電動汽車轉向系統的結構詳解(第1頁)

企鵝小星星 2017-02-14

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來源：汽車維修與保養 2014-11-12 08:16:28

電動汽車的驅動能源主要是動力電池，或主要不依靠發動機進行驅動，其轉向裝置不能采取傳統的由發動機驅動的液壓助力方式，而需要利用電機來輔助轉向，這就是要采取電動助力轉向。它是在機械轉向系統的基礎上，將電力電子技術對高性能電機的控制，來輔助駕駛員進行轉向操作的系統。當前電動轉向技術發展很快，已出現了“主動轉向”和“線傳轉向”等技術，如當前使用較多的“自動泊車輔助”系統就是主動轉向的應用，它不需等待駕駛員操縱方向盤發出信號，轉向ECU會根據停車的需要主動地發出指令控制車輛的轉向，實現自動尋位停車；而“線傳轉向”現已逐步實現量產，如日產車系的英菲尼迪Q50車上，駕駛員操縱方向盤的轉向動作不直接傳遞給轉向機，而僅僅作為信號發送到轉向ECU，實現車輛的轉向運作，這在無人駕駛車輛和自動穩定行駛軌跡方面得到了應用。但從目前實際運行的電動汽車來看，轉向裝置仍由駕駛員操縱方向盤，而采用電機的輔助轉向形式。
電動助力轉向EPS系統是在傳統轉向系統基礎上，采用電機驅動取代液壓驅動的機構，能在各工況下提供實時的轉向助力，使駕駛員操縱方向盤更輕便省力。電動轉向只在車輛轉向時才消耗電能，比起傳統機械式液壓助力轉向，能顯著地節省油耗，經濟性較好，同時結構相對簡單，取消了液壓系統的高壓油泵和液壓控制閥，減少了維修工作量。電控轉向的助力十分準確，操縱穩定性、響應性和主動安全性更高，適用于車輛的高低速行駛的轉向助力，同時還較大的減少維修工作量。
電動助力轉向由于有一系列的優點，所以電動助力轉向系統不僅在電動汽車上得到普遍使用，而且在燃油汽車上也越來越多的采用電動助力轉向裝置。

一、電動助力轉向系統的幾種形式
電動助力轉向系統有多種形式，主要分齒條驅動式和轉向柱驅動式兩大類。本文重點介紹齒條電動轉向驅動式助力系統。
1．齒條驅動式
齒條驅動式電動助力轉向系統，可分為單軸齒條電機助力式和平行軸助力式，平行軸助力式的在本文的后部有所介紹；齒條助力式還可按齒輪數量分為單齒式和雙齒式，如奧迪A3與大眾速騰等轎車上，就是裝用雙齒式電動助力系統。所謂“雙齒式”電動助力系統是指有兩個齒輪同時作用在齒條軸上，一個是由駕駛員操縱方向盤直接帶動的轉向小齒輪，另一個則是由助力電動機驅動的齒輪，驅動電機在轉向電腦的控制下工作，這種結構尤其是對轉向的“自動回正”有極好的功效。
2．轉向柱驅動式
轉向柱驅動式電動助力轉向裝置，應用范圍較廣在經濟型電動汽車和燃油汽車上，也在高檔豪華車輛上均有使用。
（1）轉向柱電動助力驅動式系統
轉向柱電動助力驅動式系統，在經濟型電動汽車和普通轎車上使用較多。為節約成本，電動驅動多采用轉向柱電動助力式，直接在方向盤下方的轉向柱上，加裝一個電機給方向盤助力，這就是轉向柱電動助力驅動系統。在轉向柱上安裝電機和減速裝置，產生較大的轉矩輔助駕駛員轉向操作，此系統具有良好的燃油經濟性，只在車輛轉向時電機才提供助力。圖1是這種結構的解剖圖，驅動電機一般為有炭刷的直流電機，定子為稀士強永磁材料。為提升電機的轉矩和減少體積，驅動電機的工作電壓比蓄電池的電壓高得多，多為20～36V以上，為此必須裝置有專用的DC-DC轉換器。轉換器內部電路較復雜，先將DC直流電轉變為AC交流電，經變壓器升壓后，再整流為直流電供給電機使用。

（2）固定傳動比與可變傳動比
轉向柱電動助力驅動式系統可分為固定傳動比與可變傳動比的方式，如比亞迪F3DM電動車和普通轎車就裝用固定傳動比電機助力方式，而寶馬轎車的所謂“主動式”助力轉向，用的就是可變傳動比的電機助力系統。普通轎車轉向傳動比一般在（16-18）:1之間，即在車輛低速行駛時扳動方向盤約16度時，轉向輪可以偏轉1度；而在高速時方向盤需轉動18度才偏轉1度，低速與高速的相差不大。而可變傳動比的轉向系統，如寶馬轎車的轉向系統，轉向的傳動比可在10：1和20:1之間變化，這么大的傳動比調節范圍，使得車輛在倒車進庫或低速行駛時，操縱方向盤更省力輕松，而在高速行駛時，需要轉動方向盤更大的角度轉向輪才能轉向，這可極大的提高行駛的穩定性和安全性。
寶馬的所謂“主動式”助力轉向顯然并不是會自動進行轉向的操作，它只是一個輔助性的裝置，轉向還得按駕駛員的操作意圖來實現。
（3）轉向的“波齒輪”減速結構
轉向柱驅動式電動助力轉向裝置現也在高檔豪華車輛上使用，如雷克薩斯LS460系列轎車的轉向系統，就用了一種“波齒輪”可變應力減速方式，豐田車系稱之為“VG RS"，能實現轉向的可變齒輪比，達到極佳的行駛穩定性和操控性。圖2表示這種波齒輪減速結構，圖中方向盤帶動紅色剛性的輸入齒轉動，與之并列的剛性綠色齒輪是輸出軸，再接后面的轉向器。中部藍色圓柱體代表驅動電機，它驅動一個外表光滑的橢圓形波形輪，波形輪上活套一個較寬的黑色柔性齒輪，它同時分別與紅色輸入齒及綠色輸出齒相嚙合。由于波形輪呈橢圓形，故黑色柔性齒輪也呈橢圓狀，形成橢圓的長軸齒和短軸齒，從圖中可見只有長軸齒才與紅輸入齒及綠輸出齒嚙合，而短軸齒則不被嚙合。

輸入紅齒有102齒，輸出綠齒有100齒，電機驅動的柔性齒也是100齒，這種不同齒數的特殊齒輪結構，可獲得齒輪的傳動比達51：1，而且能實現傳動比可變。在轉向控制ECU的作用下，在低速行駛時轉向能實現低減速比，減少駕駛員對方向盤的操控力；中速時可適度提高減速比，使車輛的轉向響應較靈敏；高速時不需要過高的轉向靈敏度，則大幅提高減速比，保證了高速行駛車輛的穩定性和安全性。

二、齒條電動轉向驅動式REPS助力系統
圖3所示為齒條電動轉向驅動式助力系統的結構，它由機械與電氣兩部分組成，機械部分主要有齒條軸、轉向驅動小齒輪、循環滾珠式減速裝置、左右兩邊的橫拉桿及車輪轉向節等；電氣部分包括助力驅動電機，轉矩傳感器及轉向傳感器、ECU電控模塊、電源變頻裝置及車速傳感器等幾種部件所組成，電機直接安裝在齒條軸上提供助力，形成齒條電機助力式轉向系統。

電動汽車的轉向系統隨車型會有差別，主是是采用不同的轉矩傳感器、不同的驅動電機、不同的布置形式，或采取不同的減速傳動裝置。但電動汽車的轉向系統的基本工作原理是相同的，均是通過轉矩及轉向傳感器，檢測駕駛員操縱方向盤的轉矩大小及轉角方向，并轉化成電信號，傳輸到轉向控制單元ECU進行分析，輸出一個與之相匹配的力矩信號，指令轉向的驅動電機工作，而產生相應的轉向助力作用。
轉矩傳感器反映了駕駛員操縱方向盤轉動的力矩的大小，轉矩傳感器通常有解角式、磁阻式及檢測環復合式等數種形式，其中解角式轉矩傳感器用得最普遍。圖3中的轉角傳感器是檢測轉向角度及轉動方向用的。

1．解角式轉矩傳感器的結構
解角式轉矩傳感器通常安裝在方向盤轉向柱的中部或下端，串接在方向盤的轉向軸與轉向齒條之間，轉矩傳感器的輸出裝置就是轉向驅動小齒輪，它與齒條直接嚙合使齒條作左右直線運動，通過左右橫拉桿來驅動車輪的轉向節左右擺動而轉向。顯然轉矩傳感器在電動轉向系統中，是極重要的一個部件，它檢測駕駛員操縱方向盤轉向力矩的大小，并將此力矩轉換成電信號，向轉向控制器ECU傳輸。
圖4是解角式轉矩傳感器的分解圖，圖中部為其轉子總成外形圖，右部圖是其定子結構圖，定子分上下兩層分別嵌有上定子線圈1和下定子線圈2（用紅字標注）。它安裝在轉向器外殼內，是固定不動的，其上有七根不同顏色的細線，向轉向控制單元ECU輸出轉矩信號；定子的內部是轉矩傳感器的轉子，轉子的上端與方向盤軸用花鍵鋼性連接，轉子軸有上下的內外兩層。圖中用紅色線標識轉子線圈1，用蘭色線標識轉子線圈2。兩個定子線圈與兩個轉子線圈在位置上是分別對應的。轉子線圈1是裝在轉子空心軸上，與方向盤同步旋轉。而轉子線圈2則與轉向小齒輪一起旋轉，小齒輪的上部有較細的扭桿，插入空心軸內，細扭桿的上端與空心軸的上端用橫銷相連，有花鍵與方向盤的輸出轉軸連接，隨著方向盤一起轉動。扭桿下端是驅動小齒輪，直接與齒條相嚙合，驅動兩前輪左右擺動而轉向。

2．轉矩傳感器的輸出電壓
轉矩傳感器的輸出電壓反映了駕駛員操縱轉向力矩。當駕駛操縱方向盤轉向時，方向盤軸帶動轉矩傳感器的轉子軸旋轉，轉子軸的空心軸與扭桿軸隨之轉動。空心軸的下端只有轉子線圈1，而沒有其他的負載，所以空心軸完全與方向盤同步旋轉；而靈敏的細扭桿軸下端是驅動小齒輪，它與齒條嚙合以驅動左右前輪擺動。由于輪胎與路面有較大的摩擦力，反映扭桿軸上的驅動齒輪是有載荷阻力的。在這個阻力的作用下，會造成細扭桿產生一定的扭曲形變，扭曲形變量的大小直接反映轉子線圈2與轉子線圈1兩者間產生的 “相位差”。兩個轉子線圈的轉角相位差可通過定子的上層和下層的線圈感應，則定子線圈輸出轉向的感應電壓信號到轉向ECU電控模塊，反映了駕駛員操縱方向盤的力矩，故這個裝置稱為轉向的轉矩傳感器。
3．轉向助力電機與減速機構
轉向齒條軸橫置在駕駛室火墻的下方，其外殼內裝有電機，向轉向系統提供助力。電機有直接采取DC直流無刷電機式的，也有用三相永磁無刷電機式的，其共同特點是電機的體積小可直接安裝在轉向器的齒條軸上，轉子的轉動慣量較小，轉向操縱十分靈活，運轉時的噪聲較低，輸出功率高。電機結構的特點如下。
①為減少助力電機的體積和增大電機的輸出功率，有的電機的工作電壓提升到三相交流電30V左右，有的三相交流電壓提升得更高，遠高于蓄電池的電壓，可有效地減小電機運轉時的工作電流。由于電機工作電壓提升的需要，為此必須增加一個電壓提升的電路，以及必須的電源逆變電路來產生三相交流電，供三相驅動電機使用。
②電機的轉子采用永磁材料，為使轉向齒條軸穿過電機的轉子，所以轉子內部是空心的，電機與齒條軸是同軸結構。如圖3所示，電機永磁轉子上還安裝有轉角傳感器的永磁轉子，與之相對應的還有轉角傳感器的定子及其線圈，其信號傳給轉向ECU，反映了實際轉向及角度的大小。
③電機的旋轉運動是通過減速裝置傳給齒條軸的，為高效傳遞轉矩減輕摩擦阻力，并減少運動的噪聲，這里采取了循環滾珠式的減速裝置，如圖3所示。齒條軸的延伸是滾珠絲杠，外套有滾珠螺母，絲杠與螺母間有循環流動的滾珠。轉向電機轉子的高速旋轉通過外套的滾珠螺母，形成較大的減速比，并將滑動摩擦轉換成滾動摩擦，摩擦阻力異常輕巧，輕便的傳送給滾珠絲杠，使得齒條軸得以助力，整個轉向系統變得輕便靈活，響應極迅速。

4．齒條平行軸式REPS電動助力轉向系統
齒條驅動式電動助力轉向裝置，有同軸式和平行軸式兩種形式，同軸式REPS輔助系統是指電機的空心軸與轉向器絲杠軸兩者同為一根軸，電機轉子直接驅動絲杠螺母，并將轉矩傳遞給絲杠螺母，絲杠螺母副將旋轉運動轉變成齒條的直線運動。本文前面所述的電機輔助助力系統就是同軸式的。
平行軸式REPS是指轉向器助力電機轉子與轉向器絲杠軸兩者不同軸，而采用平行軸結構，利用皮帶連接電機轉軸和絲杠螺母，滾珠絲杠上的循環滾珠作為減速機構。平行軸式REPS主要由殼體、驅動電機、滾珠絲桿、輸入齒輪軸總成、扭矩傳感器、ECU和軸承等構成。
現代歐美電動車型中多用平行軸式電動助力轉向，我國新投產的比亞迪“秦牌”混合電動汽車，大眾車系的“邁騰”轎車均采用了這種電動轉向結構，如圖5所示，這種齒條平行軸式REPS系統的驅動部分，與齒條驅動式電動助力轉向裝置一樣，它的轉向絲桿亦是采取十分省力靈活的滾珠結構。