丰田卡罗拉电动助力转向系统

丰田卡罗拉电动助力转向系统（PS）一、功能电动助力转向系统（EPS）将最新的电力电子技术和高性 能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车动 态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、 减少环境污染等。因此，该系统一经提出，就受到许多大汽车 公司的重视，并进行开发和研究。未来的转向系统中，EPS将 成为主流。与其他转向系统相比，该系统的突出优势体现在： 不转向时不消耗功率，与液压转向系统相比，可降低燃油消 耗3 %5 %;改善车辆操纵性能，助力大小可通过控制单元 中的软件来控制，容易实现随车速等的变化而变化；结构 紧凑、重量轻；工作噪音小；结构比液压转向系统简洁， 无油泵、液压油、橡胶软管、油罐等；符合环保要求，车辆 报废时，不需处理液压油、橡胶软管等，也无液压油的泄漏问 题；安装简化（特别对于发动机后置和中置的车辆，可节省 装配时间）。二组成1、卡罗拉EPS由以下部件构成（见下图）：1）转向扭矩传感器。它通过检测弹性扭转杆因方向盘的扭矩所 产生的变形角度来测量方向盘操纵力矩，并将其转变为电子信号 并输出至EPS ECU，ECU据此决定对EPS马达提供多大的电压。 这是转向控制的重要信号。2) 转向电机。装于转向管柱的中部,是助力转向的动力来源。3) 减速装置。采取与电机转子内壳配套的循环滚珠式减速机构, 将电动机传来的转速降低,获得更大的转动扭矩,以便足以驱动 车轮转向。4) 转角传感器。向EPS ECU反馈转向助力电机的转角大小和转向，便于EPS ECU对整个转向过程进行准确控制。5) 齿条轴的外壳。6) 左右横拉杆。7) EPS ECU 。2. 转向扭矩传感器的结构与工作原理 转向扭矩传感器包括分相器单元1 与分相器单元2 两部分，分别安装在方向盘的输入轴和转向小齿轮的输出轴上(见图2、 3) 。图2 卡罗拉转向扭矩传感器装配图图3 卡罗拉转向扭矩传感器的分解图1) 转子部分由上下两层构成，均装有转矩传感器线圈。输入轴和 输出轴由一根细金属销刚性连接成一体，转子轴上方有连接用的 销孔(如图 3 所示) 。输入轴由汽车方向盘直接驱动，再通过金 属销、弹性扭转杆的传递来驱动输出轴;输出轴小齿轮推动齿条 平移，驱动转向轮向左或向右转向。2) 定子部分也有上下两层线圈，分别对应转子的上下部分。定子 线圈有2种,分别是励磁线圈和检测线圈。励磁线圈对转子部分 的线圈通过电磁感应起励磁作用;检测线圈用于检测输入、输出 轴的上下转角差（转向转矩），向EPS ECU输送电信号，这个电信 号是定子线圈上两列正弦波的相位差（如图 4 所示） ,反映此时 转矩传感器检测到的转矩大小。相位差越大，转矩越大。图4 检测线圈的相位差3. 转角传感器的结构与工作原理 丰田卡罗拉转角传感器属于电磁感应式传感器，它及时将转向电 机的转向及转向角度信号反馈给EPS ECU，形成一个闭环控制。 这个传感器转子为凸台式，转子与助力电动机转子连成一体，由 图5可见转角传感器的结构与感应凸台。转向传感器的定子线圈 呈圆环状（图5 中的转角传感器） ，装在助力电动机定子线圈端 面，感应凸台随助力电动机转子的转动，通过电磁感应原理，检测 出助力电动机转子的转角。4. 助力电动机的电源 由于目前汽车蓄电池的电压只有12 V ，助力电动机的功率非常 有限。为了提高转向助力的力矩，丰田卡罗拉助力电机的电源为 2734 V的三相交流电压。其EPS EUC中还专门设置有提升电 压的逆变器和电感储能线圈，由类似三相桥式、能将蓄电池的电 压转为2734 V 的电路完成。驾驶员操纵方向盘时，助力电动 机会根据转向阻力大小自动输出2734 V的可变电压。三、工作原理EPS是由EPS ECU控制转向电机工作来实现助力的转向系 统。驾驶员打方向时,方向盘通过传动轴的花键毂带动转向主轴 （输入轴） ,转向主轴再通过金属销带动弹性扭转杆;弹性扭转杆 下端是小齿轮（输出轴） ,小齿轮与转向齿条啮合产生动力输出, 驱动车轮向左或向右偏摆而实现转向。与此同时,助力的过程也 在进行,由于弹性扭转杆比较细长,受到来自转向主轴的扭矩时, 很容易产生扭转变形,因此,输入轴与输出轴之间产生上下转角 差,扭矩越大转角差越大;转矩传感器检测转角差大小并转化为 电信号输给EPS ECU ; EPS ECU根据转矩大小输出不同驱动电 压,以驱动转向助力电动机产生助力,转矩越大输出的驱动电压 越高,驱动电压在2734 V 变化。但当驾驶员未打方向或车辆 直线行驶时,助力电动机不运转,此时助力电动机的电压为零。转 向助力电动机的电流由EPS ECU控制，随车速变化而变化，EPS ECU 根据转向力矩值及车速大小计算所需输出电流并控制马达 运转。由图6可见，车速越高，转向助力电机的电流越小;车速越 低，转向助力电机的电流越大。因此，转向助力的大小由两个因素 决定，即方向盘输入扭矩与车辆的行驶速度。电动助力系统的控制:当车辆速度低时，转向沉重，这时需要 大的助力。由于车速低，EPS ECU供给助力电动机大的电流;另一方面方向盘沉重，弹性扭转杆变形大，转角差大，EPS ECU供给助力电动机高的电压,因此,助力电动机提供大的助力。车速高时, 转向轻便，这时需要小的助力，增加驾驶员转向的路感。由于车速 高， EPS ECU 供给助力电动机小的电流;另一方面方向盘轻便， 弹性扭转杆变形小，转角差小， EPS ECU 供给助力电动机低的电 压，因此，助力电动机提供小的助力。通过电动助力，达到理想的 转向控制。从图6 虚线部分可以看出，转向力矩曲线不是单一 的。转向助力输出电流一定时，对应不同曲线得到不同的转向力 矩，这因为驱动电压不是固定的，它随方向盘转向力矩变化而变 化;同样，转向力矩一定时，对应不同曲线得到不同的转向助力输 出电流，原因是驱动电压因素在起作用。转向助力电动机动力传 给转向齿条的原理:由图7 可见，转向助力电动机的转子是空心 的，它通过滚珠与齿条轴相啮合。当转向助力电动机转动时，它的 转子只能左右转动，而不能轴向移动，因此，转向助力电动机转动 时驱动滚珠迫使齿条轴向左或向右移动。在这个过程中，循环滚 珠式减速机构起到减速增扭的作用，将转向助力电动机传来的速 度减慢、转动扭矩放大。所以转向轮上最终得到的转向力矩是驾 驶员转向力矩和转向电动助力之和（车辆低速时，后者远大于前 者） ，转角传感器反馈转向助力电动机转子转角的大小与转向方 向，以便EPS ECU对转向控制作及时修正。当方向盘保持在某一 转向位置时，由于不再打方向，车轮要克服的路面转向阻力消失， 弹性扭转杆被释放，在弹力作用下慢慢恢复，弹性扭转杆上下不再存在转角差,ECU不再提供转向助力。车辆保持在转向位置是 靠驾驶员把住方向盘来维持的。图7卡罗拉EPS转向齿轮单元的结构检测与维修方法1扭矩传感器电路检测(a) 电路图如图所示。(b) 将点火开关置于ON (IG)位置。(c) 根据表1的值测量电压。2三相无刷电动机电路检测(a)电路图如图所示。(b)从助力转向ECU上断开连接器。(c)根据表2的值测量电阻。3.电动助力转向系统初始化和校准有下列情形的需执行EPS系统的初始化和校准:1更换转向柱总成；2更换 EPS ECU；3左、右转向助力有差异； 具体操作步骤如表3。五、 注意事项动力转向系统各总成机件在出厂前均调整合适，用户不得随 意拆卸。但若在使用中出现转向沉重故障，经检查确由动力转向 系统造成而必须拆卸时，应注意如下几点： 要遵守操作规程， 按各车型维护手册规定的方法拆装。拆装时要认真细致，不 能碰伤、划伤零件的工作表面。（ 要保护好密封件，如0形与矩 形橡胶密封圈、油封、减磨护圈等。必要时要用专用工具拆装。 特别是橡胶密封圈不允许划伤和挤伤工作表面，否则将影响密封 效果。 管路、油泵、动力缸、分配阀等液压机件拆卸后，必 须用专用堵塞（橡胶的、塑料的或木质的）及时将各油孔堵住，以 免泥沙、铁屑等进入工作表面。（ 装配液压机件时，应特别注意 清洁，不允许金属屑、泥沙、纱头等落入配合表面。条件许可时， 最好在有防尘设备的工作间进行装配。装配前，应用煤油仔细清 洗，然后用压缩空气吹净，并涂上工作油液。（ 转向油泵、动力 缸装好后。要先在试验台上进行试验。然后再装车。试验要求是： 转向油泵输出油液的流量和压力必须符合规定动力缸应无内、 外部泄漏，活塞杆应移动平稳无跳动现象。（ 各液压机件（如分 配阀）在调试合格或清洗后装配时，也必须用专用堵塞随 时将各油孔堵住，以防尘土进入。不允许用棉纱堵塞油孔更不 允许不堵油孔而随意放置。