◆文/福建 汪貴行 汪學(xué)慧

比亞迪轎車電動轉(zhuǎn)向裝置的檢修

◆文/福建 汪貴行 汪學(xué)慧

汪貴行

(本刊編委會委員)

長期在汽車運(yùn)用與檢測的第一線工作，1984年起被交通部門指派長期在伊拉克、也門等多個阿拉伯國家工作，負(fù)責(zé)機(jī)務(wù)技術(shù)并兼高級電氣工程師。1995年起在深圳市特發(fā)華日豐田汽車公司從事技術(shù)工作，2009年退休后到深圳市通達(dá)汽車培訓(xùn)學(xué)校工作。2014年3月，在“香港之聲”宣傳電動汽車的應(yīng)用，得到廣大車友的積極關(guān)注與好評。2013年，由深圳市科技部門推薦，主要工作業(yè)績被選編在“特區(qū)人物志”中。

一輛2000年9月購買的比亞迪F3DM混合電動汽車，使用近6年，近期發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動方向盤時，操縱轉(zhuǎn)向越來越沉重，而且轉(zhuǎn)向時有越來越明顯的“咔、咔”聲異響。后來車輛就再也不能轉(zhuǎn)向并發(fā)生停駛的故障,同時在儀表盤上出現(xiàn)P/S報警燈亮。由于此車有明顯轉(zhuǎn)向故障的預(yù)兆，所以引導(dǎo)我們檢修轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

一、電動轉(zhuǎn)向助力電機(jī)的檢修

比亞迪F3DM汽車的電動助力轉(zhuǎn)向?qū)儆诜较蛑街Ψ绞健，F(xiàn)電動轉(zhuǎn)向裝置通常有兩種助力方式：一是在轉(zhuǎn)向器前方安裝電機(jī)助力，二是在轉(zhuǎn)向器后方裝置電機(jī)來助力。前者為方向柱式助力方式，后者為齒條助力或循環(huán)球轉(zhuǎn)向助力方式。比亞迪F3DM電動汽車的電動助力轉(zhuǎn)向?qū)儆诜较蛑κ剑苯釉诜较虮P轉(zhuǎn)向管柱的下方，安裝助力電機(jī)和減速裝置，產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩以減輕駕駛員的轉(zhuǎn)向操作力，這就是轉(zhuǎn)向柱電動助力系統(tǒng)，如圖1所示。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單成本較低，可使用直流電機(jī)，只在車輛轉(zhuǎn)向時電機(jī)才提供助力，比起液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)和成本低的特點(diǎn)，多在經(jīng)濟(jì)型轎車和電動轎車上使用。

1.比亞迪電動汽車電機(jī)助力裝置的解剖

圖2為該電機(jī)助力結(jié)構(gòu)圖，在轉(zhuǎn)向柱下方有一套蝸輪蝸桿的減速機(jī)構(gòu)。助力電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上有花鍵套與蝸桿端部的花鍵軸配合，電機(jī)轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動一個雙頭蝸桿，與37個齒的蝸輪配合形成較大減速的裝置。蝸輪直接安裝在轉(zhuǎn)向柱上，由于電機(jī)幫助驅(qū)動蝸桿旋轉(zhuǎn)，經(jīng)蝸輪減速配合的帶動，可大大地減輕駕駛員操縱方向盤的力矩。

助力電機(jī)屬于直流電機(jī)，該助力電機(jī)的型號為BYDF3DM-3418100A-C1，額定電壓為20V，額定工作電流正常狀況為60A，當(dāng)在極端轉(zhuǎn)向狀況下的最大負(fù)載電流可達(dá)80A，輸出的額定扭矩為3Nm，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 500r/min。轉(zhuǎn)子上有換向器及碳刷，電機(jī)定子有紅黑兩根粗線，與轉(zhuǎn)向模塊ECU相連來供電。

圖1 轉(zhuǎn)向柱式電動助力系統(tǒng)

注意在貼近蝸輪處安裝有灰色的方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器，如圖2所示，其上有4條細(xì)線，它們與轉(zhuǎn)向EPS模塊ECU相連，反映了駕駛員操縱方向盤的力矩大小和方向。

圖2 轉(zhuǎn)向柱電動助力裝置的解剖圖

2.電動助力轉(zhuǎn)向EPS助力驅(qū)動電機(jī)的檢修

該助力電機(jī)是采用永磁式有碳刷的直流電機(jī)，需要正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩，支持車輪左右轉(zhuǎn)向的助力。定子采取稀士強(qiáng)永磁材料。為提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和減少體積，驅(qū)動電機(jī)的工作電壓比蓄電池的電壓高，多為20～36V左右。本電機(jī)是采用20V電壓來驅(qū)動，為此必須裝有專用的DC/DC轉(zhuǎn)換器，先將蓄電池的12V直流電壓逆變?yōu)榻涣麟姡?jīng)變壓器升壓后，再轉(zhuǎn)換成20V直流電壓供給本電機(jī)使用。DC/DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路較復(fù)雜，此電路較成熟，封裝在一個整體電路塊中，安裝在駕駛員的左前側(cè)，稱為“EPS升壓控制DC模塊”，但故障率極低。如圖3所示，圖中的“升壓變換器”就是“EPS升壓控制DC模塊”。

圖3 助力電機(jī)的電源系統(tǒng)圖

在檢修電機(jī)時發(fā)現(xiàn)換向器有燒蝕痕跡，曾出現(xiàn)過環(huán)火花現(xiàn)象。拆解助力電機(jī)裝置，發(fā)現(xiàn)蝸輪與蝸桿的配合均是正常的，沒有明顯發(fā)卡和磨損，電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸承良好，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)自如與定子無刮擦現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子線圈的漆包線顏色正常絕緣也良好，電刷架也屬正常。但發(fā)現(xiàn)4塊碳刷已經(jīng)磨得極短了（如圖4），而且碳刷極易磨損，碳刷中間甚至還出現(xiàn)有空洞現(xiàn)象，由此說明采用的碳刷品質(zhì)很差，助力電機(jī)換向器上炭粉極多，換向器有被燒蝕的現(xiàn)象，可判斷換向器上曾明顯出現(xiàn)過環(huán)火花。在此換向器環(huán)火狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子線圈無法正常工作，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變小，當(dāng)然會感覺到無力，如果繼續(xù)強(qiáng)制運(yùn)轉(zhuǎn)下去，助力電機(jī)會出現(xiàn)燒毀的可能！故這時打方向盤會感到特別沉重，并出現(xiàn)發(fā)卡的現(xiàn)象。

該車已使用6年，按汽車產(chǎn)品的可靠性和安全性來考慮，該電機(jī)不應(yīng)出現(xiàn)上述換向器的環(huán)火、炭粉多和碳刷磨損大等問題。我們從電流密度上和耐磨程度上考慮，碳刷材料的選擇上是值得研究的，應(yīng)選用耐磨且導(dǎo)電良好的碳刷，含銅粉較多不易被磨損，而且碳刷彈簧的彈性也稍感不足，這顯然是電機(jī)制造和設(shè)計方面均應(yīng)改進(jìn)之處。為此我們在修復(fù)時，選用了更耐磨、電流密度更大的銅質(zhì)碳刷，改進(jìn)了碳刷彈簧的彈性，使此助力電機(jī)的性能得以恢復(fù)和提高。

二、轉(zhuǎn)矩傳感器的原理與檢修

在實際檢修此類電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)時，我們還發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳感器是故障率較多的另一器件。轉(zhuǎn)矩傳感器是用來測量駕駛員操縱方向盤力矩大小和方向的，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，輸送給電動轉(zhuǎn)向模塊的ECU，模塊接收此信號及車速信號后，經(jīng)分析和計算比較，輸出信號給助力電機(jī)，調(diào)節(jié)電機(jī)的工作電流以控制助力的方向和大小。顯然轉(zhuǎn)矩傳感器的正常運(yùn)行與否,將會影響助力電機(jī)的工作，直接導(dǎo)致汽車在行駛過程中失去轉(zhuǎn)向助力功能，對安全行車是極重要的，直接影響駕車的安全系數(shù)，因此轉(zhuǎn)矩傳感器是EPS系統(tǒng)中的一個重要的器件。

圖4 電機(jī)換向器的碳刷磨損極大，有環(huán)火痕跡

1.利用扭桿來檢測轉(zhuǎn)矩的大小

在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上裝用的轉(zhuǎn)矩傳感器，分為接觸式和非接觸式兩種，電位計式轉(zhuǎn)矩傳感器和金屬電阻應(yīng)變片的均屬接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器。接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器是用扭桿來檢測轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向小齒輪間安裝了一個細(xì)小扭桿，由小齒輪驅(qū)動齒條帶動車輪轉(zhuǎn)向，由于受到輪胎與地面間的摩擦作用，而形成一定的摩擦阻力，將會造成這根細(xì)扭桿產(chǎn)生一定的變形，測量扭桿的變形量并轉(zhuǎn)化為電壓信號，能精準(zhǔn)的反映駕駛員操縱方向盤的力矩和方向。比亞迪電動汽車的電機(jī)助力裝置中，以及很多經(jīng)濟(jì)型轎車的電動助力系統(tǒng)中，就是使用了電位計式轉(zhuǎn)矩傳感器，結(jié)構(gòu)簡單成本較低，其構(gòu)造如圖5所示。

圖5 比亞迪使用的電位計式轉(zhuǎn)矩傳感器

在圖5中長軸的左端，通過長花鍵連接方向盤的中心軸，長軸的偏下部有一特細(xì)的扭桿，它在轉(zhuǎn)向時會產(chǎn)生變形，可檢測出駕駛員操縱方向的轉(zhuǎn)矩。長軸下端有一個橫銷與蝸輪短軸相連，蝸輪短軸是接轉(zhuǎn)向器的驅(qū)動小齒輪的，小齒輪再與轉(zhuǎn)向齒條嚙合以驅(qū)動車輛的轉(zhuǎn)向輪。從圖5可見，與蝸輪前部貼裝的是一個轉(zhuǎn)矩傳感器，蝸輪與傳感器都裝在短軸上。圖6是電動轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)矩傳感器解剖圖，電位計式轉(zhuǎn)矩傳感器由圓環(huán)電阻本體片和上下兩塊。

圖6 解剖電位計式轉(zhuǎn)矩傳感器

2.帶電刷的塑料片組成圓環(huán)電阻本體片上帶有四條連線，它是固定在轉(zhuǎn)向柱外殼上不隨轉(zhuǎn)向柱旋轉(zhuǎn)的，圓環(huán)電阻上有四環(huán)，電阻值有840Ω。而帶有電刷的上塑料圓片裝于轉(zhuǎn)向長軸上，帶電刷的下塑料圓片則安裝在蝸輪的短軸上。在車輛轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向長軸與蝸輪短軸會有一定的相對位移。通過帶電刷的上、下塑料圓片，會在固定不動的圓環(huán)電阻本體上產(chǎn)生相對位移，位移量的大小直接反映了駕駛員操縱方向盤的力矩，而位移量的方向反映了左右轉(zhuǎn)向。這種位移電阻變化量由其上的紅、黑、綠、白等四條細(xì)線與轉(zhuǎn)向EPS的ECU進(jìn)行連接，其中紅、綠兩線是5V穩(wěn)壓電源線，黑、白是轉(zhuǎn)矩信號線。轉(zhuǎn)矩信號經(jīng)ECU處理后，輸出命令到助力電機(jī)幫助轉(zhuǎn)向，以減輕駕駛員操縱方向盤的力矩。圖七是本車轉(zhuǎn)向柱式電動轉(zhuǎn)向裝置的系統(tǒng)圖。

3.非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器

非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器內(nèi)裝有兩組環(huán)形磁極，當(dāng)輸入軸和輸出軸之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時，輸入軸相對于輸出軸的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，出現(xiàn)“相位差”。環(huán)形磁極間則會發(fā)生相對變化，從而引起電磁感應(yīng)的變化，則在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩信號。非接觸式扭矩傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是體積小精度高，如豐田卡羅拉轎車就采用了這種非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器。

圖7 轉(zhuǎn)向柱式電動轉(zhuǎn)裝置系統(tǒng)圖

4.轉(zhuǎn)矩傳感器的檢修與故障分析

電位計式轉(zhuǎn)矩傳感器工作時，在塑料片內(nèi)有細(xì)金屬做的移動刷臂，輸出的是可變電阻的精密信號。由于行駛中的劇烈震動，或是細(xì)金屬刷臂的疲勞老化，輸出的可變電阻信號若不穩(wěn)定，常會造成轉(zhuǎn)矩傳感器損壞或性能不佳。這會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)如左右操縱方向盤的轉(zhuǎn)向力矩不均、轉(zhuǎn)向沉重、轉(zhuǎn)向后方向盤不能自動正確回正等故障，這時儀表板上P/S警告燈也會亮起紅燈。

值得注意的是，由于轉(zhuǎn)矩傳感器裝于轉(zhuǎn)向柱的總成內(nèi)，兩者已經(jīng)成為一個整體了，又是一個十分精密的器件，要求能夠快速精準(zhǔn)地測量方向盤轉(zhuǎn)角的大小和方向。一旦轉(zhuǎn)矩傳感器性能不良或損壞，將直接影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，在維修時不可試圖對塑料片上的移動刷臂進(jìn)行矯正，也不可在塑料片上進(jìn)行焊接，或是進(jìn)行其他相關(guān)的修理。

而且修理后還需要通過精密的儀器才可校準(zhǔn)這種轉(zhuǎn)矩傳感器，一般維修單位不具備這此條件。所以在此情況下，只能通過更換轉(zhuǎn)向柱總成來直接修復(fù)電動轉(zhuǎn)向系。

如果維修人員能夠找到這種完全相同的轉(zhuǎn)矩傳感器，嘗試局部更換修復(fù)此電位計式轉(zhuǎn)矩傳感器時，在修復(fù)后還需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向的“零點(diǎn)校正”，可參考維修手冊進(jìn)行校正，此處不建議維修人員維修或單獨(dú)更換轉(zhuǎn)矩傳感器，而應(yīng)采取更換轉(zhuǎn)向柱總成的辦法。

(作者汪貴行工作單位：深圳市通達(dá)汽車維修培訓(xùn)學(xué)校；作者汪學(xué)慧工作單位：深圳市華日汽車培訓(xùn)中心)