1、丰田卡罗拉电动助力转向系统（ EPS）一、功能电 动 助 力 转 向 系 统 ( EPS) 将 最 新 的 电 力 电 子 技 术 和 高 性能 的 电 机 控 制 技 术 应 用 于 汽 车 转 向 系 统 ,能 显 著 改 善 汽 车 动 态性 能 和 静 态 性 能 、 提 高 行 驶 中 驾 驶 员 的 舒 适 性 和 安 全 性 、 减少 环 境 污 染 等 。 因 此 ,该 系 统 一 经 提 出 ,就 受 到 许 多 大 汽 车 公司 的 重 视 ,并 进 行 开 发 和 研 究 。 未 来 的 转 向 系 统 中 , EPS 将成 为 主 流 。 与 其 他 转 向 系 统 相
2、 比 ,该 系 统 的 突 出 优 势 体 现 在 : 不 转 向 时 不 消 耗 功 率 ,与 液 压 转 向 系 统 相 比 ,可 降 低 燃 油 消耗 3 % 5 %; 改 善 车 辆 操 纵 性 能 ,助 力 大 小 可 通 过 控 制 单元 中 的 软 件 来 控 制 ,容 易 实 现 随 车 速 等 的 变 化 而 变 化 ; 结构 紧 凑 、 重 量 轻 ; 工 作 噪 音 小 ; 结 构 比 液 压 转 向 系 统 简 洁 ,无油 泵 、 液 压 油 、 橡 胶 软 管 、 油 罐 等 ; 符 合 环 保 要 求 ,车 辆报 废 时 ,不 需 处 理 液 压 油 、 橡 胶 软
3、 管 等 ,也 无 液 压 油 的 泄 漏 问题 ; 安 装 简 化 (特 别 对 于 发 动 机 后 置 和 中 置 的 车 辆 ,可 节 省装 配 时 间 ) 。二 、 组 成1、卡罗拉 EPS 由以下部件构成 (见下图) :1) 转向扭矩传感器。它通过检测弹性扭转杆因方向盘的扭矩所产生的变形角度来测量方向盘操纵力矩,并将其转变为电子信号并输出至 EPS ECU , ECU 据此决定对 EPS 马达提供多大的电压。这是转向控制的重要信号。2) 转向电机。装于转向管柱的中部,是助力转向的动力来源。3) 减速装置。采取与电机转子内壳配套的循环滚珠式减速机构,将电动机传来的转速降低,获得更大的转
4、动扭矩,以便足以驱动车轮转向。4) 转角传感器。向 EPS ECU 反馈转向助力电机的转角大小和转向,便于 EPS ECU 对整个转向过程进行准确控制。5) 齿条轴的外壳。6) 左右横拉杆。7) EPS ECU 。2.转向扭矩传感器的结构与工作原理转向扭矩传感器包括分相器单元 1 与分相器单元 2 两部分,分别安装在方向盘的输入轴和转向小齿轮的输出轴上(见图 2 、3) 。图 2 卡罗拉转向扭矩传感器装配图图 3 卡罗拉转向扭矩传感器的分解图1)转子部分由上下两层构成,均装有转矩传感器线圈。输入轴和输出轴由一根细金属销刚性连接成一体,转子轴上方有连接用的销孔(如图 3 所示) 。输入轴由汽车方
5、向盘直接驱动,再通过金属销、弹性扭转杆的传递来驱动输出轴; 输出轴小齿轮推动齿条平移,驱动转向轮向左或向右转向。2) 定子部分也有上下两层线圈,分别对应转子的上下部分。定子线圈有 2 种,分别是励磁线圈和检测线圈。励磁线圈对转子部分的线圈通过电磁感应起励磁作用; 检测线圈用于检测输入、输出轴的上下转角差(转向转矩) ,向 EPS ECU 输送电信号,这个电信号是定子线圈上两列正弦波的相位差(如图 4 所示) ,反映此时转矩传感器检测到的转矩大小。相位差越大,转矩越大。图 4 检测线圈的相位差3.转角传感器的结构与工作原理丰田卡罗拉转角传感器属于电磁感应式传感器,它及时将转向电机的转向及转向角度
6、信号反馈给 EPS ECU ,形成一个闭环控制。这个传感器转子为凸台式,转子与助力电动机转子连成一体,由图5 可见转角传感器的结构与感应凸台。转向传感器的定子线圈呈圆环状(图 5 中的转角传感器) ,装在助力电动机定子线圈端面,感应凸台随助力电动机转子的转动,通过电磁感应原理,检测出助力电动机转子的转角。4.助力电动机的电源由于目前汽车蓄电池的电压只有 12 V ,助力电动机的功率非常有限。为了提高转向助力的力矩,丰田卡罗拉助力电机的电源为2734 V 的三相交流电压。其 EPS EUC 中还专门设置有提升电压的逆变器和电感储能线圈,由类似三相桥式、能将蓄电池的电压转为 2734 V 的电路完
7、成。驾驶员操纵方向盘时,助力电动机会根据转向阻力大小自动输出 2734 V 的可变电压。三、工作原理EPS 是由 EPS ECU 控制转向电机工作来实现助力的转向系统。驾驶员打方向时,方向盘通过传动轴的花键毂带动转向主轴( 输入轴 ) ,转向主轴再通过金属销带动弹性扭转杆; 弹性扭转杆下端是小齿轮( 输出轴 ) ,小齿轮与转向齿条啮合产生动力输出,驱动车轮向左或向右偏摆而实现转向。与此同时,助力的过程也在进行,由于弹性扭转杆比较细长,受到来自转向主轴的扭矩时,很容易产生扭转变形,因此,输入轴与输出轴之间产生上下转角差,扭矩越大转角差越大; 转矩传感器检测转角差大小并转化为电信号输给 EPS E
8、CU ; EPS ECU 根据转矩大小输出不同驱动电压 ,以驱动转向助力电动机产生助力,转矩越大输出的驱动电压越高,驱动电压在 2734 V 变化。但当驾驶员未打方向或车辆直线行驶时,助力电动机不运转,此时助力电动机的电压为零。转向助力电动机的电流由 EPS ECU 控制,随车速变化而变化, E PS ECU 根据转向力矩值及车速大小计算所需输出电流并控制马达运转。由图 6 可见,车速越高,转向助力电机的电流越小;车速越低,转向助力电机的电流越大。因此,转向助力的大小由两个因素决定,即方向盘输入扭矩与车辆的行驶速度。电动助力系统的控制: 当车辆速度低时,转向沉重,这时需要大的助力。由于车速低,
9、 E PS ECU 供给助力电动机大的电流;另一方面方向盘沉重,弹性扭转杆变形大,转角差大, E PS ECU 供给助力电动机高的电压,因此,助力电动机提供大的助力。车速高时,转向轻便,这时需要小的助力,增加驾驶员转向的路感。由于车速高, EPS ECU 供给助力电动机小的电流;另一方面方向盘轻便,弹性扭转杆变形小,转角差小, E PS ECU 供给助力电动机低的电压,因此,助力电动机提供小的助力。通过电动助力,达到理想的转向控制。从图 6 虚线部分可以看出, 转向力矩曲线不是单一的。转向助力输出电流一定时,对应不同曲线得到不同的转向力矩,这因为驱动电压不是固定的,它随方向盘转向力矩变化而变化
10、;同样,转向力矩一定时,对应不同曲线得到不同的转向助力输出电流,原因是驱动电压因素在起作用。转向助力电动机动力传给转向齿条的原理:由图 7 可见 ,转向助力电动机的转子是空心的,它通过滚珠与齿条轴相啮合。当转向助力电动机转动时,它的转子只能左右转动,而不能轴向移动,因此,转向助力电动机转动时驱动滚珠迫使齿条轴向左或向右移动。在这个过程中,循环滚珠式减速机构起到减速增扭的作用,将转向助力电动机传来的速度减慢、转动扭矩放大。所以转向轮上最终得到的转向力矩是驾驶员转向力矩和转向电动助力之和(车辆低速时,后者远大于前者) ,转角传感器反馈转向助力电动机转子转角的大小与转向方向,以便EPS ECU 对转向控制作及时修正。当方向盘保持在某一转向位置时,由于不再打方向,车轮要克服的路面转向阻力消失,弹性扭转杆被释放,在弹力作用下慢慢恢复,弹性扭转杆上下不再存在转角差,ECU 不再提供转向助力。车辆保持在转向位置是靠驾驶员把住方向盘来维持的。图 7 卡罗拉 EPS 转向齿轮单元的结构四、检测与维修方法1扭矩传感器电路检测（a）电路图如图所示。（b）将点火开关置于 ON（IG）位置。（c）根据表 1 的值测量电压。2三相无刷电动机电路检测（a）电路图如图所示。
