方向盤轉(zhuǎn)角測量儀非同軸安裝對試驗結(jié)果的影響研究

劉方圓 陳爍 廖春虎 呂渤 趙明軍

劉方圓

畢業(yè)于華南理工大學，機械與汽車工程學院車輛工程專業(yè)，本科學歷，現(xiàn)就職于襄陽達安汽車檢測中心有限公司，任輔助工程師，研究方向為整車性能試驗。

摘? 要：提出了一種快速調(diào)整方向盤測量儀中心位置的裝置。由于實際整車方向盤多為聚氨酯泡沫包裹件，形位精度較低，幾何旋轉(zhuǎn)中心難以確認，同時由于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角測量儀安裝不便，當其不能與原車方向盤同軸安裝時，易產(chǎn)生角度測量誤差，而機械硬件方面的誤差又不可避免。為了盡可能減小測量誤差，提高試驗準確度，本文從理論和實際兩方面對偏心距所測試轉(zhuǎn)角的影響進行了具體分析研究，同時提出了改進裝置。本文所設(shè)計的改進裝置具有安裝簡單，調(diào)整方便，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：偏心距;誤差分析;偏心距調(diào)整裝置

中圖分類號：O59? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）03-0077-05

Influence of Non Coaxial Installation of Steering Wheel Angle Measuring Instrument on Test Results

LIU Fang-yuan， CHEN Shuo， LIAO Chun-hu， LV Bo， ZHAO Ming-jun

（ Xiangyang Da 'an Automobile Testing Center Co.， LTD， Xiangyang 441100， China）

Abstract： A device for quickly adjusting the center position of steering wheel measuring instrument has been proposed. Due to the fact that there is flexible PU foam packages on the steering wheel of the vehicle， the shape and position accuracy is low， and it is difficult to confirm the geometric rotation center. At the same time， the installation of the steering wheel angle measuring instrument is inconvenient. When it is not installed coaxially with the steering wheel of the original vehicle， it is easy to produce angle measurement error， and the error in mechanical hardware is inevitable. In order to reduce the error as much as possible and improve the test accuracy， In this paper， the influence of eccentricity on the measured angle has been analyzed and studied theoretically and practically， and an improved device has been proposed. The improved device has the advantages of simple installation， convenient adjustment and stable performance.

Key? Words： Eccentricity; Error Analysis; Eccentricity Adjusting Device

隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，整車性能研究也進行得越來越深入，橫擺角速度與側(cè)向加速度相對關(guān)系的研究對包括車輛操縱穩(wěn)定性、ESC等性能具有重要意義，橫擺角速度與側(cè)向加速度源于方向盤轉(zhuǎn)角輸入，所以精確的方向盤轉(zhuǎn)角測量是對于整車性能研究的重要基礎(chǔ)。

由于實際整車方向盤多為軟質(zhì)聚氨酯泡沫包裹件，形位精度較低，幾何旋轉(zhuǎn)中心難以確認，同時由于方向盤轉(zhuǎn)角測量儀安裝不便，當其不能與原車方向盤同軸安裝時，易產(chǎn)生角度測量誤差，而機械硬件方面的誤差又不可避免。為了盡可能減小誤差，提高試驗準確度，本文從理論和實際兩方面對偏心距所測試轉(zhuǎn)角的影響進行具體分析研究，同時提出了改進裝置。本文所設(shè)計的改進裝置具有安裝簡單，調(diào)整方便，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

1? ? 非同軸安裝對轉(zhuǎn)角測量影響的理論分析

方向盤轉(zhuǎn)角測量儀由四部分構(gòu)成，方向盤內(nèi)部力矩轉(zhuǎn)角傳感器、角度基準桿、卡爪、伸縮節(jié)。如圖1所示：

角度基準桿、卡爪、伸縮節(jié)均為固定方向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器的機械裝置。角度基準桿一端是帶球關(guān)節(jié)的吸盤，通常吸附于車內(nèi)某一相對固定位置，另一端則為與轉(zhuǎn)向盤本體相吸附用于固定轉(zhuǎn)角測量儀殼體的圓柱狀稀土磁鋼，如果角度基準桿上的應力過大，基準桿上的磁鋼和轉(zhuǎn)角測量儀殼體的磁鋼將會脫開。

目前方向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器內(nèi)部使用的大部分為光電編碼器，其工作原理為光電轉(zhuǎn)換，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換為脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置構(gòu)成，在伺服系統(tǒng)中，光柵盤與電動機同軸致使電動機的旋轉(zhuǎn)帶動光柵盤的旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)光電檢測裝置輸出若干個脈沖信號，根據(jù)該信號的每秒脈沖數(shù)便可計算當前電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動角度[1-2]。

方向盤內(nèi)部力矩轉(zhuǎn)角傳感器由兩個相對轉(zhuǎn)動的部件構(gòu)成，測試過程中，內(nèi)部轉(zhuǎn)子跟隨所測試方向盤的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，定子是被角度基準桿所固定的轉(zhuǎn)角測量儀殼體，它與基準桿之間用磁鋼相連接。

當方向盤轉(zhuǎn)角測量儀與汽車方向盤未能同軸安裝時，磁鋼之間可以有微小相對位移，定子可沿著基準桿方向移動，并且移動距離和轉(zhuǎn)動角度可以在較小范圍內(nèi)改變。

偏心狀態(tài)下，方向盤轉(zhuǎn)動90°的時候，二維簡化圖如圖2所示：

當方向盤轉(zhuǎn)動90°的時候，∠AOD=90°，而方向盤轉(zhuǎn)角測量儀轉(zhuǎn)過的角度為∠ABD，方向盤轉(zhuǎn)向角測試儀內(nèi)部定子由AO線轉(zhuǎn)到AB線，轉(zhuǎn)子由OA線轉(zhuǎn)至BD線，如圖3所示：

方向盤轉(zhuǎn)角測量儀轉(zhuǎn)過的角度∠ABD比方向盤實際轉(zhuǎn)過的角度∠ABD多∠BAO，因此，∠BAO為誤差來源。

已知安裝偏心量為OB ，方向盤轉(zhuǎn)向角測試儀定子半徑為AB。 根據(jù)正弦定理得：

（1）

在實際試驗中，方向盤轉(zhuǎn)角測量儀半徑為85mm，以偏心量為5mm為例。

規(guī)定方向盤旋轉(zhuǎn)軸回正位置為轉(zhuǎn)角零點，逆時針轉(zhuǎn)動為正，當∠AOD角度為0°、30°、60°、90°、120°、150、180°時，∠BAO角度為0°、1.68°、2.92°、3.37°、2.92°、1.68°、0°。

根據(jù)上式用MATLAB作圖，誤差角度∠BAO與實際旋轉(zhuǎn)角度∠AOD之間的相關(guān)關(guān)系如圖4所示[3]。

可見原車方向盤逆時針轉(zhuǎn)動時，∠BAO先增大后變小。利用MATLAB求得∠BAO度數(shù)最大的位置為91°。

而方向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器屬于增量式編碼器，其無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置，增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，有相應的脈沖輸出，其旋轉(zhuǎn)方向的判別和脈沖數(shù)量的增減借助后部的判向電路和計數(shù)器來實現(xiàn)。其計數(shù)起點任意設(shè)定，可實現(xiàn)多圈無限累加和測量。還可以把每轉(zhuǎn)發(fā)出一個脈沖的Z信號，作為參考機械零位。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定[4-5]。

它的內(nèi)部原理決定了其造成的誤差是累積的，當偏心量為5mm時，使用MATLAB進行積分得到最大誤差結(jié)果為6.7°。

通過計算，不同的偏心安裝量和最大角度誤差的關(guān)系如表 1所示：

2? ? 偏心距測量探究與調(diào)整方案

為支持上述理論分析，通過研究，設(shè)計出偏心距測量與調(diào)整方案。

如圖5圓A與圓B存在偏心距，取圓外任意一點C，做垂線垂直與圓B，距離為L，旋轉(zhuǎn)圓A，記錄任意位置L’數(shù)據(jù)，則偏心距為（L’max-L’min）/2。

基于上述理論，參考設(shè)計出偏心距調(diào)整裝置如圖6：

裝夾到方向盤轉(zhuǎn)角測量儀的實況建模圖如圖7：

實際安裝圖如圖8：

通過游標卡尺（精度±0.02mm）測量與滑塊機構(gòu)調(diào)整，偏心距調(diào)整可精確至≤1mm。

3? ? 非同軸安裝對轉(zhuǎn)角測量的實際的影響

基于上述方案，通過論證及驗證掌握了偏心距測量及調(diào)整方法，從而設(shè)計出方向盤偏心轉(zhuǎn)角測量方法。

試驗設(shè)備如表2。

通過陀螺儀校準系統(tǒng)控制輸入高精度轉(zhuǎn)角，通過偏心距測量及調(diào)整裝置控制轉(zhuǎn)向力角測試儀與陀螺儀校準系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)中心偏移程度，再通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)向力角測試儀輸出轉(zhuǎn)角，從而驗證偏心距對轉(zhuǎn)角測量的影響[6]，如圖9所示：

實驗原理：通過陀螺儀校準系統(tǒng)精準控制方向盤實際轉(zhuǎn)動角度，利用游標卡尺人為控制偏心距，同時轉(zhuǎn)向力角測試儀連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觀察方向盤傳感器所測出的角度曲線，得到的實際結(jié)果為表3：

該試驗存在以下誤差：偏心距設(shè)置誤差，基準桿未能完全固定轉(zhuǎn)角測試儀輕微轉(zhuǎn)動所造成的誤差，系統(tǒng)誤差等，故與理論計算數(shù)值有微小差距。

在GBT6323-2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》中，方向盤轉(zhuǎn)角要求精度如表4所示：

與試驗結(jié)果對比，可以看出偏心距對試驗結(jié)果影響較大，在偏心距較大的情況下，不能滿足試驗要求。

4? ? 結(jié)論

1）偏心安裝對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角測量有影響，偏心量越大，角度誤差越大，在偏心量較大的情況下，不能滿足試驗精度要求。

2）偏心量越大，方向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器與角度基準桿相連接的圓柱狀稀土磁鋼之間的相對位移越大，可據(jù)此判斷是否已做到同軸安裝。

3）在要求精度比較高的試驗當中，可采用文中所制作的偏心距調(diào)整裝置，以得到較為精確的試驗結(jié)果。

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