奧迪A6L電動轉(zhuǎn)向機異常

◆文/山東 杜慶友

故障現(xiàn)象

一款奧迪A6L轎車，配備C7電動轉(zhuǎn)向機，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，同時儀表上紅色方向盤指示燈報警并有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障，提示請勿繼續(xù)行駛的信息。

故障診斷與分析

新奧迪A6L配備的C7與C6液壓機械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完全不同，它采用了電控機械助力轉(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，功能是通過一個與齒條同心的電機來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。齒條、電機和傳動機構(gòu)是通過滾珠、絲杠來驅(qū)動的。電子控制單元和相關(guān)傳感器都集成在轉(zhuǎn)向機上，具體結(jié)構(gòu)如圖1。

轉(zhuǎn)向機主要功能部件由轉(zhuǎn)向力矩傳感器G269、電動機械式助力轉(zhuǎn)向電機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)是八對極偶的環(huán)形磁鐵與轉(zhuǎn)向軸剛性連接，兩個傳感器靶輪各有八個齒，這兩個傳感器的靶輪齒是錯開布置的。兩個傳感器靶輪的中間有兩個霍爾傳感器，兩個傳感器與殼體是剛性連接的。

轉(zhuǎn)向機工作原理是如果沒有轉(zhuǎn)動方向盤，每個傳感器靶輪上的齒都在N極與S極的正中位置。因此這兩個傳感器靶輪被磁力線所穿過的方式是一樣的，兩個靶輪之間沒有磁場，兩個傳感器輸出信號也相同。如果發(fā)生轉(zhuǎn)向運動會導致環(huán)形磁鐵與傳感器靶輪之間產(chǎn)生相對運動。環(huán)形磁鐵的扭轉(zhuǎn)使磁極位置相對于傳感器靶輪發(fā)生了變化。傳感器靶輪上的齒就會離開N極與S極的正中位置。根據(jù)方向盤的轉(zhuǎn)向運動，一個傳感器靶輪上的齒按比例會靠近N極一些，而另一個齒會靠近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量到。轉(zhuǎn)向機作用是駕駛員在任何時刻都可以獲得轉(zhuǎn)向助力，依據(jù)駕駛員所施加的轉(zhuǎn)向力矩的大小。G269就是用來確定這個轉(zhuǎn)向力矩大小的。

2.電動機械式助力轉(zhuǎn)向電機V187

電動機械式助力轉(zhuǎn)向電機V187(圖3)是用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力所需力矩，使用的是一個永久勵磁式三項交流同步電機，其優(yōu)勢是體積小、功率大。由于采用永久勵磁式電機省去了用于將勵磁電流送往轉(zhuǎn)子的滑環(huán)，控制單元會計算出所需的相電壓，并通過末級功放接通定子線圈。定子有12個勵磁線圈組成，每4個線圈串聯(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開形成三個磁場，三個磁場合在一起又形成了一個旋轉(zhuǎn)磁場，于是轉(zhuǎn)子就會產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子帶有10個永久磁鐵，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轉(zhuǎn)子的位置?？刂茊卧仨氈擂D(zhuǎn)子的位置，以便計算出環(huán)繞定子磁場所需的相電壓，轉(zhuǎn)子位置傳感器的測量值也可以用于確定轉(zhuǎn)向止點。為了避免硬的機械式轉(zhuǎn)向止點，通過電動式機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)可以實現(xiàn)軟的止點。

轉(zhuǎn)子位置傳感器結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)子上有一個盤，使用透磁通的金屬制成的。轉(zhuǎn)子盤的形狀像一個凸輪盤(圖4)，該盤被一個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。線圈有三個單線圈構(gòu)成，其中一個線圈起著勵磁作用，另兩個作為接收線圈使用。

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

4.滾珠絲杠

滾珠絲杠是將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為齒條的直線運動，整個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現(xiàn)的。這些球的滾動(通過電機轉(zhuǎn)子)就像軸承內(nèi)的滾子元件那樣在一個封閉的循環(huán)回路里運動，想讓循環(huán)螺母內(nèi)有一個循環(huán)通道，必須要將循環(huán)螺母的起始點和終點連接在一塊。隨著球循環(huán)螺母的反向轉(zhuǎn)動以及球滾動方向的逆轉(zhuǎn)，螺桿(齒條)的運動方向也發(fā)生改變(圖6)。球循環(huán)螺母固定在縱向，它如果轉(zhuǎn)動螺桿就會按箭頭方向做直線運動，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)定的相電流就會讓電機產(chǎn)生出不同的扭矩，而扭矩大小取決于電流強度。這些匹配關(guān)系是儲存在控制單元內(nèi)的，該控制單元通過FlexRay數(shù)據(jù)總線來進行通訊的，控制單元內(nèi)還集成有用于激活電機的末級功放。J500外部有3個插接頭(圖7)分別用于轉(zhuǎn)向力矩傳感器G269信號接口、15號線和FlexRay總線接口、30號線和31號線接口，內(nèi)部分別接電機和電機位置傳感器接口。

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。接通點火開關(guān)組合儀表控制單元J285短暫激活指示燈進行檢查，如果系統(tǒng)無故障，指示燈在幾秒后熄滅。啟動發(fā)動機如果發(fā)動機轉(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，那么轉(zhuǎn)向角傳感器(G85)的信號就會與轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號同步。在車輛行駛中轉(zhuǎn)向助力的強度主要是根據(jù)轉(zhuǎn)向力矩、轉(zhuǎn)向角和車速來確定的。電機通過滾珠絲杠上的力作用到齒條上會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)動機，那么當車速低于7km/h時轉(zhuǎn)向助力就會自動關(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，同時馬達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更換，如果系統(tǒng)有故障則必須更換方向機。為了進一步確定問題，維修人員對控制單元線路做了檢查。在J500上共有3個插頭(圖9)，1為J500上的G269的插頭，2為J500上的車輛信號(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)向機總成，更換后故障排除。

維修人員更換轉(zhuǎn)向機總成的步驟如下：

(1)當新的轉(zhuǎn)向機安裝在車上以后必須對新的控制單元進行在線編碼，編碼時必須運行程序，將規(guī)定值與實際值比較(編碼程序后臺運行)。

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

(3)進行端位匹配。啟動發(fā)動機如果轉(zhuǎn)向角還沒有在±360°的范圍內(nèi)，必須將方向盤移動至該范圍，將方向盤移動至第一個機械止動位，用大于8Nm的手動扭矩將方向盤保持在全鎖止位置至少1～2s，聲音信號作為該端位正確匹配的標記。然后將方向盤轉(zhuǎn)至另一個機械止動位同樣以大于8Nm的扭矩將方向盤保持在全鎖止位置至少1～2s，聲音信號作為該端位的正確匹配標記。朝中間位置移動方向盤，同時故障指示燈熄滅，故障碼被清除。