◆文/廣東 黃關山

(作者黃關山單位：珠海理工職業(yè)技術學校)

奧迪A7 Sportback是奧迪車系中的全新車型，其車身長度接近5m，車身尺寸介于A8與A6之間，是一款大中型房車。奧迪A7 Sportback搭載兩款動力系統(tǒng)，分別是V6 3.0L TFSI機械增壓發(fā)動機和2.8L自然進氣發(fā)動機。

奧迪A7 Sportback轉向系統(tǒng)的創(chuàng)新主要在于其采用了電動機械式轉向系統(tǒng)。轉向柱在基本裝備工況下是機械可調的，電動調節(jié)轉向柱屬于選裝裝備。在標準配置中，車輛采用四輻式多功能方向盤，而選裝裝備則可采用多種不同型號的三輻式多功能運動方向盤。

奧迪A7 Sportback使用的是新一代電動機械式轉向系統(tǒng)，該系統(tǒng)各部件結構如圖1所示，部件位置如圖2所示。該電動機械式轉向系統(tǒng)的轉向助力是通過一個與齒條同心的電機來實現(xiàn)的。之所以選用這種結構是因為它占用空間小、效率高，齒條、電機和傳動機構之間是通過滾珠絲杠驅動的。電子控制單元和相關傳感器集成在一個小巧的結構單元內，因此，這套系統(tǒng)的質量只有大約16kg。因為采用電動機械的方式來產(chǎn)生轉向助力，所以燃油消耗量最多可降低0.3L/100km，另外，系統(tǒng)可以按實際需要改變助力的大小。

一、系統(tǒng)部件結構及功能

1.轉向助力控制單元J500

轉向助力控制單元J500(見圖3)根據(jù)轉子位置和轉向力矩確定出相電壓的狀態(tài)模型，根據(jù)該模型設定相電流，讓電機產(chǎn)生扭矩，扭矩的大小取決于電流強度的大小。這些匹配關系存儲在控制單元內的，該控制單元內還集成有用于激活電機的末級功放，并通過FlexRay數(shù)據(jù)總線進行通訊。轉向助力控制單元J500外部有三個插頭，用于連接各個觸點，內部接口是電機和電機位置傳感器。

2.電動機械式助力轉向電機V187

電動機械式助力轉向電機V187(見圖4)用于產(chǎn)生轉向助力所需要的力矩，其電機是永久勵磁式三相交流同步電機，該結構電機的優(yōu)點在于體積小、功率大。

(1)轉向電機V187的結構

由于采用永久勵磁式三相交流同步電機，所以省去了用于將勵磁電流送往轉子的滑環(huán)。控制單元會計算出所需要的相電壓，并通過末級功放接通定子線圈，定子由12個勵磁線圈構成，每4個勵磁線圈串聯(lián)在一起，接通正弦曲線的電流。三股電流彼此間的相位是錯開的，并產(chǎn)生三個磁場，這三個磁場合在一起又產(chǎn)生一個旋轉磁場，因此轉子才會同步轉動。轉子帶有10個永久磁鐵，這些磁鐵的南、北極是交互布置的，轉子放在齒條上，呈空心軸狀。

(2)滾珠絲杠的工作原理

滾珠絲杠能夠將電機的旋轉運動轉換成齒條的直線運動。滾珠絲杠的工作原理類似于螺栓螺母系統(tǒng)，其結構和原理如圖5所示。螺距變成了溝道，螺栓(螺桿)和螺母(球循環(huán)螺母)之間的連接是通過溝道中的球來實現(xiàn)的。這些球的滾動就像軸承內的滾子元件一樣，在一個封閉的循環(huán)回路中運動。要想實現(xiàn)這種運動，球循環(huán)螺母內要有一個循環(huán)通道，將球循環(huán)螺母的溝道“起點”和“終點”連接在一起。

隨著球循環(huán)螺母的反向轉動以及球滾動方向的逆轉，螺桿的運動方向也會跟著改變。滾珠絲杠在將旋轉運動轉換成直線運動時，因為摩擦減小了(球與溝道是點接觸的)，所以，功率的消耗只有普通螺桿傳動功率的三分之一。整個結構具有磨損小、定位精度高(安裝間隙很小)的特點。

球循環(huán)螺母被縱向固定，如果轉動，那么螺桿就會按箭頭指示的方向做直線運動。為了減少這些球之間的接觸，循環(huán)通道越短越好，因此，在球循環(huán)螺母內采用兩條彼此分開的循環(huán)通道。

(3)滾珠絲杠在奧迪A7 Sportback上的應用

在奧迪A7 Sportback上，球循環(huán)螺母與轉子空心軸是連在一起的，齒條的一端被設計成螺桿形。電機被啟動時，轉子空心軸連同球循環(huán)螺母開始轉動，齒條也就開始直線運動了，其過程如圖5所示。電機轉動產(chǎn)生的力可為方向盤左轉、右轉提供助力。電機電流的大小決定轉向助力力矩的大小。

3.轉向力矩傳感器 G269

(1)轉向力矩傳感器G269的作用

在行車過程中，駕駛員通過轉向力矩傳感器G269(見圖6)來確定其所施加的轉向力矩的大小，從而得到其需要的轉向助力力矩。轉向主動齒輪與轉向軸通過一個扭力桿連接，與帶有轉向閥的普通液壓轉向系統(tǒng)是一樣的。如果司機轉動方向盤，那么扭力桿和轉向軸相對于轉向主動齒輪的位置就發(fā)生了扭轉，扭轉程度取決于司機所施加的轉動力矩的大小。轉向力矩傳感器G269可以測量出扭轉程度。

(2)轉向力矩傳感器G269的信號產(chǎn)生原理

轉向軸與帶有8對極偶的環(huán)形磁鐵、兩個傳感器靶輪(各有8個齒)與轉向主動齒輪都是剛性連接的。兩個傳感器靶輪的齒是錯開分布的，從上面沿著旋轉軸方向看，一個傳感器靶輪的齒處在另一個傳感器靶輪的齒隙中。在兩個傳感器靶輪中間是兩個霍爾傳感器，傳感器與殼體是剛性連接的，傳感器信號產(chǎn)生的原理如圖7所示。

(3)轉向力矩傳感器G269的轉向判斷

如果沒有轉動方向盤，那么傳感器靶輪與磁極的相對位置則位于每個傳感器靶輪齒的南北極的正中間。所以，這兩個傳感器靶輪被磁力線穿過的方式是一樣的，兩個傳感器靶輪之間沒有磁場，兩個霍爾傳感器輸出的信號也相同。圖8為沒有轉動方向盤時，轉向力矩傳感器G269的轉向判斷。

轉向運動使扭力桿發(fā)生扭動，因此也導致環(huán)形磁鐵與傳感器靶輪之間發(fā)生相對運動。環(huán)形磁鐵的扭轉使與傳感器靶輪相對應的磁極位置也發(fā)生了變化，傳感器靶輪上的齒會脫離北極和南極間正中的位置。根據(jù)方向盤轉動的方向，一個傳感器靶輪的齒更靠近北極一些，另一個傳感器靶輪的齒更靠近南極一些，這就導致了磁路失調，相應的磁通量會被霍爾傳感器檢測到。圖9為轉動方向盤時轉向力矩傳感器G269的轉向判斷示意圖。

4.轉子位置傳感器

轉子位置傳感器用于探知轉子的位置。傳感器的控制單元必須知道轉子的準確位置，以便計算出環(huán)繞的定子磁場所需要的相電壓(電子傳感器控制的整流)。轉子位置傳感器測得的相電壓值也可以用于確定轉向止點。為了出現(xiàn)避免硬的機械式止點，通過電動機械式轉向系統(tǒng)可以實現(xiàn)軟的止點。

(1)轉子位置傳感器的結構

轉子位置傳感器的結構如圖4所示，轉子上有一個盤，是用透磁通的金屬制成的。這個轉子盤的形狀像凸輪盤，該盤被一個固定在殼體上的電磁線圈環(huán)所包圍，該電磁線圈環(huán)具有定子的作用。該電磁線圈環(huán)由三個單線圈構成，其中一個線圈具有勵磁線圈的作用，另兩個線圈作為接收線圈使用。

(2)轉子位置傳感器的工作原理

轉子位置傳感器的工作原理如圖10所示。勵磁線圈通入正弦曲線的勵磁電壓后，勵磁線圈周圍產(chǎn)生的交變磁場作用在轉子盤上，轉子盤將交變磁場的磁通引向接收線圈，接收線圈將感應到一個交變電壓，該電壓與轉子盤的位置成一定的比例，與勵磁電壓存在相位差。

二、電動機械式轉向系統(tǒng)的控制過程

1.控制過程

(1)打開駕駛員車門后，F(xiàn)lexRay數(shù)據(jù)總線被喚醒，控制單元之間開始通訊。控制單元J500開始初始化，系統(tǒng)開始自檢。

(2)接通點火開關(15號線接通)，組合儀表控制單元J285短時激活指示燈進行檢查。如果確認系統(tǒng)無故障，指示燈會在幾秒鐘后又熄滅。

(3)啟動發(fā)動機(15號線接通)，如果發(fā)動機轉速超過500r/min，那么轉向助力系統(tǒng)處于激活狀態(tài)。如果扭桿未被方向盤上的作用力扭動(由轉向力矩傳感器G269來感知)，那么轉向角傳感器G85的信號就會自動與轉子位置傳感器的信號進行同步，這兩個測量值之間相互依賴的關系將作為特性曲線存儲在控制單元J500中。隨后，在車輛行駛中，轉向助力系統(tǒng)通過分析轉子位置傳感器的信號來感知轉向運動。該控制單元會考慮奧迪駕駛模式選擇系統(tǒng)中相應的設置選擇，以便確定使用哪條助力轉向特性曲線進行調節(jié)。

(4)在車輛行駛過程中，轉向助力的強度主要由轉向力矩、轉向角和車速來決定。電機的激活電流由控制單元計算，定子繞組由末級功放通入相應的電流。電機通過滾珠絲杠作用到齒條上的力增大駕駛員施加在方向盤上的轉向力。

(5)如果在車輛行駛的過程中關閉發(fā)動機，助力轉向系統(tǒng)就會自動關閉。

2.數(shù)據(jù)交換

圖11是與電動機械式轉向系統(tǒng)相關的信息，這些信息由控制單元J500接收和發(fā)送，每個信息后面的數(shù)字表示哪個控制單元需要使用該信息。

三、操縱和駕駛信息

與傳統(tǒng)的轉向系統(tǒng)相比，電動機械式轉向系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種附加功能。在奧迪A7 Sportback上，這些附加功能有標配的隨速助力轉向系統(tǒng)(servotronic)、駕駛輔助系統(tǒng)(driver steering recommendation)以及直線行駛校正。如果車上裝有奧迪車道保持輔助系統(tǒng)，那么該系統(tǒng)可有針對性地對方向盤施加轉向助力，以防止車輛無意間離開車道。一般來說，駕駛員可以在奧迪駕駛模式選擇系統(tǒng)(見圖12)中選用一種行駛模式，這樣也就選定了從舒適模式到運動模式的某種轉向特性。狀態(tài)信息由一個雙色亮起的指示燈指示給駕駛員，同時，中央顯示屏上還有文字信息(見圖13)。

四、維修保養(yǎng)與故障診斷范圍

奧迪A7 Sportback電動機械式轉向系統(tǒng)各部件都有自診斷功能，其自診斷功能如下。

1.特殊的系統(tǒng)狀態(tài)

(1)黃色指示燈亮起

黃色指示燈(見圖14)在下述情況下會亮起：①電動機械式轉向系統(tǒng)沒有進行止點位置的自適應，在這種情況下，故障存儲器會記錄下這個故障，且助力轉向功能會降至60%的水平，中央顯示屏上還會出現(xiàn)文字信息提醒駕駛員。在進行完止點位置的自適應后，黃色指示燈會自動熄滅，故障存儲器內的記錄也會自動清除；②在系統(tǒng)故障的情況下，中央顯示屏上會顯示文字信息且故障存儲器內會記錄下這個故障。這時可以把車開到附近的服務站進行維修，只是助力轉向功能變弱了。

(2)紅色指示燈亮起

紅色指示燈(見圖15)在下述情況下會亮起：①15號線接通后，會有一個內部系統(tǒng)檢測過程。組合儀表內的控制單元J285會使該指示燈暫時亮起以檢查其功能，如果系統(tǒng)無故障，幾秒鐘后該指示燈會再次熄滅；②如果紅色指示燈一直亮著，說明系統(tǒng)有故障。在這種情況下，中央顯示屏上會顯示文字信息且故障存儲器會記下這個故障。這時車輛就不能繼續(xù)行駛了，因為，助力轉向功能已降至不足20%或者已經(jīng)徹底失靈。

2.拆裝/更換系統(tǒng)元件及后續(xù)工作

電動機械式轉向系統(tǒng)的部件是不能單獨更換的(除了防塵套和轉向橫拉桿)。如果系統(tǒng)有故障，則必須更換整個轉向機構總成，新控制單元在安裝后要進行編碼，這個編碼要在線進行。在車輛診斷儀上啟動“給控制單元編碼”功能后，首先要下載數(shù)據(jù)包，就是從中央數(shù)據(jù)庫中將控制單元將要使用的必須的軟件參數(shù)輸入該控制單元中。隨后的編碼過程就是向控制單元輸入有關車輛裝備的信息。因為這個新控制單元尚未存儲轉向止點位置信息，所以，在編碼結束后還要執(zhí)行“轉向止點自適應”這個功能。