轉向盤力矩轉角傳感器非同軸安裝誤差分析

唐光華 程衛紅 廖春虎 李遵義

摘要：轉向盤力矩轉角傳感器是一款專門用于轉向盤參數測量的設備，由于傳感器結構的設計缺陷會導致非同軸安裝時產生角度測量誤差。本文針對非同軸安裝后的機構對轉向盤轉矩以及對轉向盤轉角測量的影響進行了詳細地分析。對最大角度誤差出現的位置，最大角度誤差和偏心量之間的關系，角度基準桿長度變化和轉向盤轉角的對應關系以及基準桿長度變化量的最值進行了求解。

關鍵詞：轉向盤力矩轉角傳感器;非同軸安裝;機構分析;誤差分析;最大測角誤差

中圖分類號：U463.4 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）02-0042-06

唐光華

畢業于湖北汽車工業學院車輛工程專業，工學學士，現任國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽）項目管理工程師。

1前言

轉向盤力矩轉角傳感器是一款專門用于轉向盤參數測量的設備，如圖1所示。可以使用該傳感器直接或間接地獲取轉向盤轉動過程中所產生的轉向盤力矩、轉向盤轉角、轉向力和轉向角速度等數據。方向盤力矩轉角傳感器內部一般使用光電編碼器域旋轉電位器對轉角進行測量，同時需要一個固定在車體上的的角度基準桿來測量內部的測角傳感器相對車體的轉動角度。傳感器使用以應變電阻為核心的應變軸對轉矩進行測量。

《GB/rr6323-2014汽車操縱穩定性試驗方法》對轉向盤轉角、轉向盤角速度和轉向盤力矩的測量范圍和記錄系統的最大誤差進行了限定。因為試驗對設備精度要求較高，所以有必要對影響精度的因素進行研究。

2轉向盤力矩轉角傳感器偏心安裝機構分析

為了方便研究傳感器與原車方向盤和車身組成的機構運動情況，以下使用機構運動簡圖來分析該傳感器安裝后的運動，機構理想的運動簡圖如圖2所示：

在該圖中方向盤力矩轉角傳感器和原車方向盤都被簡化成了螺旋副，只剩一個轉動的自由度。方向盤力矩轉角傳感器和原車方向盤之間同軸安裝，沒有偏心量。傳感器下部的過渡支架和原車方向盤固連在了一起。角度基準桿將傳感器相對原車方向盤轉動的部分和車體橋接。

該空間機構由一個轉動的活動構件和一個V級螺旋副組成，則該空間機構的自由度網為

由（1）式可知，在理想的同軸安裝狀態下只有一個轉動的自由度，原車方向盤轉動的角度和傳感器測量的角度沒有原理上的誤差。

方向盤力矩轉角傳感器在實際使用過程中大多被安裝在原車方向盤上，傳感器的下部設計了一個能夠固定在原車方向盤盤圈上的夾具，考慮到夾具的通用性，該夾具被設計成了伸縮可調的結構，但是這種結構設計難以保證傳感器和原車方向盤之間的同軸安裝精度，即傳感器的轉動中心和原車方向盤之間存在一個偏心量e。實際使用工況的機構簡圖如圖3所示：

在這種工況中，整個機構退化為了一個構件，自由度為0。如果轉動方向盤會使機構產生內部應力，轉動過程也比較困難，強行轉動方向盤會使機構內部產生形變，啟動轉矩已經遠遠超過國標中對力矩精度的要求。

原車方向盤的轉軸和傳感器的轉軸由于不同軸形成了一個曲軸。所以固定在這個“曲軸”上的角度基準桿隨著“曲軸”轉動發生擺動而且長度也會發生伸縮。為了解決上述問題，角度基準桿的主體被設計成了多節可伸縮結構，確保長度可以變化。角度基準桿的一端是帶球關節的吸盤，另一端采用了圓柱狀稀土磁鋼，如果角度基準桿上的應力過大，會使基準桿上的磁鋼和傳感器本體上的磁鋼脫開。機構運動簡圖如圖4所示。

在上述機構中有四個運動構件，分別是1一轉軸，2一傳感器相對原車方向盤轉動部分，3一角度基準桿連接傳感器部分，4一角度基準桿連接前擋玻璃部分。A、B處為兩個V級螺旋副，僅有繞軸轉動的自由度，C處為一個Ⅲ級副，此處有沿軸移動和繞軸、軸轉動的自由度，D處是一個V級副，E處是一個Ⅲ級副，則該空間結構的自由度為

機構中傳感器的轉動自由度和角度基準桿的伸縮以及角度基準桿繞y軸的轉動是獨立的，但是角度基準桿的伸縮以及角度基準桿繞y軸的轉動自由度對角度測量沒有影響，所以還剩下一個和轉角測量相關的轉動自由度。

3非同軸安裝對轉向盤力矩的影響

駕駛員用雙手操作轉向盤力矩轉角傳感器時施加在傳感器上的是一個力偶矩。力偶對任一點的矩都等于力偶矩M（F，F），而且與矩心位置無關。所以施加在傳感器轉動中心和原車方向盤轉動中心是一樣的。

圖5力偶M（F，F）對原車方向盤轉動中心的矩

在上述結果中可以看出，在左半周誤差最大的角度不是出現在θ1=90°時，而是出現在略小于90°的位置。

通過計算，不同的偏心安裝量和最大角度誤差的關系如表1所示，表中參數均使用AO=508mm計算。

表格數據導入Excel，得到最大角度誤差和偏心量的關系曲線，如圖9所示。從曲線上可以明顯的看出，最大角度誤差和偏心量成正比。

假設偏心量為10mm，則角度基準桿變化量和角度之間的關系如圖11所示：5結論

1）方向盤力矩轉角傳感器和原車方向盤偏心安裝時對轉向盤轉矩測量沒有影響;

2）偏心安裝對轉向盤轉角和轉向角速度測量有影響，偏心量越大，平均角度誤差和最大角度誤差都越大;

3）方向盤力矩轉角傳感器安裝時確保同軸度偏差越小越好;

4）拆掉原車方向盤，可以徹底避免偏心安裝帶來的誤差。