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。