◆文/山東 杜慶友

故障現(xiàn)象

一款?yuàn)W迪A6L轎車，配備C7電動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)，排量為2.5L。客戶反應(yīng)車輛在行駛中感覺轉(zhuǎn)向變沉且沒有助力，同時(shí)儀表上紅色方向盤指示燈報(bào)警并有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障，提示請(qǐng)勿繼續(xù)行駛的信息。

故障診斷與分析

新奧迪A6L配備的C7與C6液壓機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完全不同，它采用了電控機(jī)械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)原理與奧迪A7 Sportback是一樣的，功能是通過一個(gè)與齒條同心的電機(jī)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。齒條、電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過滾珠、絲杠來驅(qū)動(dòng)的。電子控制單元和相關(guān)傳感器都集成在轉(zhuǎn)向機(jī)上，具體結(jié)構(gòu)如圖1。

轉(zhuǎn)向機(jī)主要功能部件由轉(zhuǎn)向力矩傳感器G269、電動(dòng)機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向電機(jī)V187(帶有轉(zhuǎn)子位置傳感器)、轉(zhuǎn)子位置傳感器、滾珠絲杠、轉(zhuǎn)向助力控制單元J500等組成。

1.轉(zhuǎn)向力矩傳感器G269

轉(zhuǎn)向力矩傳感器G269的結(jié)構(gòu)(圖2)是八對(duì)極偶的環(huán)形磁鐵與轉(zhuǎn)向軸剛性連接，兩個(gè)傳感器靶輪各有八個(gè)齒，這兩個(gè)傳感器的靶輪齒是錯(cuò)開布置的。兩個(gè)傳感器靶輪的中間有兩個(gè)霍爾傳感器，兩個(gè)傳感器與殼體是剛性連接的。

轉(zhuǎn)向機(jī)工作原理是如果沒有轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，每個(gè)傳感器靶輪上的齒都在N極與S極的正中位置。因此這兩個(gè)傳感器靶輪被磁力線所穿過的方式是一樣的，兩個(gè)靶輪之間沒有磁場(chǎng)，兩個(gè)傳感器輸出信號(hào)也相同。如果發(fā)生轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致環(huán)形磁鐵與傳感器靶輪之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。環(huán)形磁鐵的扭轉(zhuǎn)使磁極位置相對(duì)于傳感器靶輪發(fā)生了變化。傳感器靶輪上的齒就會(huì)離開N極與S極的正中位置。根據(jù)方向盤的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，一個(gè)傳感器靶輪上的齒按比例會(huì)靠近N極一些，而另一個(gè)齒會(huì)靠近S極一些，這就使得磁路發(fā)生失調(diào)，產(chǎn)生的磁通量就被傳感器測(cè)量到。轉(zhuǎn)向機(jī)作用是駕駛員在任何時(shí)刻都可以獲得轉(zhuǎn)向助力，依據(jù)駕駛員所施加的轉(zhuǎn)向力矩的大小。G269就是用來確定這個(gè)轉(zhuǎn)向力矩大小的。

2.電動(dòng)機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向電機(jī)V187

電動(dòng)機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向電機(jī)V187(圖3)是用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力所需力矩，使用的是一個(gè)永久勵(lì)磁式三項(xiàng)交流同步電機(jī)，其優(yōu)勢(shì)是體積小、功率大。由于采用永久勵(lì)磁式電機(jī)省去了用于將勵(lì)磁電流送往轉(zhuǎn)子的滑環(huán)，控制單元會(huì)計(jì)算出所需的相電壓，并通過末級(jí)功放接通定子線圈。定子有12個(gè)勵(lì)磁線圈組成，每4個(gè)線圈串聯(lián)在一起，通上正弦曲線的電流，三股電流彼此間的相位是錯(cuò)開形成三個(gè)磁場(chǎng)，三個(gè)磁場(chǎng)合在一起又形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，于是轉(zhuǎn)子就會(huì)產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子帶有10個(gè)永久磁鐵，磁鐵的N極和S極是交互布置的轉(zhuǎn)子呈中心軸結(jié)構(gòu)，安裝在齒條上。

3.轉(zhuǎn)子位置傳感器

轉(zhuǎn)子位置傳感器是用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。控制單元必須知道轉(zhuǎn)子的位置，以便計(jì)算出環(huán)繞定子磁場(chǎng)所需的相電壓，轉(zhuǎn)子位置傳感器的測(cè)量值也可以用于確定轉(zhuǎn)向止點(diǎn)。為了避免硬的機(jī)械式轉(zhuǎn)向止點(diǎn)，通過電動(dòng)式機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)軟的止點(diǎn)。

轉(zhuǎn)子位置傳感器結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)子上有一個(gè)盤，使用透磁通的金屬制成的。轉(zhuǎn)子盤的形狀像一個(gè)凸輪盤(圖4)，該盤被一個(gè)固定在殼體上的電磁線圈環(huán)所包圍，該電磁環(huán)線圈起著定子的作用。線圈有三個(gè)單線圈構(gòu)成，其中一個(gè)線圈起著勵(lì)磁作用，另兩個(gè)作為接收線圈使用。

轉(zhuǎn)子盤的工作原理(圖5)是勵(lì)磁線圈通上正弦曲線的勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁線圈周圍產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)作用到轉(zhuǎn)子盤上，轉(zhuǎn)子盤將勵(lì)磁線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的磁通引致接收線圈。于是接收線圈內(nèi)就感應(yīng)出了一個(gè)交變電壓，該電壓與轉(zhuǎn)子盤的位置成一定比例，與勵(lì)磁電壓形成相位差。

4.滾珠絲杠

滾珠絲杠是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為齒條的直線運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過程是由滾珠絲杠來完成的。滾珠絲杠類似于普通的螺栓螺母系統(tǒng)，螺距就變成了溝道，螺栓(齒條)和螺母(球循環(huán)螺母)之間的連接是通過溝道中的球來實(shí)現(xiàn)的。這些球的滾動(dòng)(通過電機(jī)轉(zhuǎn)子)就像軸承內(nèi)的滾子元件那樣在一個(gè)封閉的循環(huán)回路里運(yùn)動(dòng)，想讓循環(huán)螺母內(nèi)有一個(gè)循環(huán)通道，必須要將循環(huán)螺母的起始點(diǎn)和終點(diǎn)連接在一塊。隨著球循環(huán)螺母的反向轉(zhuǎn)動(dòng)以及球滾動(dòng)方向的逆轉(zhuǎn)，螺桿(齒條)的運(yùn)動(dòng)方向也發(fā)生改變(圖6)。球循環(huán)螺母固定在縱向，它如果轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿就會(huì)按箭頭方向做直線運(yùn)動(dòng)，為了限制這些球相互之間接觸球的循環(huán)通道越短越好，因此在球循環(huán)螺母中采用了兩條分開的循環(huán)通道。

5.轉(zhuǎn)向助力控制單元J500

J500根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)向力矩這些信息來確定相電壓的狀態(tài)模型。由此設(shè)定的相電流就會(huì)讓電機(jī)產(chǎn)生出不同的扭矩，而扭矩大小取決于電流強(qiáng)度。這些匹配關(guān)系是儲(chǔ)存在控制單元內(nèi)的，該控制單元通過FlexRay數(shù)據(jù)總線來進(jìn)行通訊的，控制單元內(nèi)還集成有用于激活電機(jī)的末級(jí)功放。J500外部有3個(gè)插接頭(圖7)分別用于轉(zhuǎn)向力矩傳感器G269信號(hào)接口、15號(hào)線和FlexRay總線接口、30號(hào)線和31號(hào)線接口，內(nèi)部分別接電機(jī)和電機(jī)位置傳感器接口。

J500的工作原理是打開駕駛員側(cè)車門，F(xiàn)lexRay總線就被喚醒，控制單元之間開始通訊，J500開始例行的初始化。接通點(diǎn)火開關(guān)組合儀表控制單元J285短暫激活指示燈進(jìn)行檢查，如果系統(tǒng)無故障，指示燈在幾秒后熄滅。啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過500r/min，那么轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)就處于激活狀態(tài)。如果方向盤沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，那么轉(zhuǎn)向角傳感器(G85)的信號(hào)就會(huì)與轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)同步。在車輛行駛中轉(zhuǎn)向助力的強(qiáng)度主要是根據(jù)轉(zhuǎn)向力矩、轉(zhuǎn)向角和車速來確定的。電機(jī)通過滾珠絲杠上的力作用到齒條上會(huì)增大駕駛員施加在方向盤上的轉(zhuǎn)向力。斷開轉(zhuǎn)向助力，車輛在行駛中如果關(guān)閉了發(fā)動(dòng)機(jī)，那么當(dāng)車速低于7km/h時(shí)轉(zhuǎn)向助力就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

案例中故障車輛的檢修步驟為連接VAS5052，讀取故障碼(圖8)。由故障碼可以判斷出問題在轉(zhuǎn)向助力控制單元上，同時(shí)馬達(dá)位置傳感器也集成在控制單元內(nèi)。而此車上述部件都不可以單獨(dú)更換，如果系統(tǒng)有故障則必須更換方向機(jī)。為了進(jìn)一步確定問題，維修人員對(duì)控制單元線路做了檢查。在J500上共有3個(gè)插頭(圖9)，1為J500上的G269的插頭，2為J500上的車輛信號(hào)(FlexRay總線和段子15)插頭，3為供電電壓連接(4為G269的連接)，均沒有發(fā)現(xiàn)問題。嘗試做端位匹配也不成功，只好更換轉(zhuǎn)向機(jī)總成，更換后故障排除。

維修人員更換轉(zhuǎn)向機(jī)總成的步驟如下：

(1)當(dāng)新的轉(zhuǎn)向機(jī)安裝在車上以后必須對(duì)新的控制單元進(jìn)行在線編碼，編碼時(shí)必須運(yùn)行程序，將規(guī)定值與實(shí)際值比較(編碼程序后臺(tái)運(yùn)行)。

(2)編碼后要對(duì)G85進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法是打開點(diǎn)火開關(guān)進(jìn)入車輛自診斷，選擇地址碼16轉(zhuǎn)向柱電子設(shè)備，點(diǎn)擊訪問授權(quán)輸入登陸碼“40168”，選擇基本設(shè)置04進(jìn)入，選擇01，點(diǎn)擊啟動(dòng)即可。

(3)進(jìn)行端位匹配。啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)如果轉(zhuǎn)向角還沒有在±360°的范圍內(nèi)，必須將方向盤移動(dòng)至該范圍，將方向盤移動(dòng)至第一個(gè)機(jī)械止動(dòng)位，用大于8Nm的手動(dòng)扭矩將方向盤保持在全鎖止位置至少1～2s，聲音信號(hào)作為該端位正確匹配的標(biāo)記。然后將方向盤轉(zhuǎn)至另一個(gè)機(jī)械止動(dòng)位同樣以大于8Nm的扭矩將方向盤保持在全鎖止位置至少1～2s，聲音信號(hào)作為該端位的正確匹配標(biāo)記。朝中間位置移動(dòng)方向盤，同時(shí)故障指示燈熄滅，故障碼被清除。