奧迪A7電動(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剖析

◆文/廣東 黃關(guān)山

(作者黃關(guān)山單位：珠海理工職業(yè)技術(shù)學(xué)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(dòng)力系統(tǒng)，分別是V6 3.0L TFSI機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和2.8L自然進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

奧迪A7 Sportback轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的創(chuàng)新主要在于其采用了電動(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向柱在基本裝備工況下是機(jī)械可調(diào)的，電動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向柱屬于選裝裝備。在標(biāo)準(zhǔn)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(hào)的三輻式多功能運(yùn)動(dòng)方向盤。

奧迪A7 Sportback使用的是新一代電動(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)如圖1所示，部件位置如圖2所示。該電動(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向助力是通過一個(gè)與齒條同心的電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。之所以選用這種結(jié)構(gòu)是因?yàn)樗加每臻g小、效率高，齒條、電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間是通過滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的。電子控制單元和相關(guān)傳感器集成在一個(gè)小巧的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，因此，這套系統(tǒng)的質(zhì)量只有大約16kg。因?yàn)椴捎秒妱?dòng)機(jī)械的方式來產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(shí)際需要改變助力的大小。

一、系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)及功能

1.轉(zhuǎn)向助力控制單元J500

轉(zhuǎn)向助力控制單元J500(見圖3)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)向力矩確定出相電壓的狀態(tài)模型，根據(jù)該模型設(shè)定相電流，讓電機(jī)產(chǎn)生扭矩，扭矩的大小取決于電流強(qiáng)度的大小。這些匹配關(guān)系存儲(chǔ)在控制單元內(nèi)的，該控制單元內(nèi)還集成有用于激活電機(jī)的末級(jí)功放，并通過FlexRay數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通訊。轉(zhuǎn)向助力控制單元J500外部有三個(gè)插頭，用于連接各個(gè)觸點(diǎn)，內(nèi)部接口是電機(jī)和電機(jī)位置傳感器。

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(見圖4)用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力所需要的力矩，其電機(jī)是永久勵(lì)磁式三相交流同步電機(jī)，該結(jié)構(gòu)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于體積小、功率大。

(1)轉(zhuǎn)向電機(jī)V187的結(jié)構(gòu)

由于采用永久勵(lì)磁式三相交流同步電機(jī)，所以省去了用于將勵(lì)磁電流送往轉(zhuǎn)子的滑環(huán)。控制單元會(huì)計(jì)算出所需要的相電壓，并通過末級(jí)功放接通定子線圈，定子由12個(gè)勵(lì)磁線圈構(gòu)成，每4個(gè)勵(lì)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(cuò)開的，并產(chǎn)生三個(gè)磁場，這三個(gè)磁場合在一起又產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，因此轉(zhuǎn)子才會(huì)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子帶有10個(gè)永久磁鐵，這些磁鐵的南、北極是交互布置的，轉(zhuǎn)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?qū)㈦姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成齒條的直線運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠的工作原理類似于螺栓螺母系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)的。這些球的滾動(dòng)就像軸承內(nèi)的滾子元件一樣，在一個(gè)封閉的循環(huán)回路中運(yùn)動(dòng)。要想實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)，球循環(huán)螺母內(nèi)要有一個(gè)循環(huán)通道，將球循環(huán)螺母的溝道“起點(diǎn)”和“終點(diǎn)”連接在一起。

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)，螺桿的運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)跟著改變。滾珠絲杠在將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槟Σ翜p小了(球與溝道是點(diǎn)接觸的)，所以，功率的消耗只有普通螺桿傳動(dòng)功率的三分之一。整個(gè)結(jié)構(gòu)具有磨損小、定位精度高(安裝間隙很小)的特點(diǎn)。

球循環(huán)螺母被縱向固定，如果轉(zhuǎn)動(dòng)，那么螺桿就會(huì)按箭頭指示的方向做直線運(yùn)動(dòng)。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(nèi)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(yīng)用

在奧迪A7 Sportback上，球循環(huán)螺母與轉(zhuǎn)子空心軸是連在一起的，齒條的一端被設(shè)計(jì)成螺桿形。電機(jī)被啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子空心軸連同球循環(huán)螺母開始轉(zhuǎn)動(dòng)，齒條也就開始直線運(yùn)動(dòng)了，其過程如圖5所示。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的力可為方向盤左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)提供助力。電機(jī)電流的大小決定轉(zhuǎn)向助力力矩的大小。

3.轉(zhuǎn)向力矩傳感器 G269

(1)轉(zhuǎn)向力矩傳感器G269的作用

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

(2)轉(zhuǎn)向力矩傳感器G269的信號(hào)產(chǎn)生原理

轉(zhuǎn)向軸與帶有8對(duì)極偶的環(huán)形磁鐵、兩個(gè)傳感器靶輪(各有8個(gè)齒)與轉(zhuǎn)向主動(dòng)齒輪都是剛性連接的。兩個(gè)傳感器靶輪的齒是錯(cuò)開分布的，從上面沿著旋轉(zhuǎn)軸方向看，一個(gè)傳感器靶輪的齒處在另一個(gè)傳感器靶輪的齒隙中。在兩個(gè)傳感器靶輪中間是兩個(gè)霍爾傳感器，傳感器與殼體是剛性連接的，傳感器信號(hào)產(chǎn)生的原理如圖7所示。

(3)轉(zhuǎn)向力矩傳感器G269的轉(zhuǎn)向判斷

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

轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)使扭力桿發(fā)生扭動(dòng)，因此也導(dǎo)致環(huán)形磁鐵與傳感器靶輪之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。環(huán)形磁鐵的扭轉(zhuǎn)使與傳感器靶輪相對(duì)應(yīng)的磁極位置也發(fā)生了變化，傳感器靶輪上的齒會(huì)脫離北極和南極間正中的位置。根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，一個(gè)傳感器靶輪的齒更靠近北極一些，另一個(gè)傳感器靶輪的齒更靠近南極一些，這就導(dǎo)致了磁路失調(diào)，相應(yīng)的磁通量會(huì)被霍爾傳感器檢測到。圖9為轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)轉(zhuǎn)向力矩傳感器G269的轉(zhuǎn)向判斷示意圖。

4.轉(zhuǎn)子位置傳感器

轉(zhuǎn)子位置傳感器用于探知轉(zhuǎn)子的位置。傳感器的控制單元必須知道轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，以便計(jì)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(zhuǎn)子位置傳感器測得的相電壓值也可以用于確定轉(zhuǎn)向止點(diǎn)。為了出現(xiàn)避免硬的機(jī)械式止點(diǎn)，通過電動(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)軟的止點(diǎn)。

(1)轉(zhuǎn)子位置傳感器的結(jié)構(gòu)

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

(2)轉(zhuǎn)子位置傳感器的工作原理

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

二、電動(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)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?？刂茊卧狫500開始初始化，系統(tǒng)開始自檢。

(2)接通點(diǎn)火開關(guān)(15號(hào)線接通)，組合儀表控制單元J285短時(shí)激活指示燈進(jìn)行檢查。如果確認(rèn)系統(tǒng)無故障，指示燈會(huì)在幾秒鐘后又熄滅。

(3)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(15號(hào)線接通)，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)處于激活狀態(tài)。如果扭桿未被方向盤上的作用力扭動(dòng)(由轉(zhuǎn)向力矩傳感器G269來感知)，那么轉(zhuǎn)向角傳感器G85的信號(hào)就會(huì)自動(dòng)與轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)進(jìn)行同步，這兩個(gè)測量值之間相互依賴的關(guān)系將作為特性曲線存儲(chǔ)在控制單元J500中。隨后，在車輛行駛中，轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)通過分析轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)來感知轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。該控制單元會(huì)考慮奧迪駕駛模式選擇系統(tǒng)中相應(yīng)的設(shè)置選擇，以便確定使用哪條助力轉(zhuǎn)向特性曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(4)在車輛行駛過程中，轉(zhuǎn)向助力的強(qiáng)度主要由轉(zhuǎn)向力矩、轉(zhuǎn)向角和車速來決定。電機(jī)的激活電流由控制單元計(jì)算，定子繞組由末級(jí)功放通入相應(yīng)的電流。電機(jī)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(zhuǎn)向力。

(5)如果在車輛行駛的過程中關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

2.數(shù)據(jù)交換

圖11是與電動(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)的信息，這些信息由控制單元J500接收和發(fā)送，每個(gè)信息后面的數(shù)字表示哪個(gè)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(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種附加功能。在奧迪A7 Sportback上，這些附加功能有標(biāo)配的隨速助力轉(zhuǎn)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(duì)性地對(duì)方向盤施加轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)模式的某種轉(zhuǎn)向特性。狀態(tài)信息由一個(gè)雙色亮起的指示燈指示給駕駛員，同時(shí)，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(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)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(huì)亮起：①電動(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有進(jìn)行止點(diǎn)位置的自適應(yīng)，在這種情況下，故障存儲(chǔ)器會(huì)記錄下這個(gè)故障，且助力轉(zhuǎn)向功能會(huì)降至60%的水平，中央顯示屏上還會(huì)出現(xiàn)文字信息提醒駕駛員。在進(jìn)行完止點(diǎn)位置的自適應(yīng)后，黃色指示燈會(huì)自動(dòng)熄滅，故障存儲(chǔ)器內(nèi)的記錄也會(huì)自動(dòng)清除；②在系統(tǒng)故障的情況下，中央顯示屏上會(huì)顯示文字信息且故障存儲(chǔ)器內(nèi)會(huì)記錄下這個(gè)故障。這時(shí)可以把車開到附近的服務(wù)站進(jìn)行維修，只是助力轉(zhuǎn)向功能變?nèi)趿恕?/p>

(2)紅色指示燈亮起

紅色指示燈(見圖15)在下述情況下會(huì)亮起：①15號(hào)線接通后，會(huì)有一個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)檢測過程。組合儀表內(nèi)的控制單元J285會(huì)使該指示燈暫時(shí)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(huì)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(huì)顯示文字信息且故障存儲(chǔ)器會(huì)記下這個(gè)故障。這時(shí)車輛就不能繼續(xù)行駛了，因?yàn)?，助力轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的部件是不能單獨(dú)更換的(除了防塵套和轉(zhuǎn)向橫拉桿)。如果系統(tǒng)有故障，則必須更換整個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總成，新控制單元在安裝后要進(jìn)行編碼，這個(gè)編碼要在線進(jìn)行。在車輛診斷儀上啟動(dòng)“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(guān)車輛裝備的信息。因?yàn)檫@個(gè)新控制單元尚未存儲(chǔ)轉(zhuǎn)向止點(diǎn)位置信息，所以，在編碼結(jié)束后還要執(zhí)行“轉(zhuǎn)向止點(diǎn)自適應(yīng)”這個(gè)功能。