汽车动力转向系统结构与工作原理概述

1.传统的液压动力转向系统

传统的液压动力转向系统主要包括转向控制阀、机械转向器、动力缸、转向助力泵等。多数汽车将转向控制阀、机械转向器、动力缸装配在一起，称之为整体式动力转向器，且转向控制阀一般为转阀式，轿车上一般采用转阀式齿轮齿条整体动力转向器，如图1-6所示。

阀体绕其圆心转动来控制油液流量的转向控制阀称为回转式转向控制阀，主要由控制阀轴（控制阀阀芯）2、转阀（控制阀阀套）15及弹性扭杆1等组成，如图1-7所示。阀套15制成圆筒形，外表面切有3条较宽深的、4条较浅窄的环形槽。宽深的槽是油槽，其底部有与内壁相通的孔。窄浅的槽用于安装特氟隆密封环。阀套15的内表面制有8条不贯通的纵向槽，形成8条槽肩。阀套15下端的一侧有一缺口，此处通过固定销7将阀套15与转向小齿轮10锁止在一起，使其只能与转向小齿轮10同步转动而不能产生相对角位移。

图1-6 转阀式齿轮齿条整体动力转向器

控制阀轴（控制阀阀芯）2呈圆筒形，其上部通过固定销18与弹性扭杆1的上端固定在一起，上部外表面制有细齿花键，与转向盘侧的转向轴连接。控制阀轴下部的外表面与阀套滑动配合，二者可以相对转动。阀芯与阀套配合间隙很小，配合精度很高，组成偶件，不可单独更换。阀芯外表面也切成与阀套相对应的8条不贯通的纵向槽，并形成8条台肩，相间的4条台肩开有径向贯通油孔。阀芯上端通过固定销18与扭杆1相连、通过花键与转向轴相连，因而转向轴可通过扭杆带动转向齿轮转动。控制阀轴（控制阀阀芯）2下端两侧加工出平面扁头结构，如图1-7中E-E所示，转向小齿轮上端也相对地开有类似的槽结构，正常情况下，扁头与槽两者不接触，只有当扭杆扭转变形太大时（通常是液压助力系统失效时）才接触，此时控制阀轴（控制阀阀芯）通过这一结构直接驱动转向小齿轮，以保证汽车转向，并防止扭杆过载。

图1-7 回转式转向控制阀

1—弹性扭杆 2—控制阀轴（控制阀阀芯） 3—油封 4—轴承 5—回油口 6—进油口 7—固定销 8—油封 9—固定销 10—小齿轮 11—环形油道C 12—环形油道A 13—环形油道B 14—特氟隆密封环 15—转阀（控制阀阀套） 16—密封圈 17—控制阀外壳 18—固定销

弹性扭杆安装在控制阀轴（控制阀阀芯）的孔中，转向时由于转向阻力矩可使扭杆产生弹性变形。扭杆产生弹性变形即使得控制阀轴与转向小齿轮及转阀阀套产生一个很小的角位移。

该转阀具有四个互相连通的进油孔A，环形通道B、C分别与动力缸的左、右腔连通。

回转阀式动力转向器工作原理具体分析如下：

（1）汽车直线行驶时 阀体与转阀阀杆之间在圆周方向的位置不发生相互错动，转阀处于图1-8的中间位置。由转向助力液压泵输向控制阀的油液经控制阀外壳上的进油口进入阀套的环形油道A，然后经其环槽底部的通孔E进入阀套与阀芯之间。因转阀处于中间位置，阀套与转阀阀芯上的轴向沟槽槽肩形成的两侧间隙相同，因此进入控制阀的油液分别经阀套与阀芯纵槽槽肩形成的两边相同间隙、阀套上的径向油孔F、G、阀套外圆的上环形油道B、下环形油道C，阀芯上径向孔H、阀芯与扭杆之间的空隙、控制阀回油室D、回油管返回储油箱。此时动力缸左右室相通，转向动力缸不起助力作用。

图1-8 回转阀式动力转向器工作原理（直行时）

（2）汽车向右转向时 转向轴连同阀芯被顺时针转动，由于受到路面传来的转向阻力，动力缸活塞和转向齿条暂时不能运动，所以转向齿轮暂时不能随转向轴转动。这样，由转向轴传到转向齿轮的转矩只能使弹性扭杆产生少许变形，使转向轴（即阀芯）得以相对转向齿轮（即阀套）转过少许角度，两者产生相对角位移，如图1-9所示。通动力缸左室的环形油道C底部的孔G与进油孔E一侧的节流槽隙封闭，与阀芯上的回油孔H一侧的节流槽隙开大，动力缸左室油压降低；通动力缸右室的环形油道B底部的孔F与进油孔E一侧的节流槽隙增大，与阀芯上的回油孔H一侧的节流槽隙封闭，动力缸右室油压升高。即转阀使动力缸右腔室成为高压油腔，左腔室则成为低压油腔，这样作用在动力缸活塞上的向左的液压作用力，帮助转向齿轮迫使转向齿条向左移动，转向车轮开始向右偏转。同时，转向齿轮本身也开始与转向轴同向转动。只要转向盘继续转动，弹性扭杆的扭转变形便一直保持不变，转向控制阀所处的右转向位置也不变。一旦转向盘停止转动，动力缸暂时还继续工作，导致转向齿轮继续转动，使弹性扭杆的扭转变形减小，直到弹性扭杆恢复自由状态，转阀回到中立位置，动力缸停止助力。此时，转向盘即停在某一位置上不动，则车轮转角也保持一定。若转向盘继续转动，动力缸又继续工作。

这种转向动力缸随转向盘的转动而工作，又随转向盘停止而停止助力的作用，称为转向助力装置的随动作用。

图1-9 回转阀式动力转向器工作原理（右转向时）

（3）汽车向左转向时 转向轴连同阀芯被逆时针转动，同样由于受到路面传来的转向阻力，由转向轴传到转向齿轮的转矩只能使弹性扭杆产生少许变形，使转向轴（即阀芯）得以相对转向齿轮（即阀套）转过少许角度，两者产生相对角位移，如图1-10所示。通动力缸右室的环形油道B底部的孔F与进油孔E一侧的节流槽隙封闭，与阀芯上的回油孔H一侧的节流槽隙开大，动力缸右室油压降低；通动力缸左室的环形油道C底部的孔G与进油孔E一侧的节流槽隙增大，与阀芯上的回油孔H一侧的节流槽隙封闭，动力缸左室油压升高。动力缸活塞产生向右的液压作用力，帮助转向齿轮迫使转向齿条向右移动，转向车轮开始向左偏转。

（4）在转动过程中 若转向盘转动的速度快，则阀体与阀芯的相对角位移量也大，左、右动力腔的油压差也相应增大，车轮偏转速度加快；若转向盘的转动速度慢，则车轮偏转的速度也慢；若转向盘转到某一位置不动，对应着车轮也转到某一相应位置上不动。这就是转向控制阀的所谓“渐进随动原理”。

图1-10 回转阀式动力转向器工作原理（左转向时）

转向后需要回正时，只要驾驶员放松转向盘，阀芯回到中间位置，失去了助力作用，此时车轮在回正力矩的作用下自动回位，若驾驶员同时回转转向盘，转向助力器起作用，帮助车轮回正。

当汽车直线行驶偶然遇到外界阻力使车轮发生偏转时，阻力矩通过转向传动机构、转向齿轮作用在阀体上，使之与阀芯产生相对角位移，这时动力缸左、右油腔形成压差，产生与车轮转向相反的助力作用，在此力的作用下，车轮迅速回正，保证了汽车行驶的方向稳定性。

如果液压助力装置失效，该动力转向器即变成机械转向器。此时转动转向盘，直接带动转向齿轮，以保证汽车转向。不过这时由于无转向助力作用，转向特别沉重。

2.电控液压动力转向系统

电控液压动力转向系统是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。

（1）反力控制式EPS液压式电子控制动力转向系统，是在传统的液压动力转向系统的基础上，增设电子控制装置而构成的。根据控制方式的不同，液压式电子控制动力转向系统又可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。现主要介绍反力控制式EPS。

反力控制式动力转向系统是一种根据车速大小，控制反力室油压，从而改变输入、输出增益幅度以控制转向力。其优点表现在，具有较大的选择转向力的自由度，转向刚度大，驾驶员能感受到路面情况，可以获得稳定的操作手感等。其缺点是结构复杂，且价格较高。

系统组成与工作原理如下：

图1-11所示为丰田车上曾使用过的反力控制式动力转向系统的工作原理图，该系统主要由转向控制阀、分流阀、电磁阀、转向动力缸、转向液压泵、储液罐、车速传感器及电子控制单元等组成。转向控制阀在传统的整体转阀式动力转向控制阀的基础上增设了液压反力室（图1-12）。弹性扭杆的上端通过销子与转阀阀杆（控制阀轴）相连，下端与小齿轮轴用销子连接。小齿轮轴的上端通过销子与控制阀阀套相连。转向时，转向盘上的转向力通过弹性扭杆传递给小齿轮轴。当转向力增大，弹性扭杆发生扭转变形时，控制阀体和转阀阀杆之间将发生相对转动，于是就改变了阀体和阀杆之间油道的通、断和工作油液的流动方向，从而实现转向助力作用。

图1-11 反力控制式动力转向系统

分流阀把来自转向液压泵的液压油向控制阀一侧和电磁阀一侧进行分流。按照车速和转向要求，改变控制阀一侧与电磁阀一侧的油压，确保电磁阀一侧具有稳定的液压油流量。固定小孔的作用是把供给转向控制阀的一部分流量分配到油压反力室一侧。

电磁阀根据需要，使油压反力室一侧的液压油流回储液罐。输入到电磁阀中的信号是通、断脉冲信号，改变信号占空比（信号导通时间所占的比例）就可以控制流过电磁阀线圈平均电流值的大小。

电子控制单元（ECU）根据车速的高低线性控制电磁阀的开口面积。当车辆停驶或速度较低时，ECU使电磁线圈的通电电流增大，电磁阀开口面积增大，经分流阀分流的液压油，通过电磁阀重新回流到储液罐中，所以作用于柱塞的背压（油压反力室压力）降低。于是柱塞推动控制阀转阀阀杆的力（反力）较小，因此只需要较小的转向力就可使弹性扭杆扭转变形，使阀套与控制阀轴（阀芯）产生相对转动而实现转向助力作用。

当车辆在中、高速区域转向时，ECU使电磁线圈的通电电流减小，电磁阀开口面积减小，所以油压反力室的油压升高，作用于柱塞的背压增大，于是柱塞推动转阀阀杆的力增大。此时需要较大的转向力才能使阀套与阀杆之间做相对转动（相当于增加了扭杆的扭转刚度），实现转向助力作用。换句话说，也就是由于反作用柱塞对控制阀轴（阀芯或阀杆）下部的凸起产生作用，此时要想控制阀打开相同的油道就必须增大输入轴上的扭转力矩，使转向盘的操纵力增大。所以在中、高速时可使驾驶员获得良好的转向手感和转向特性。

图1-12 液压反力室

（2）电动液压助力转向系统（G.E.P或EPHS）在传统的液压动力转向系统中，转向助力所需的系统液压由发动机带动的液压泵产生，这样发动机常常会损失部分功率。很多情况下转向时发动机的转速不高，而此时却需要很大转向助力，所以设计时考虑了这个问题，在发动机低速时液压泵的输出流量就可满足要求。这样，当发动机高速运转时，就出现了功率损失现象。现在很多转向助力液压泵上采用了速度敏感型的流量控制阀，如图1-13所示。图1-13c为低速时流量控制阀的工作情况，图1-13d为高速时流量控制阀的工作情况，图1-13b为流量随发动机转速变化的关系。

图1-13 速度敏感型流量控制阀

在大众波罗、东风雪铁龙凯旋等车上装备了电动液压助力转向系统。它通过一个电动机来驱动液压泵，通过电动机不同的输出功率获得不同的转向助力。

在车辆运行过程中，驾驶员并不是在所有条件下，都需要最大助力。考虑到安全性和能量节约，使用这个系统，使转向助力能够根据车辆的需要进行调节。通过电动机不同的输出功率获得不同的转向助力，GEP系统的运行要考虑下列参数：

1）车速。

2）转向盘的转动方向、转向盘转动的角度及角速度。

3）助力转向液温度。

使用GEP的系统不再装配由发动机传动系驱动的机械助力泵。

使用GEP系统，每100km可以降低燃油消耗0.1～0.2L左右。同时可以对转向助力的变化进行更好的管理。

图1-14所示为东风雪铁龙凯旋轿车上装用的G.E.P组件（电动液压助力泵组件）位置。

图1-14 东风雪铁龙凯旋轿车的G.E.P组件（电动液压助力泵组件）

大众波罗轿车的EPHS（Electrically Powered Hydraulic Steering）组成如图1-15所示，主要由助力转向控制单元J500、电动机驱动的齿轮泵、助力转向传感器、动力转向器等组成。

该转向系统仍靠液压来帮助驾驶员转向，转向助力所需的系统液压仍由液压泵产生，但液压泵是通过电动机驱动的，与发动机不存在机械上的连接。动力转向器与传统的液压助力转向系统的转阀式齿轮齿条动力转向器的结构相似，如图1-16所示。但助力作用的大小是根据转向角速度以及行驶速度不同而不同的，其原理示意图如图1-17所示。

图1-15 大众波罗轿车EPHS系统组成

图1-16 大众波罗轿车动力转向器的结构

大众波罗汽车使用的是TRW转向系统公司和KOYO公司提供的产品，这两种转向系统的工作原理相同。不同之处在于对转向角速度的测定方法上，从转向角传感器的外观上就可以看出这一点。

当汽车置于升降台上时，向右转动转向盘，就能看到助力转向传感器。图1-18是TRW转向器，它紧挨着一只扁平的助力转向传感器。图1-19是KOYO转向器，它的助力转向传感器是圆柱形的。

图1-17 大众波罗轿车EPHS原理示意图

图1-18 TRW公司的助力转向传感器

图1-19 KOYO公司的助力转向传感器

电动液压助力转向系统零部件简介如下：

1）助力转向传感器G250。传感器安装在助力转向传动装置的旋转分流阀内，它测定转向角并计算出转向角速度。在传感器出现故障时，其转向功能也能得到保证。助力转向为设定的紧急运行状态，这时需要较大的转向力。故障码储存在助力转向控制单元J500内。

TRW转向系统公司生产的助力转向传感器是个电容式传感器（图1-20、图1-21），固定在输入轴上的转子在9个小型平板电容器之间旋转，平板电容器的电容将由此而变化。传感器电子元件根据此电容变化计算出助力转向装置控制单元所需的信号（转向角及转向角速度）。

图1-20 TRW公司生产的电容式助力转向传感器

图1-21 电容式助力转向传感器的工作原理

图1-22所示是KOYO公司生产的霍尔式助力转向传感器。它采用霍尔传感器原理，霍尔传感器由一个转子（带60块磁铁的磁环）、集成在传感器中的半导体层及霍尔集成电路所组成。

在霍尔集成电路中，供电电流流过半导体层。带有多极磁环的转子在空隙中旋转。如果转子上相应的磁极直接位于霍尔集成电路的范围之内，则人们将这个位置称作磁栅栏。在这种情况下，霍尔集成电路内部的半导体层上会产生一个霍尔电压。该霍尔电压的大小取决于永久磁铁之间的磁场强度，如图1-23所示。

图1-22 KOYO公司生产的霍尔式助力转向传感器

如果转子相应的磁极离开了磁栅栏，则霍尔集成电路的磁场将发生偏转。霍尔集成电路中的霍尔电压下降且霍尔集成电路断开，如图1-24所示。

2）J500助力转向控制单元。控制单元集成在电动泵总成（图1-25）中，电动泵总成中包括：带有齿轮泵、限压阀及电动机的液压单元，液压油的储液罐和助力转向控制单元。电动泵总成无需维护，其内部润滑由液压油来完成。助力转向控制单元根据转向角速度和车辆行驶速度，发出信号，驱动齿轮泵。瞬时供油量从控制单元中储存的通用特性图中读取。当车速低（如停车状态）时，转向角速度大，则供油量大，转向助力作用大，转向轻便。当车速高（如在高速公路上行驶）时，转向角速度小，则供油量小，转向助力作用小，即转向沉重一些。

图1-23 霍尔式助力转向传感器的工作原理（一）

图1-24 霍尔式助力转向传感器的工作原理（二）

图1-25 助力转向电动泵总成

控制单元能识别并储存运行中的故障，并具有再接通保护和温度保护功能。

3）转向液压泵V119。由齿轮泵和电动机组成，该电动机只有在点火接通及发动机运转的情况下才工作。

转向角速度、车速及发动机转速信号将传送给控制单元。该控制单元可以调节电动机以及齿轮泵的转速，进而调节供油量，更确切地说是液压油的体积流量。

电动液压助力转向系统在受到干扰、故障或撞车后具有再接通保护功能。在发生撞车的情况下，这种再接通保护只需要一个诊断仪即可被去除。在出现其他故障的时候，再接通保护可以通过中断点火及发动机的重新起动来去除。如果再接通保护起作用，则为了使电动泵总成在过热之后能得到冷却，必须等待大约15min的时间。这段时间过后，如果再接通保护不能通过发动机的起动被去除，则说明在车载网络中有故障或电动泵总成已损坏。在这种情况下，必须进行自诊断并且有时要更换电动泵总成。

大众波罗轿车TRW转向系统（不带电子稳定程序ESP）的电路原理图如图1-26所示。

图1-26 大众波罗轿车TRW转向系统（不带电子稳定程序ESP）的电路原理图

G22—车速传感器 G250—助力转向传感器 J220—发动机控制单元 J285—仪表板控制单元 J500—转向助力控制单元 J519—车载网络控制单元 J533—数据总线的诊断接口 K92—转向控制灯（转向系统故障指示灯 ）S—熔丝

3.电动转向系统（EMPS）

目前，已有不少车型采用了电动转向系统，如本田飞度、大众速腾，以及丰田皇冠、锐志、新卡罗拉等。

EMPS主要由转矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成。通过传感器探测驾驶员转向操作转向盘产生的转矩或转角的大小和方向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元，再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩，最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动装置而产生助力作用。

（1）丰田新卡罗拉的电动转向系统 图1-27为新卡罗拉的电动转向系统。

图1-27 新卡罗拉的电动转向系统

此系统采用安装在转向柱上的电动机和减速机构产生转矩以辅助驾驶员转向。助力大小由EPS ECU计算。此系统具有良好的燃油经济性，因为安装在转向柱中的电动机可提供助力，且仅当需要助力时此电动机才提供能量。与常规液压动力转向系统不同，该系统无需管道、叶片泵、带轮或动力转向液，且耐用性良好。

系统组成示意图见图1-28。

该电动转向系统主部件位置分布如图1-29、图1-30所示。

其主要部件功能如下：

①转矩传感器。检测扭杆的扭曲度，将扭曲度转换为电信号从而计算施加到扭杆的转矩，并将此信号输出至EPS ECU。

②直流电动机。根据接收来自EPS ECU的信号产生助力作用。

③减速机构。通过采用蜗杆和车轮齿轮降低直流电动机的转速并将其传输至转向柱轴。

④EPS ECU。根据接收到的来自各传感器的信号，控制安装在转向柱内的直流电动机运行，以提供助力。

图1-28 新卡罗拉的电动转向系统组成示意图

*：带光电显示屏式组合仪表的车型

图1-29 电动转向系统P/S警告灯

*：带光电显示屏式组合仪表的车型

图1-30 电动转向系统主部件位置分布

⑤发动机ECU。将发动机转速信号输出至EPS ECU。

⑥组合仪表。系统出现故障时，P/S警告灯亮起。

⑦防滑控制ECU。将车速信号输出至EPS ECU。

主部件的结构和工作原理：

直流电动机、减速机构和转矩传感器安装在转向柱上，如图1-31所示。

图1-31 电动转向系统转向柱

1）直流电动机。直流电动机由转子、定子和电动机轴组成，如图1-32所示。电动机产生的转矩通过万向节传输至蜗杆。然后，此转矩通过车轮齿轮传输至转向柱轴。

2）减速机构。此机构通过蜗杆和车轮齿轮减小直流电动机的速度，并将其传输至转向柱轴。蜗杆由滚珠轴承支承以减小噪声和摩擦，其结构如图1-33。

图1-32 电动转向系统直流电动机

图1-33 电动转向系统直流电动机减速机构

3）转矩传感器。转矩传感器检测扭杆的扭曲度，并将扭曲度转换为电信号从而计算施加到扭杆的转矩，并将此信号输出至EPS ECU。转矩传感器的结构如图1-34、图1-35所示。

图1-34 转矩传感器剖视图

检测环1和检测环2安装在输入轴上，检测环3安装在输出轴上。输入轴和输出轴通过扭杆接合起来。检测线圈和校正线圈安置在相应检测环的外面使其不接触便可完成励磁电路。

检测环1和2的功能是校正温度。它们检测校正线圈内的温度变化并校正由其引起的偏差。

检测线圈由输出两个信号VT1和VT2的双电路组成。EPS ECU根据这两个信号进行控制，同时检测传感器故障。

图1-35 转矩传感器的组成

①直线行驶。如果车辆直线行驶且驾驶员不转动转向盘，则EPS ECU判定此时输出规定电压，以指示转向盘的中间位置。因此，不会向直流电动机施加电流。

②转向时。当驾驶员向右或左转动转向盘时，扭杆产生的转矩在检测环2和检测环3之间产生相对位移。

然后，此变化转换成两个电信号VT1和VT2并发送至EPS ECU。当转向盘向左转动时，低于中间位置的电压输出如图1-36所示。

因此，根据这些输出检测转动方向。此外，转向辅助的量由输出值的大小决定。

维修提示：

如果拆下转向柱或转向器再重新安装，则必须调节转矩传感器的零点。

图1-36 转矩传感器的输出

4）EPS ECU。EPS ECU接收来自各传感器的信号，判断当前车辆状况，并据此判定施加到直流电动机的辅助电流。

如果系统出现故障，失效保护功能停止输出电流并将控制转至手动转向。这时，P/S警告灯亮起以将此故障告知驾驶员。

新款车型的EPS ECU一般具备下列控制内容或功能：

①基本控制。根据转向转矩值和车速计算辅助电流并运行直流电动机。

②惯性补偿控制。驾驶员开始转动转向盘时，确保直流电动机的起动运转。

③回正力控制。在驾驶员打满转向盘到转向盘趋于回正这段时间内，控制辅助回正力。

④阻尼控制。高速行驶时，当驾驶员转动转向盘时调节辅助量，从而减小车身横摆率的变化。

⑤系统过热保护控制。根据电流和持续时间估算直流电动机的温度。如果温度超过标准值，则限制电流以防止直流电动机过热。

⑥故障自诊断功能。如果EPS ECU检测到EPS系统出现故障，则与检测故障功能相应的P/S警告灯将亮起以告知驾驶员。同时，将DTC（故障码）存储在存储器中。

⑦失效保护控制。如果EPS ECU检测到EPS系统出现故障，不仅将使组合仪表内的P/S警告灯亮起以提示驾驶员，还会停止辅助控制。这时，EPS系统的操作与手动转向方式相同。

当转矩传感器系统故障、转角传感器故障、DC电动机短路（包括驱动系统故障）、DC电动机过电流、动力转向ECU系统故障（包括增压电路系统故障）等将禁用动力辅助转向功能，当检测出电源电压故障时系统也会暂停动力辅助转向功能，电压恢复后可进行正常辅助。当DC电动机过热、动力转向ECU过热、动力转向ECU内部温度传感器系统故障、发动机转速和车速信号故障时将限制助力。当重新满足正常状态时回到正常控制。

（2）丰田皇冠轿车电动转向系统 各种车型的电动转向系统的工作原理是相似的，均是通过转矩传感器探测驾驶员在转向操作时转向盘施加的转矩，通过转角传感器探测转向盘转角的大小、方向和转动的速率，控制单元根据这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩，最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过减速传动装置的作用而助力。各车型电动转向系统的区别主要是转矩传感器、电动机结构及布置、减速传动装置的不同。

1）系统组成。图1-37为丰田皇冠轿车的电动转向系统的组成框图。

图1-37 丰田皇冠轿车的电动转向系统的组成框图

2）分相器型（解角传感器型）转矩传感器。转矩传感器是EMPS系统中最重要的器件之一。转矩传感器的种类有很多，如丰田皇冠轿车、雷克萨斯LS430、LS460轿车的电动转向系统采用了一种叫分相器型（解角传感器型）的转矩传感器，如图1-38、图1-39所示。

图1-38 装用分相器型（解角传感器型）转矩传感器的电动转向器 （不带VGRS系统的车型）

图1-39 分相器型（解角传感器型）转矩传感器的结构分解

转矩传感器由两个分相器（解角传感器）、扭杆、主轴（输入轴）和小齿轮轴（输出轴）组成。转矩传感器的两个解角传感器分别安装在与扭杆连接的主轴（输入轴）和小齿轮轴（输出轴）上；在转向阻力作用下，此连接机构会形成与扭杆扭曲度相等的相对角度差。驾驶员转动转向盘时，在主轴（输入轴）传输到分相器1（解角传感器1）的角度和小齿轮轴（输出轴）传输到分相器2（解角传感器2）的角度间存在角度差。

①直线行驶。如果车辆直线行驶且驾驶员不转动转向盘，则动力转向ECU根据传感器输出的电压，判断转向盘处于中间位置。因此，将停止向电动机供电。

②转向时。驾驶员转动转向盘时，在转向阻力作用下，扭杆产生扭曲，解角传感器1和2的转子部分之间存在相对角度差，如图1-40所示。定子线圈部分有两种线圈分布，分别是励磁线圈和检测线圈（图1-41），其上共有7根不同颜色的细导线与动力转向ECU连接。其励磁线圈对转子部分的线圈通过电磁感应起励磁作用；检测线圈则将输入、输出轴的上下角差（转向转矩）检测出来，向电子控制单元输送电信号，这个电信号是以定子线圈上的两列正弦波信号的相位差，反映此时转矩传感器检测到的转矩大小。根据这些输入信号，动力转向ECU计算两个解角传感器检测到的相对角度差。动力转向ECU根据此角度差计算转矩值。然后，动力转向ECU根据计算出的转矩值和车速计算辅助电流。根据从转角传感器获得的信息，动力转向ECU以预定大小的电流运行电动机。

图1-40 转向时，解角传感器1和2的转子部分之间存在相对角度差

图1-41 分相器型（解角传感器型）转矩传感器的工作原理

转矩传感器输出如图1-42所示，在较大的转向转矩下，扭杆扭转变形量大，上、下两解角传感器输出信号的相位差也相应增大，此时动力转向ECU将增大电动机的电流。

3）助力电动机与减速机构。丰田皇冠轿车电动转向系统的电动机为无电刷的三相交流电动机，此电动机与齿条轴同轴，由转角传感器、定子和转子组成，如图1-43、图1-44所示。

图1-42 分相器型（解角传感器型）转矩传感器的输出

图1-43 丰田皇冠轿车电动转向系统电动机结构剖视图

图1-44 丰田皇冠轿车电动转向系统电动机结构分解图

定子线圈为三相双星形连接（如图1-45所示），电动机转子是强永磁式的。此电动机设计的转动惯量较小，便于汽车行驶时灵活的变转向操作。该电动机改变旋转方向极为方便，只是将三相电源任意两相间进行换接即能实现迅速的转向助力操作。而且此电动机具有低噪声、高转矩的特点，能克服各种道路时的转向阻力，进行灵活转向操作。

供给助力电动机的电源为27～34V的三相交流电压。此电动助力转向控制单元中，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27～34V交流电压的电路完成。当驾驶员操纵转向盘时，则会自动根据转向阻力大小，输出27～34V之间的可变电压；当驾驶员未打方向或车辆直线行驶时，电动机不运转，此时电动机的电压为0。

通过控制助力电动机的电流，来控制转向助力的大小。电动助力转向装置的控制单元接收转矩传感器和车速传感器的信号，并且根据转角传感器的数据判断当前车辆行驶状况，决定施加给转向电动机的助力电流大小（图1-46）。

图1-45 转向电动机定子的双星形绕组

图1-46 转向电动机的电流控制

转向电动机还有过热保护功能，当温度超过规定值，为保护电源和电动机不致过载，此时应限制电动机的助力电流，直至温度下降到规定的允许值为止。

由减速机构组成的滚珠螺杆减速器安装在转子上。滚珠将电动机的旋转转矩以轴向力的形式传输至齿条轴。

转角传感器由可靠性和耐用性优良的解角传感器组成。转角传感器检测电动机的转角并将其输出至动力转向ECU，从而保证了EPS控制的有效性。

减速机构如图1-47所示，减速机构由表面光滑的高精度滚珠螺杆组成，实现了高效率和低噪声。滚珠螺杆减速器有四个滚珠导向器，并安装在转子上。滚珠通过滚珠导向器在滚珠螺杆减速器内循环转动。然后，电动机的旋转转矩通过滚珠从滚珠螺杆减速器中传出，从而将轴向力传至齿条轴。

（3）大众双齿轮式电动转向助力系统 在奥迪A3、大众速腾等轿车上，采用了双齿轮式电动转向助力系统。其主要部件有转向盘、转向柱、转向盘转角传感器、转向转矩传感器、转向齿轮、转向助力电动机及转向助力控制单元组成。所谓双齿轮式电动转向助力系统是指转向助力通过另外一个同时作用在齿条上的小齿轮提供，该小齿轮的驱动是通过电动机完成的。图1-48为其系统组成示意图，图1-49为其系统输入、输出信号示意图。(www.xing528.com)

图1-47 丰田皇冠轿车电动转向系统电动机减速机构

图1-48 大众双齿轮式电动转向助力系统

根据驾驶员的转向要求，转向控制单元控制电动机工作，进而起到转向助力的作用。系统通过“主动回正”功能将转向轮置于中心位置，使车辆在各种情况下都能获得良好的平衡性及精确的直线行驶稳定性。直线行驶稳定功能可以帮助驾驶员在车辆受到侧向风的作用时，或者在上下颠簸的路面上行驶时更容易控制车辆直线行驶。

图1-49 大众双齿轮式电动转向助力系统的输入与输出信号

图1-50 大众双齿轮式电动转向助力系统的转向操作

如图1-50所示，当驾驶员旋转转向盘时，转向助力系统开始工作。安装于转向柱上的转向盘转角传感器将检测到的转向盘的旋转角度和旋转速度，以电信号的方式送至转向助力控制单元。与此同时，作用在转向盘上的转矩经过传递，驱动转向小齿轮旋转，转向转矩传感器检测到旋转转矩并将其传给控制单元。根据转向力、发动机转速、车速、转向盘转角、转向盘转速以及存储在控制单元中的特性曲线图，控制单元计算出必要的助力力矩并控制电动机开始工作。由电动机驱动的小齿轮（驱动小齿轮）提供转向助力，从而驱动转向齿条。作用在转向盘上的转矩和助力转矩的和即为推动齿条作用在转向器上的有效转矩。

如果驾驶员不再施加作用力在转向盘上或松开转向盘，扭杆扭转变形恢复。转向转矩将降为零。由于车桥几何形状，车轮上将产生复位力。但由于转向系统的摩擦，复位力一般都很小，以至于车辆不能回到直线行驶状态。控制单元J500可通过转向角传感器G85的转向角值对此进行识别。控制单元通过计算出转向转矩、车辆速度、发动机转速、转向角、转向速度和在控制单元中保存的特征曲线来计算出复位所需要的电动机转矩。电动机通电动作，促使车轮重新转回到直线行驶位置，如图1-51所示。齿条上的主动复位最大助力转矩被限制为25N·m。

图1-51 大众双齿轮式电动转向助力系统转向后的主动复位操作

转向盘转角传感器为光电式传感器，安装于转向柱上。当驾驶员转动转向盘时，转向柱带动转向盘转角传感器的转子随转向盘一起转动，光源就会通过转子缝隙照在传感器的感光元件上产生信号电压。由于转子缝隙间隔大小不同，故产生的信号电压变化也不同，其外观工作原理如图1-52所示。

此系统的转向转矩传感器为磁阻式传感器，其磁性转子和转向柱连接块为一体，磁阻传感元件和转向小齿轮连接块为一体。当转动转向盘时，转向柱连接块和转向小齿轮连接块反向运动，即磁性转子和磁阻传感元件反向运动，因此转向转矩的大小可以被测量出来并传递给控制单元，其外形及结构如图1-53所示。

图1-53 转向转矩传感器的外形与结构

根据不同工作状况的需要，驾驶员作用于转向盘上的转矩大小不同，由该转矩产生的驱动转向小齿轮旋转的转矩大小也不同。转向转矩传感器根据扭杆的扭转情况，检测出转向力的大小并输送至控制单元；同时转向盘转角传感器将检测到的驾驶员转动转向盘的角度也输送给控制单元；转子传感器将转动速度输送至控制单元，控制单元计算出合适的转矩，控制电动机工作。

4.宝马主动转向控制系统

宝马在其一些旗舰车型上装配了主动式转向系统，英文名为Active Front Steering，简称AFS技术。

主动式转向并不是需要汽车转向时它会自动转向，它只是对转向动作起一种辅助性作用，以便更安全、准确、轻松地按驾驶员的意图实现转向。它根据车速变化而不断改变转向系统中主动齿轮与被动齿条的传动比，在低速行驶时可以以较小的转向盘转动幅度而实现较大的转向，而在高速行驶时相反。让驾驶者在低速转向时感觉轻松，而在高速转向时感觉更加安全。因此，主动转向既可称为舒适性配置，也可称为安全配置。

在传统的转向系统中，由于转向盘和前轮的转向传动比是固定的，未配备主动式转向系统的车辆，通常需要转动转向盘三圈才能把车轮从一个极限位置偏转到另一端极限位置。而主动式转向系统通过在中、低速下减小转向盘传动角度，把这个操作过程减少到两圈。因此，在市区驾驶会感到较为轻松省力。

（1）主动转向系统的组成 主动转向系统主要由液压油罐、带有ECO（Electrically Controlled Orifice）阀的液压泵、转向辅助装置的液压油冷却装置、液压软管、带伺服电动机的叠加传动装置与转向器、电控系统组成，见图1-54。

图1-54 主动转向系统

1—液压油罐 2—带有ECO阀的液压泵 3—转向辅助装置的液压油冷却装置 4—液压软管 5—带有伺服电动机的转向器

（2）主动转向系统的原理概述 宝马的主动转向系统，可以根据车速变化而不断改变转向系统中主动齿轮与被动齿条的传动比。通常一般轿车的转向传动比是16∶1和18∶1之间，而宝马的主动转向系统的传动比可以在10∶1至20∶1间不断变化。在低速时，例如50km/h时，转动转向盘10度，前轮即可转动1度，而普通轿车需要转动16～18度才能让前轮转动1度。反之，在高速时，例如，当车速达到200km/h时，转动转向盘20度才能让前轮转动1度，以增强其稳定性。

主动式转向是基于叠加转向角度的原理：在转向盘和转向传动之间装有一个电子控制的机械调控器，为驾驶者发出的转向角根据不同的需求叠加一个转向角度。这种效果来自一个行星齿轮装置，这个齿轮装置包括两个输入轴和一个固定在转向柱上的输出轴。其中一个输入轴连接到转向盘，另一个输入轴由电动机通过一个自锁式蜗轮蜗杆驱动机构，从而达到改变转向传动比的目的。最终从输出轴传出的整体转向角度由驾驶者输入的转向盘角度与电动机附加的角度叠加而成。

转动车轮所用的力量，并不是由电动机决定，而是由独立的转向助力系统与传统的转向装置一同决定的。主动式转向系统的其他组成部件还包括判定当前驾驶条件和驾驶者指令的独立控制单元和多个传感器。

依据驾驶条件，主动式转向系统会增大或减小前轮的转向角度。低速时，电动机的作用与驾驶者转动转向盘的方向一致，可以减小对转向力的需求。一直行驶至中速状态之前，它将提供比传统轿车更直接的转向传动比。在宝马著名的Servotronic（电子伺服助力转向系统）的作用下，转向操作保持轻松省力。在高速时电动机的运转方向与驾驶者转动转向盘方向相反，这减小了前轮的转向角度，从而使转向传动更间接，在高速行驶时增大转向所需力度（即减小助力作用）来防止任何不必要的非指令转向。

在危急情况下，主动式转向系统会修正由驾驶者操控的车轮位置，从而车辆能比在由驾驶者自行操作时更快速、高效地稳定行驶。

（3）主动转向系统各部件的结构、原理

1）主动转向的输入输出。主动式转向系统机械部分的核心是在液压动力转向器中增加一个带伺服电动机的叠加传动装置，该装置由行星齿轮组、蜗杆蜗轮机构、锁止件、驱动蜗杆的电动机等组成，该行星齿轮机构与常见的行星齿轮机构（如自动变速器内的行星齿轮机构）不同，它没有齿圈。如图1-55所示，行星架与蜗轮制成一体，行星齿轮为双联齿轮，两行星齿轮齿数不等。一个太阳轮为输入太阳轮，与转向传动轴相连，也就是连接到转向盘。另一个太阳轮为输出太阳轮，直接与转向器的转向小齿轮相连。行星架的外圆上制造出蜗轮，又与电动机带动的蜗杆啮合。蜗杆蜗轮机构又可在锁止元件作用下锁止不动，即行星架可以锁止不动，其传动路线参见图1-56、图1-57。

最终从输出轴传出的整体转向角度由驾驶者输入的转向盘角度与电动机附加的角度叠加而成。

图1-55 带伺服电动机的叠加传动装置

图1-56 主动式转向系统带伺服电动机的叠加 传动装置传动路线

1—转向盘 2—输入端太阳轮 3—行星齿轮 4—带蜗轮的行星架 5—电动机蜗杆 9—转向器齿条 10—转向器驱动小齿轮 11—输出端太阳轮 A—输入轴Ⅰ B—输入轴Ⅱ C—输出轴

图1-57 带伺服电动机的叠加传动装置传动路线示意图

如果电动机不工作，蜗杆即处于静止状态，带蜗轮的行星架也固定在一个位置上不动，该装置就以一个普通定轴齿轮机构工作，驾驶员操纵转向盘的动力经此齿轮机构传递至齿条，路面反作用力也可经此机构传至转向盘。因为同一轴上的两个行星齿轮大小不同，故从转向盘至转向器驱动小齿轮的传动比为1∶0.76。

只要电动机向两个方向中的某个方向转动，行星架及行星齿轮就会随之转动。这意味着，向一个方向转动时输入轴Ⅰ和输入轴Ⅱ为正叠加；向另一个方向转动时，因两个输入轴反向运转而形成负叠加。这样，在转向盘转角相同时，一种情况下转向盘与电动机带动蜗轮引起的转动量正叠加将使车轮偏转角度增大，而另一种情况下将引起车轮偏转角度减小。

用反转法可以推导出该行星齿轮机构的运动特性方程式为：

n₁^-γn₂-（1-γ）n₃=0

式中 n₁——输入端太阳轮转速；

n₂——输出端太阳轮转速；

n₃——带蜗轮的行星架转速；

γ——传动比。；其中z₁为输入端太阳轮齿数，z₂为输出端太阳轮齿数，z_g1为与输入端太阳轮啮合的行星齿轮齿数，z_g2为与输出端太阳轮啮合的行星齿轮齿数。

2）主动转向系统电控装置的组成与主要元件的结构、原理。主动转向系统电控装置主要由电动机位置传感器、叠加传动装置上的伺服电动机、温度传感器信号、总转向角传感器、转向辅助泵中的ECO阀、Servotronic电磁阀、各系统控制模块和网络数据总线等，如图1-58、图1-59所示。

图1-58 主动转向系统电控装置的组成

1—车轮转速传感器 2—制动摩擦片磨损传感器 3—制动信号灯开关 4—制动液液位开关 5—DSC按钮 6—DSC传感器l 7—DSC传感器2 8—总转向角传感器 9—转向角传感器 l0—执行单元的电动机位置传感器 11—组合仪表 12—DSC控制单元 13—AFS主动转向系统控制单元 14—SGM控制单元 15—DME控制单元 16—执行单元的锁止件 17—主动转向系统的执行单元 18—电子转向助力系统阀门 19—BMW诊断系统（四轮定位） 20—液压泵及ECO阀 PT-CAN—动力传动系CAN F-CAN底盘

CAN bytefIight：BMW安全总线系统byteflight K-CAN 车身CAN

提示：SGM是指安全和网关模块。

图1-59 主动转向系统的系统电路原理图

1—左前车轮转速传感器 2—左后车轮转速传感器 3—制动信号灯开关 4—制动液液位开关 5—DSC按钮 6—DSC传感器 17—DSC传感器 28—总转向角传感器 9—转向角传感器 10—组合仪表 11—DSC控制单元 12—AFS主动转向系统控制单元 13—SGM控制单元 14—右前车轮转速传感器 15—右后车轮转速传感器 16—制动摩擦片磨损传感器 17—制动摩擦片磨损传感器 18—DME控制单元 19—执行单元的锁止件 20—执行单元的电动机 21—电子转向助力系统阀门 22—液压泵的ECO阀 KL 15—总线端KL 15KL 30—总线端 KL 30 F-CAN—底盘CAN K-CAN—车身CAN PT-CAN—动力传动系 KL.KL 31—总线端KL 31

①电动机及其位置传感器与温度传感器。电动机位置传感器探测伺服电动机的转子位置，传送到主动转向控制单元，其电路及外形如图1-60、图1-61所示。

②总转向角传感器和转角传感器。总转向角传感器探测转向器上由主动转向控制产生的转向角。总转向角传感器在功能上与传统转向系中的转向角传感器相同。转向柱开关中心上的转向角传感器探测转向盘上由驾驶员执行的转向角度。主动转向控制的控制单元（AFS控制单元）需要这两个信号。总转向角传感器的安装位置如图1-62所示。

图1-60 电动机及其位置传感器与温度传感器

1—电动机位置传感器 2—叠加传动装置上的伺服电动机 3—伺服电动机W相 4—伺服电动机V相 5—伺服电动机U相 6—伺服电动机锁的接地 7—伺服电动机锁的供电（12V） 8—伺服电动机锁 9—电动机位置传感器的供电（5V） 10—电动机位置传感器信号2 11—电动机位置传感器信号1 12—温度传感器信号 13—接地

图1-61 电动机及其位置传感器外形

1—电动机位置传感器 2———电动机

图1-62 总转向角传感器的安装位置

1—转向器总转向角传感器

③液压助力转向器上的Servotronic阀。液压助力转向机构的各个部件安装在发动机室中。Servotronic阀位于转向器上。液压助力转向机构由带ECO阀的转向辅助泵、液压油储油罐、转向辅助冷却器、液压管路和液压软管、带Servotronic阀的转向器组成。

Servotronic伺服转向助力系统根据车速调节液压助力转向机构的转向助力作用。液压油流量是根据Servotronic阀控制进行不同节流作用的。这种节流作用取决于Servotronic阀的通电电流。

④转向辅助泵中的ECO阀。

转向辅助泵是一只叶片泵。转向辅助泵中安装了ECO阀（Electronically Controlled Or-ifice），如图1-63所示。ECO阀控制液压油的体积流量，从而达到控制液压作用功率的目的。转向助力装置的液压源部分液压回路如图1-64所示。

图1-63 转向辅助泵中的ECO阀

1—转向辅助泵中的ECO阀

图1-64 转向助力装置的液压源部分

1—储液罐 2—液压泵 3—ECO阀门 4—齿轮齿条式液压助力转向机构 5—压力控制阀 6—限压阀 7—节流缓冲阀

3）带伺服电动机的叠加传动装置的工作过程。带叠加传动装置的动力转向器如图1-65所示，其内部结构如图1-66所示。

图1-65 带叠加传动装置的动力转向器

1—总转向角传感器 2—齿轮齿条式动力转向器 3—行星齿轮组壳体 4—电磁锁 5—电子转向助力系统阀门 6—转向轴 7—电动机

主动转向控制的核心元件是一个无间隙的叠加传动装置。该叠加传动装置是一个带有两个输入端和一个输出端的行星齿轮组。转向柱的下部转向轴形成第一个输入端，行星齿轮组上的蜗杆传动装置形成第二个输入端。伺服电动机驱动（由控制单元控制）行星齿轮组的蜗杆传动装置。蜗杆与蜗轮的速比为20.5∶1。出现故障时，蜗杆传动装置有自锁功能。

蜗杆传动装置将转向轴的直接驱动的转向角进行叠加。转向器主动齿轮上形成的总转向角由以下部分组成：一是通过转向盘驱动的转向角；二是通过伺服电动机驱动的转向角。

由驾驶员设定的最大转向角的叠加是由动态行驶参数、特别是由行驶速度决定的。

图1-66 带伺服电动机的叠加传动装置的内部结构

1—伺服电动机锁 2—蜗杆 3—伺服电动机 4—转向器主动齿轮 5—叠加传动装置壳体 6—行星齿轮组 7—下部转向轴

当车速较小时（例如停车时），主动转向控制系统将转向轴的直接驱动的转向角进行大幅度叠加，转向非常直接。

当车速较高时，伺服电动机逆着驾驶员操作转向盘形成的转向角起作用。转向系的总传动比变得更加间接。叠加传动装置上的伺服电动机通过3相供电（U、V、W）。短路时伺服电动机最高在120°左右转动。这样可以防止伺服电动机在短路情况下意外起动运行。伺服电动机中有一个温度传感器。这个温度传感器监控伺服电动机的温度。

在车辆处于静止状态时或系统出现故障时，伺服电动机锁卡住伺服电动机。这时，伺服电动机锁卡入蜗杆传动装置上的啮合齿中。该锁通过一个弹簧预紧，并通过电磁阀通电克服该预紧力，从而使锁止件解锁。当电磁阀断电时锁止件重新锁止。叠加传动装置被卡住后，驾驶员可以继续控制转向，这时的转向系统与传统的转向系统相同，转向盘和前轮之间始终保持纯机械式传动比。从供电电压约3.2V起，伺服电动机锁解除联锁。

主动转向系统最大的特点，就是依据驾驶条件，自动调节车辆转向传动比，从而增加或减小前轮的转向角度。在低速时，电动机的作用与驾驶者转动转向盘的方向一致，转向传动比增大，可以减少驾驶者对转向力的需求。在高速时，电动机的运转方向与驾驶者转动转向盘方向相反，这减少了前轮的转向角度，转向传动比减小，转向稳定性提高。

①停车时会加大转向盘转向齿轮比，这意味着驾驶员无需将转向盘打到底就能完成轻松省力的停车动作。

②市区或一般乡间道路的驾驶状态下，AFS拥有比一般转向系统更明快直接的手感，让车辆反应更敏捷。

③车速提高时，转向盘惯性会阻碍驾驶员不经意的转向盘转动动作，传递信号不像低速时那么敏感，提高了驾驶安全性。

④当车辆处于激烈操控的急转弯状态时，AFS会调低转向盘灵敏度以维持更为直觉化的转向手感，甚至在更急迫的状态下，AFS内部的调节器会早DSC（动态稳定控制）一步强制介入，来维持车身稳定性。

主动式转向进一步增强了DSC的性能，主动式转向系统始终通过车载网络与DSC单元联网。更灵活，更舒适，更安全，这些都是主动式转向与DSC进行理想搭配带来的好处。在危急条件下，比如在公路上高速行驶时突然变道以超越另一辆车然后回到原车道时，由于转弯半径更小，所有的车辆都易出现转向过度的情况，从而引起偏航等反应（车辆会沿直角的线路运动），驾驶员可能会和车辆一起失去控制。在这种情况下，主动式转向在一开始就会进行干预降低偏航情况的发生，很平顺和有效地稳定车辆，驾驶员和乘员几乎感觉不到该系统的存在。所以，在驾驶装备主动式转向系统的宝马时，DSC不必像在其他车辆中那样干预驾驶。不同于DSC通过干预制动过程而降低行车速度（虽然只是在有些情况下会有轻微影响），主动式转向只通过修正转向角度，在不被察觉的情况下保证行驶的平稳性。因此，DSC只在主动式转向系统无法控制车辆时进行干预，这说明这两个系统是一个完美的组合，主动式转向系统在理想状态下对DSC进行补充。

⑤当两边制动力不平均时（例如处在两边摩擦力不等的状态下），AFS系统会自动提前增强稳定力道。

主动转向系统的电路接通条件是总线端KL15接通且发动机正在运转。起动发动机后，系统将执行转向盘位置与车轮转向角的同步化处理。这样才能确保系统处于关闭状态（被动状态）时，移动转向盘后，转向盘位置与车轮转向角协调。必要时，驾驶员可以感觉到转向盘的转动或者车轮的运动。

5.雷克萨斯可变传动比式电动转向系统

雷克萨斯LS460轿车在配置空气悬架的车辆上采用了VGRS（可变齿轮比转向）系统，如图1-67所示。VGRS系统根据车速对转向角进行可变控制。同时新款车型采用VDIM（车辆动态综合管理系统）以实现车辆的整体控制。根据行驶状况，EPS、VGRS系统与制动系统进行协调控制以提供转向辅助力矩和控制齿轮比，从而实现了极佳的行驶稳定性和操控性。

（1）系统主要部件名称、位置分布及其功能 图1-68、图1-69、图1-70为主要部件位置分布图。

图1-67 雷克萨斯LS460轿车的VGRS（可变齿轮比转向）系统

图1-68 VGRS主要部件位置分布（仪表）

图1-69 VGRS主要部件位置分布（驾驶室）

图1-70 VGRS主要部件位置分布

系统主要部件的功能见表1-1。

表1-1 VGRS系统主要部件的功能

（2）主要部件的结构和工作原理

1）转向器机构。转向器机构由电动机、减速机构和转矩传感器组成。带VGRS系统的车型配备VGRS执行器，如图1-71所示。

电动机采用由46V电压驱动的高功率、无刷型电动机，结构与皇冠轿车的电动机相似。

图1-71 转向器机构

2）VGRS系统图。VGRS系统框图如图1-72所示。

图1-72 VGRS系统框图

3）主要部件的结构和工作原理

①VGRS执行器。VGRS执行器与转向器机构组成一体。VGRS执行器主要由壳体、电动机、减速机构、锁止机构和输出轴组成，如图1-73所示。

a.VGRS电动机。采用紧凑无刷型电动机，提高了输出功率并降低了噪声。电动机密封在壳体内。

此电动机主要由磁铁、线圈和电动机轴组成。电动机轴与减速机构的波发生器相连以将电动机的转动传输到减速机构，如图1-74所示。

此电动机由转向控制ECU发出的信号控制，并根据转向盘的转动方向顺时针或逆时针旋转。通过转角传感器检测电动机的转动方向和转角。

图1-73 VGRS执行器结构

图1-74 VGRS电动机

b.VGRS减速机构。采用应变波形齿轮式减速机构。此减速机构主要由输入环齿圈、输出环齿圈、挠性齿轮和波发生器组成。此减速机构可将传动比增大为51∶1。

VGRS减速机构主要部件的结构如图1-75所示，输出环齿圈（输出端）采用刚性内环齿圈，沿内周有102个齿。它与输入环齿圈平行，与VGRS执行器的输出轴相连。输入环齿圈（输入端）也采用刚性内环齿圈，沿内周有100个齿。它与输出环齿圈同轴线平行排列，与VGRS执行器的输入轴相连。

挠性齿轮也称柔轮，采用带状的挠性金属壳体，沿外周有100个齿。它安装在波发生器的外侧，且其齿与输出环齿圈和输入环齿圈内啮合。

波发生器（电动机的输出端）是由椭圆形凸轮和凸轮周围的滚珠轴承组成。它与电动机轴相连，挠性齿轮内环表面与波发生器接触，挠性齿轮同时与输出环齿圈和输入环齿圈啮合。

图1-75 VGRS减速机构

VGRS减速机构的工作原理：

VGRS减速机构各部件的装配位置关系如图1-76所示，挠性齿轮安装在输入环齿圈和输出环齿圈内侧，波发生器安装在挠性齿轮内侧。波发生器使挠性齿轮变成椭圆形。椭圆形长轴上的齿同时与输入环齿圈和输出环齿圈上的齿啮合，而短轴上的齿则与输入、输出齿圈脱开。

图1-76 VGRS减速机构各部件的装配位置关系

下面分几种情况分析这种机构的一般工作原理。

为便于理解，先假设将图1-76中的输出环齿圈（102齿）固定不动，输入环齿圈（100齿）作为输出的话，那么如图1-77、图1-78所示，电动机带动波发生器顺时针转动，波发生器推动挠性齿轮使其变为椭圆，使长轴两端附近的齿进入啮合状态，短轴附近的齿则脱开，其余不同区段上的齿处于逐渐啮合状态或逐渐脱开状态。波发生器连续转动时，挠性齿轮的变形部位也随之转动，使轮齿依次进入啮合，然后又依次退出啮合，从而实现啮合传动。因为挠性齿轮比固定不动的环齿圈少2个齿，所以波发生器转动一周时，挠性齿轮逆时针转过2个齿，又因作为输出件的环齿圈与挠性齿轮的齿数相等，因此它们的转动也相同。环齿圈（输出）也逆时针转过2个齿，即逆时针转了1/50圈，传动比为50。这种传动方式曾用在LX470的VGRS装置中。

图1-77 应变波形齿轮式减速机构的一般工作原理（初始位置）波发生器输入、102齿环齿圈固定、100齿环齿圈输出时的初始位置

反之，将图1-77、图1-78中的100齿环齿圈固定不动，102齿环齿圈作为输出的话，那么电动机带动波发生器顺时针转动时，由于100齿环齿圈固定，挠性齿轮的齿数也为100，故挠性齿轮只变形而不再转动，102齿环齿圈就顺时针转过2个齿，即2/102圈，故传动比为+51。我们将此机构简化为图1-79所示的示意图，示意图的上半部分按波发生器椭圆的长轴方向展开，示意图的下半部分按波发生器椭圆的短轴方向展开。

图1-78 应变波形齿轮式减速机构的一般工作原理（波发生器转动一圈后）波发生器输入、102齿环齿圈固定、100齿环齿圈输出的情况下，波发生器转动一圈后

图1-79 VGRS减速机构传动示意图

用机械传动原理进行分析可知，此机构的运动特性方程式为：

n₁-βn₂-（1-β）n₃=0

式中 n₁——输入端环齿圈转速；

n₂——输出端环齿圈转速；

n₃——波发生器转速；

β——齿数比；，其中z₁为输入端环齿圈齿数，z₂为输出端环齿圈齿数。在这里，z₁=100，z₂=102，，如果波发生器不转动，则转向盘的输入经VGRS减速机构做了轻微的减速后输出，。可将前述的VGRS机构运动特性方程式变换为：

显然可用转角来代替转速，即：

式中 θ₁——转向盘转角；

θ₂——转向器小齿轮驱动短轴的转角；

θ₃——波发生器转角。

由于是波发生器不转动时转向盘的输入经减速传至转向器小齿轮驱动短轴的转角，是当转向盘不动时波发生器按传动比为51进行减速传动后的角度，故转向器小齿轮驱动短轴的最终转角是转向盘转角与波发生器转角的叠加。当波发生器电动机转动方向与驾驶员操纵的转向盘转动方向相同时，转向器小齿轮驱动短轴的最终转角将比单纯操作转向盘时转过的角度大，即转向车轮的偏转角度也增大；当波发生器电动机转动方向与驾驶员操纵的转向盘转动方向相反时，转向器驱动小齿轮轴的最终转角将比单纯操作转向盘时转过的角度小，即转向车轮的偏转角度也减小。

雷克萨斯LS460轿车的VGRS减速机构各部件的装配位置关系如图1-80所示。

图1-80 雷克萨斯LS460轿车的VGRS减速机构各部件的装配位置关系示意图

VGRS系统还包括可机械锁止电动机的锁止机构，发生故障时电动机将不再转动。壳体和输出轴组成一体。

锁止机构安装在电动机上，主要由固定在电动机轴上的锁架、安装在壳体上的锁杆和使锁杆工作的电磁阀组成，如图1-81所示。

图1-81 VGRS电动机锁止机构

锁止机构激活时，转向控制ECU切断至电磁阀的电流，且回位弹簧推动锁杆与锁架接触。然后，锁杆与锁架上的凹槽啮合以锁止电动机。锁止解除时，转向控制ECU接通至电磁阀的电流，从而使锁杆与锁架脱开并使电动机运转，如图1-82所示。

转向传动比可变控制原理：

图1-82 VGRS电动机锁止机构的工作原理

a.低速和中速范围。此系统使VGRS执行器在低速范围（需要减小对转向盘施加的力）或中速范围（需要车辆响应灵敏地正向转动）。

例如，如果驾驶员顺时针转动转向盘（即右转向），则转矩的传输如图1-83所示。为生成由转向控制ECU确定的执行器目标转动角度，VGRS执行器内的电动机顺时针转动。然后电动机的转动通过波发生器输入到减速机构内。传动比为1∶51，并按顺时针方向从输出轴输出。VGRS执行器的转动角度与转向盘转角输入效果叠加在一起。因此，输出轴顺时针转动角度减去转向盘转角即为VGRS执行器的转动角度。这样，前轮偏向右转动。

b.高速范围。在高速范围内（车辆反应无需过度灵敏），此系统的VGRS执行器反向轻微转动。

例如，如果驾驶员顺时针转动转向盘，则转矩的传输如图1-84所示。为生成由转向控制ECU确定的执行器目标转动角度，VGRS执行器内的电动机逆时针转动。然后，电动机的转动通过波发生器输入到减速机构内。传动比为1∶51，并按逆时针方向从输出轴输出。从转向盘转角减去VGRS执行器的转动角度。因此，转向盘转角减去输出轴顺时针转动角度即为VGRS执行器的转动角度。这样，前轮偏向右转动。

VGRS执行器反向转动的角度不会超过转向盘转角。

②转向控制ECU。转向控制ECU根据从防滑控制ECU得到的车速信号、由转向盘转角传感器信号获得的转向盘转角、转动方向信号在转向控制ECU中选择VGRS执行器转动角度数据。转向控制ECU根据以上信息控制VGRS执行器以获得合适的执行器目标转动角度。

转向控制ECU将所需的VGRS执行器的中间位置存储在存储器内。从而，转向控制ECU以中间为参考进行控制。而且，转向控制ECU持续地将VGRS执行器的转动角度存储在存储器内。断开蓄电池端子，存储器内的数据也不会清除。

转向控制ECU和防滑控制ECU进行协调控制，以根据接收的防滑控制ECU的信息控制转向齿轮，可使驾驶员轻松进行转向操作，从而实现极佳的车辆稳定性。

转向控制ECU根据悬架控制ECU发出的控制模式信号（COMFORT、NORMAL和SPORT）改变转向传动比，以优化车辆稳定性和灵敏性。但是，在COMFORT和NOR-MAL模式下，可使用相同的转向传动比控制。

图1-83 VGRS转向传动比可变控制原理（低、中速时）

转向控制ECU根据行驶辅助ECU发出的预碰撞控制信号改变转向传动比以确保车辆的灵敏性。

如果转向控制ECU检测到VGRS系统存在故障，则会采取失效保护控制。转向控制ECU内置有温度传感器，在过热时也会进行失效保护控制。另外，此ECU监视电动机工作电压的变化以检测电动机的过热情况。

当系统检测到转向角传感器故障、电动机故障、转向控制ECU故障、电动机电路故障、锁止机构电路故障、车速信号故障、防滑控制ECU通信信号故障时，系统将点亮主警告灯，多信息显示屏显示“CHECK VGRS”，蜂鸣器鸣响一次。当检测到电动机过热、转向控制ECU过热、PIG电源电压故障时，系统首先停止控制；当系统恢复正常后恢复正常控制，此时主警告灯不亮，多信息显示屏不显示“CHECK VGRS”。当VGRS电控系统发生故障时，可使用智能检测仪Ⅱ读取DTC。DTC可显示在组合仪表的多信息显示屏上。

图1-84 VGRS转向传动比可变控制原理（高速时）