F3DM电动汽车的电动助力转向属于方向柱助力式，直接在方向盘转向管柱的下方，安装助力电机和减速装置，产生较大的转矩以减轻驾驶员的转向操作力，这就是转向柱电动助力系统，如图1所示。这种系统结构简单成本较低，可使用直流电机，只在车辆转向时电机才提供助力，比起液压助力式转向系统，具有良好的燃油经济和成本低的特点，多在经济型轿车和电动轿车上使用。 图1 转向柱式电动助力系统 1.比亚迪电动汽车电机助力装置的解剖 图2为该电机助力结构图，在转向柱下方有一套蜗轮蜗杆的减速机构。助力电机的转子轴上有花键套与蜗杆端部的花键轴配合，电机转子直接驱动一个双头蜗杆，与37个齿的蜗轮配合形成较大减速的装置。蜗轮直接安装在转向柱上，由于电机帮助驱动蜗杆旋转，经蜗轮减速配合的带动，可大大地减轻驾驶员操纵方向盘的力矩。 助力电机属于直流电机，该助力电机的型号为BYDF3DM-3418100A-C1，额定电压为20V，额定工作电流正常状况为60A，当在极端转向状况下的最大负载电流可达80A，输出的额定扭矩为3Nm，电机的额定转速为2500r/min。转子上有换向器及碳刷，电机定子有红黑两根粗线，与转向模块ECU相连来供电。 图2 转向柱电动助力装置的解剖图 注意在贴近蜗轮处安装有灰色的方向盘转矩传感器，如图2所示，其上有4条细线，它们与转向EPS模块ECU相连，反映了驾驶员操纵方向盘的力矩大小和方向。 2.电动助力转向EPS助力驱动电机的检修 该助力电机是采用永磁式有碳刷的直流电机，需要正反转旋转输出转矩，支持车轮左右转向的助力。定子采取稀士强永磁材料。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，多为20～36V左右。本电机是采用20V电压来驱动，为此必须装有专用的DC/DC转换器，先将蓄电池的12V直流电压逆变为交流电，经变压器升压后，再转换成20V直流电压供给本电机使用。DC/DC转换器内部电路较复杂，此电路较成熟，封装在一个整体电路块中，安装在驾驶员的左前侧，称为“EPS升压控制DC模块”，但故障率极低。如图3所示，图中的“升压变换器”就是“EPS升压控制DC模块”。 图3 助力电机的电源系统图 在检修电机时发现换向器有烧蚀痕迹，曾出现过环火花现象。拆解助力电机装置，发现蜗轮与蜗杆的配合均是正常的，没有明显发卡和磨损，电机转子两端轴承良好，转子旋转自如与定子无刮擦现象，转子线圈的漆包线颜色正常绝缘也良好，电刷架也属正常。但发现4块碳刷已经磨得极短了（如图4），而且碳刷极易磨损，碳刷中间甚至还出现有空洞现象，由此说明采用的碳刷品质很差，助力电机换向器上炭粉极多，换向器有被烧蚀的现象，可判断换向器上曾明显出现过环火花。在此换向器环火状况下运转，转子线圈无法正常工作，电机输出转矩变小，当然会感觉到无力，如果继续强制运转下去，助力电机会出现烧毁的可能！故这时打方向盘会感到特别沉重，并出现发卡的现象。 图4 电机换向器的碳刷磨损极大，有环火痕迹 该车已使用6年，按汽车产品的可靠性和安全性来考虑，该电机不应出现上述换向器的环火、炭粉多和碳刷磨损大等问题。我们从电流密度上和耐磨程度上考虑，碳刷材料的选择上是值得研究的，应选用耐磨且导电良好的碳刷，含铜粉较多不易被磨损，而且碳刷弹簧的弹性也稍感不足，这显然是电机制造和设计方面均应改进之处。为此我们在修复时，选用了更耐磨、电流密度更大的铜质碳刷，改进了碳刷弹簧的弹性，使此助力电机的性能得以恢复和提高。 二、转矩传感器的原理与检修 在实际检修此类电动助力转向EPS系统时，我们还发现转矩传感器是故障率较多的另一器件。转矩传感器是用来测量驾驶员操纵方向盘力矩大小和方向的，并将其转换为电信号，输送给电动转向模块的ECU，模块接收此信号及车速信号后，经分析和计算比较，输出信号给助力电机，调节电机的工作电流以控制助力的方向和大小。显然转矩传感器的正常运行与否,将会影响助力电机的工作，直接导致汽车在行驶过程中失去转向助力功能，对安全行车是极重要的，直接影响驾车的安全系数，因此转矩传感器是EPS系统中的一个重要的器件。 1.利用扭杆来检测转矩的大小 在电动助力转向系统上装用的转矩传感器，分为接触式和非接触式两种，电位计式转矩传感器和金属电阻应变片的均属接触式转矩传感器。接触式转矩传感器是用扭杆来检测转矩，在转向柱与转向小齿轮间安装了一个细小扭杆，由小齿轮驱动齿条带动车轮转向，由于受到轮胎与地面间的摩擦作用，而形成一定的摩擦阻力，将会造成这根细扭杆产生一定的变形，测量扭杆的变形量并转化为电压信号，能精准的反映驾驶员操纵方向盘的力矩和方向。比亚迪电动汽车的电机助力装置中，以及很多经济型轿车的电动助力系统中，就是使用了电位计式转矩传感器，结构简单成本较低，其构造如图5所示。 图5 比亚迪使用的电位计式转矩传感器 在图5中长轴的左端，通过长花键连接方向盘的中心轴，长轴的偏下部有一特细的扭杆，它在转向时会产生变形，可检测出驾驶员操纵方向的转矩。长轴下端有一个横销与蜗轮短轴相连，蜗轮短轴是接转向器的驱动小齿轮的，小齿轮再与转向齿条啮合以驱动车辆的转向轮。从图5可见，与蜗轮前部贴装的是一个转矩传感器，蜗轮与传感器都装在短轴上。图6是电动转向的转矩传感器解剖图，电位计式转矩传感器由圆环电阻本体片和上下两块。 图6 解剖电位计式转矩传感器 2.带电刷的塑料片组成 圆环电阻本体片上带有四条连线，它是固定在转向柱外壳上不随转向柱旋转的，圆环电阻上有四环，电阻值有840Ω。而带有电刷的上塑料圆片装于转向长轴上，带电刷的下塑料圆片则安装在蜗轮的短轴上。在车辆转向时，转向长轴与蜗轮短轴会有一定的相对位移。通过带电刷的上、下塑料圆片，会在固定不动的圆环电阻本体上产生相对位移，位移量的大小直接反映了驾驶员操纵方向盘的力矩，而位移量的方向反映了左右转向。这种位移电阻变化量由其上的红、黑、绿、白等四条细线与转向EPS的ECU进行连接，其中红、绿两线是5V稳压电源线，黑、白是转矩信号线。转矩信号经ECU处理后，输出命令到助力电机帮助转向，以减轻驾驶员操纵方向盘的力矩。图7是本车转向柱式电动转向装置的系统图。 图7 转向柱式电动转装置系统图 3.非接触式转矩传感器 非接触式转矩传感器内装有两组环形磁极，当输入轴和输出轴之间发生相对转动时，输入轴相对于输出轴的方向发生偏转，出现“相位差”。环形磁极间则会发生相对变化，从而引起电磁感应的变化，则在线圈中产生感应电压，并将电压信号转化为转矩信号。非接触式扭矩传感器的突出优点是体积小精度高，如丰田卡罗拉轿车就采用了这种非接触式转矩传感器。 4.转矩传感器的检修与故障分析 电位计式转矩传感器工作时，在塑料片内有细金属做的移动刷臂，输出的是可变电阻的精密信号。由于行驶中的剧烈震动，或是细金属刷臂的疲劳老化，输出的可变电阻信号若不稳定，常会造成转矩传感器损坏或性能不佳。这会导致转向系统出现如左右操纵方向盘的转向力矩不均、转向沉重、转向后方向盘不能自动正确回正等故障，这时仪表板上P/S警告灯也会亮起红灯。 值得注意的是，由于转矩传感器装于转向柱的总成内，两者已经成为一个整体了，又是一个十分精密的器件，要求能够快速精准地测量方向盘转角的大小和方向。一旦转矩传感器性能不良或损坏，将直接影响转向系统的性能，在维修时不可试图对塑料片上的移动刷臂进行矫正，也不可在塑料片上进行焊接，或是进行其他相关的修理。 而且修理后还需要通过精密的仪器才可校准这种转矩传感器，一般维修单位不具备这此条件。所以在此情况下，只能通过更换转向柱总成来直接修复电动转向系。 如果维修人员能够找到这种完全相同的转矩传感器，尝试局部更换修复此电位计式转矩传感器时，在修复后还需要进行转向的“零点校正”，可参考维修手册进行校正，此处不建议维修人员维修或单独更换转矩传感器，而应采取更换转向柱总成的办法。 |
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