比亞迪轎車電動轉向裝置的檢修

◆文/福建 汪貴行 汪學慧

比亞迪轎車電動轉向裝置的檢修

◆文/福建 汪貴行 汪學慧

汪貴行

(本刊編委會委員)

長期在汽車運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，負責機務技術并兼高級電氣工程師。1995年起在深圳市特發華日豐田汽車公司從事技術工作，2009年退休后到深圳市通達汽車培訓學校工作。2014年3月，在“香港之聲”宣傳電動汽車的應用，得到廣大車友的積極關注與好評。2013年，由深圳市科技部門推薦，主要工作業績被選編在“特區人物志”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，近期發現轉動方向盤時，操縱轉向越來越沉重，而且轉向時有越來越明顯的“咔、咔”聲異響。后來車輛就再也不能轉向并發生停駛的故障,同時在儀表盤上出現P/S報警燈亮。由于此車有明顯轉向故障的預兆，所以引導我們檢修轉向系統。

一、電動轉向助力電機的檢修

比亞迪F3DM汽車的電動助力轉向屬于方向柱式助力方式。現電動轉向裝置通常有兩種助力方式：一是在轉向器前方安裝電機助力，二是在轉向器后方裝置電機來助力。前者為方向柱式助力方式，后者為齒條助力或循環球轉向助力方式。比亞迪F3DM電動汽車的電動助力轉向屬于方向柱助力式，直接在方向盤轉向管柱的下方，安裝助力電機和減速裝置，產生較大的轉矩以減輕駕駛員的轉向操作力，這就是轉向柱電動助力系統，如圖1所示。這種系統結構簡單成本較低，可使用直流電機，只在車輛轉向時電機才提供助力，比起液壓助力式轉向系統，具有良好的燃油經濟和成本低的特點，多在經濟型轎車和電動轎車上使用。

1.比亞迪電動汽車電機助力裝置的解剖

圖2為該電機助力結構圖，在轉向柱下方有一套蝸輪蝸桿的減速機構。助力電機的轉子軸上有花鍵套與蝸桿端部的花鍵軸配合，電機轉子直接驅動一個雙頭蝸桿，與37個齒的蝸輪配合形成較大減速的裝置。蝸輪直接安裝在轉向柱上，由于電機幫助驅動蝸桿旋轉，經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。

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

圖1 轉向柱式電動助力系統

注意在貼近蝸輪處安裝有灰色的方向盤轉矩傳感器，如圖2所示，其上有4條細線，它們與轉向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 轉向柱電動助力裝置的解剖圖

2.電動助力轉向EPS助力驅動電機的檢修

該助力電機是采用永磁式有碳刷的直流電機，需要正反轉旋轉輸出轉矩，支持車輪左右轉向的助力。定子采取稀士強永磁材料。為提升電機的轉矩和減少體積，驅動電機的工作電壓比蓄電池的電壓高，多為20～36V左右。本電機是采用20V電壓來驅動，為此必須裝有專用的DC/DC轉換器，先將蓄電池的12V直流電壓逆變為交流電，經變壓器升壓后，再轉換成20V直流電壓供給本電機使用。DC/DC轉換器內部電路較復雜，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，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 助力電機的電源系統圖

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

該車已使用6年，按汽車產品的可靠性和安全性來考慮，該電機不應出現上述換向器的環火、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，應選用耐磨且導電良好的碳刷，含銅粉較多不易被磨損，而且碳刷彈簧的彈性也稍感不足，這顯然是電機制造和設計方面均應改進之處。為此我們在修復時，選用了更耐磨、電流密度更大的銅質碳刷，改進了碳刷彈簧的彈性，使此助力電機的性能得以恢復和提高。

二、轉矩傳感器的原理與檢修

在實際檢修此類電動助力轉向EPS系統時，我們還發現轉矩傳感器是故障率較多的另一器件。轉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，并將其轉換為電信號，輸送給電動轉向模塊的ECU，模塊接收此信號及車速信號后，經分析和計算比較，輸出信號給助力電機，調節電機的工作電流以控制助力的方向和大小。顯然轉矩傳感器的正常運行與否,將會影響助力電機的工作，直接導致汽車在行駛過程中失去轉向助力功能，對安全行車是極重要的，直接影響駕車的安全系數，因此轉矩傳感器是EPS系統中的一個重要的器件。

圖4 電機換向器的碳刷磨損極大，有環火痕跡

1.利用扭桿來檢測轉矩的大小

在電動助力轉向系統上裝用的轉矩傳感器，分為接觸式和非接觸式兩種，電位計式轉矩傳感器和金屬電阻應變片的均屬接觸式轉矩傳感器。接觸式轉矩傳感器是用扭桿來檢測轉矩，在轉向柱與轉向小齒輪間安裝了一個細小扭桿，由小齒輪驅動齒條帶動車輪轉向，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，將會造成這根細扭桿產生一定的變形，測量扭桿的變形量并轉化為電壓信號，能精準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助力裝置中，以及很多經濟型轎車的電動助力系統中，就是使用了電位計式轉矩傳感器，結構簡單成本較低，其構造如圖5所示。

圖5 比亞迪使用的電位計式轉矩傳感器

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的扭桿，它在轉向時會產生變形，可檢測出駕駛員操縱方向的轉矩。長軸下端有一個橫銷與蝸輪短軸相連，蝸輪短軸是接轉向器的驅動小齒輪的，小齒輪再與轉向齒條嚙合以驅動車輛的轉向輪。從圖5可見，與蝸輪前部貼裝的是一個轉矩傳感器，蝸輪與傳感器都裝在短軸上。圖6是電動轉向的轉矩傳感器解剖圖，電位計式轉矩傳感器由圓環電阻本體片和上下兩塊。

圖6 解剖電位計式轉矩傳感器

2.帶電刷的塑料片組成圓環電阻本體片上帶有四條連線，它是固定在轉向柱外殼上不隨轉向柱旋轉的，圓環電阻上有四環，電阻值有840Ω。而帶有電刷的上塑料圓片裝于轉向長軸上，帶電刷的下塑料圓片則安裝在蝸輪的短軸上。在車輛轉向時，轉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電阻本體上產生相對位移，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向。這種位移電阻變化量由其上的紅、黑、綠、白等四條細線與轉向EPS的ECU進行連接，其中紅、綠兩線是5V穩壓電源線，黑、白是轉矩信號線。轉矩信號經ECU處理后，輸出命令到助力電機幫助轉向，以減輕駕駛員操縱方向盤的力矩。圖七是本車轉向柱式電動轉向裝置的系統圖。

3.非接觸式轉矩傳感器

非接觸式轉矩傳感器內裝有兩組環形磁極，當輸入軸和輸出軸之間發生相對轉動時，輸入軸相對于輸出軸的方向發生偏轉，出現“相位差”。環形磁極間則會發生相對變化，從而引起電磁感應的變化，則在線圈中產生感應電壓，并將電壓信號轉化為轉矩信號。非接觸式扭矩傳感器的突出優點是體積小精度高，如豐田卡羅拉轎車就采用了這種非接觸式轉矩傳感器。

圖7 轉向柱式電動轉裝置系統圖

4.轉矩傳感器的檢修與故障分析

電位計式轉矩傳感器工作時，在塑料片內有細金屬做的移動刷臂，輸出的是可變電阻的精密信號。由于行駛中的劇烈震動，或是細金屬刷臂的疲勞老化，輸出的可變電阻信號若不穩定，常會造成轉矩傳感器損壞或性能不佳。這會導致轉向系統出現如左右操縱方向盤的轉向力矩不均、轉向沉重、轉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，由于轉矩傳感器裝于轉向柱的總成內，兩者已經成為一個整體了，又是一個十分精密的器件，要求能夠快速精準地測量方向盤轉角的大小和方向。一旦轉矩傳感器性能不良或損壞，將直接影響轉向系統的性能，在維修時不可試圖對塑料片上的移動刷臂進行矯正，也不可在塑料片上進行焊接，或是進行其他相關的修理。

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

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

(作者汪貴行工作單位：深圳市通達汽車維修培訓學校；作者汪學慧工作單位：深圳市華日汽車培訓中心)