电动汽车转向系统的结构详解(第1页)

来源：汽车维修与保养     2014-11-12 08:16:28


    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。



（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“VG RS"，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。

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。

    2．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杠轴两者同为一根轴，电机转子直接驱动丝杠螺母，并将转矩传递给丝杠螺母，丝杠螺母副将旋转运动转变成齿条的直线运动。本文前面所述的电机辅助助力系统就是同轴式的。
    平行轴式REPS是指转向器助力电机转子与转向器丝杠轴两者不同轴，而采用平行轴结构，利用皮带连接电机转轴和丝杠螺母，滚珠丝杠上的循环滚珠作为减速机构。平行轴式REPS主要由壳体、驱动电机、滚珠丝杆、输入齿轮轴总成、扭矩传感器、ECU和轴承等构成。
    现代欧美电动车型中多用平行轴式电动助力转向，我国新投产的比亚迪“秦牌”混合电动汽车，大众车系的“迈腾”轿车均采用了这种电动转向结构，如图5所示，这种齿条平行轴式REPS系统的驱动部分，与齿条驱动式电动助力转向装置一样，它的转向丝杆亦是采取十分省力灵活的滚珠结构。

    平行轴式电动助力转向系统的驱动电机，多用永磁式三相交流电机，工作电压一般与动力电池的电压相同，但也需要通过变频器的转换，将动力电池的直流电压首先经变频器逆变为三相交流电后，再供给转向驱动电机旋转，使转向系统得以助力。可参见相关的电动汽车空调或电动汽车驱动系统的变频器电路，了解其工作原理。