李欣玉，梁品

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

輪速傳感器概述及可靠性測試方法研究

李欣玉，梁品

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

簡要介紹輪速傳感器在防抱死制動系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，分析兩種主流輪速傳感器的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。對現(xiàn)有零件級、整車級測試的不足之處，設(shè)計(jì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的臺架測試，經(jīng)過試驗(yàn)和售后分析對比，證明其可靠性，并最終應(yīng)用到現(xiàn)有研發(fā)項(xiàng)目中。

輪速傳感器；防抱死系統(tǒng)；可靠性測試；振動臺架試驗(yàn)

輪速傳感器用以測量車輪速度，并以電壓信號的形式，提供給汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP、牽引力控制系統(tǒng)TCS等安全系統(tǒng)使用，以提高汽車在緊急制動、駐車、越野等方面的性能。為了確保這些安全系統(tǒng)正常運(yùn)作，輪速傳感器必須精確測量車輪速度，同時(shí)確保非常高的可靠性。因此，在零件設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，選擇合適的輪速傳感器類型和可靠性測試至關(guān)重要。

1 輪速傳感器應(yīng)用

輪速傳感器如圖1所示，由頭部、線束、護(hù)套、波紋管、插接件和內(nèi)部線芯等組成。

使用輪速傳感器最典型的系統(tǒng)為ABS，它是由輪速傳感器、電控單元ECU、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ABS報(bào)警燈、制動壓力調(diào)節(jié)器、液壓泵、回油泵等）和制動系統(tǒng)組成［1］。

當(dāng)車輛行駛時(shí)，安裝于轉(zhuǎn)向節(jié)上的輪速傳感器頭部與隨車輪轉(zhuǎn)動的齒輪產(chǎn)生相對運(yùn)動，并通過檢測齒輪上的齒槽交替變化，產(chǎn)生波形信號，傳輸給ECU，ECU將根據(jù)接收到的輪速信號計(jì)算加速度和減速度，并且判斷是否需要啟動ABS功能。如果判斷車輛會被抱死（如緊急制動或是在濕滑路面制動），則輸出控制信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將調(diào)節(jié)制動器的制動力，從而實(shí)現(xiàn)車輪防抱死功能。

圖1 輪速傳感器組成

2 輪速傳感器分類

按照工作原理的不同，目前應(yīng)用的輪速傳感器主要分為被動式和主動式。

2.1 被動式輪速傳感器

被動式輪速傳感器基于電磁感應(yīng)原理，由一組穿過線圈的電磁鐵組成，其基本結(jié)構(gòu)及和齒輪的相對位置如圖2所示。

當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動，齒槽交替接近傳感器頭部時(shí)，傳感器所在閉合電路中的磁通量發(fā)生變化，從而使感應(yīng)電動勢產(chǎn)生周期性變化，輸出近似為零均值的正弦波電壓信號，其幅值受空氣間隙和車輪轉(zhuǎn)速影響，頻率則受齒輪的齒數(shù)和車輪轉(zhuǎn)速的影響［2］。如圖3所示，系統(tǒng)將模擬正弦波信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC，轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號，最終由脈沖信號的頻率變化來測量車輪速度。

圖2 被動式輪速傳感器與齒輪相對位置

被動式輪速傳感器的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，無需供電，且在高溫和高速情況下性能穩(wěn)定。但其缺點(diǎn)是抗電磁干擾性較弱，需要額外的頻率電壓轉(zhuǎn)換電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，且輸出信號幅值與速度有關(guān)，無法實(shí)現(xiàn)3 km／h以下的低速測量。

從設(shè)計(jì)和工藝控制的角度來說，被動式輪速傳感器尺寸大，需在轉(zhuǎn)向節(jié)上占據(jù)較多的布置空間，從而影響轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度；另外，被動式傳感器的工藝和生產(chǎn)控制要求復(fù)雜，成本較高。

2.2 主動式傳感器

主動式傳感器基于霍爾效應(yīng)［3］，原理如圖4所示?；魻栐ㄕ叫伟雽?dǎo)體）中通入恒定電流I，由于洛倫茨力F的存在，當(dāng)永磁體經(jīng)過霍爾元件時(shí)，元件內(nèi)部電子會產(chǎn)生一定偏差，此偏差由霍爾電壓UH測得，由此便可從閉合電路單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖信號數(shù)確定車輪速度。

圖3 被動式傳感器輸出正弦波電壓信號

圖4 霍爾效應(yīng)原理圖

如圖5所示，目前基于霍爾效應(yīng)的主動式輪速傳感器有2種：①當(dāng)為普通齒輪時(shí)，采用背磁式輪速傳感器設(shè)計(jì)；②當(dāng)齒輪為磁性輪時(shí)，采用無磁鐵式輪速傳感器設(shè)計(jì)。

主動式輪速傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：擁有更寬的空氣間隙范圍（傳感器允許的和齒輪之間的距離）；實(shí)現(xiàn)接近零速檢測；車輛行駛的方向檢測；更強(qiáng)的對外界磁場抗干擾性。

從設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝控制的角度來說，其尺寸小巧，質(zhì)量輕，在轉(zhuǎn)向節(jié)上占據(jù)的安裝空間小，且產(chǎn)品的模具成本低，開發(fā)周期短。

3 可靠性測試

圖5 2種主動式傳感器

輪速傳感器作為ABS的信號輸入單元，一旦損壞將直接導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，使車輛存在潛在的安全隱患。

因此，輪速傳感器的可靠性測試非常重要，主要可以分為零件級、整車級及針對關(guān)鍵高風(fēng)險(xiǎn)組件設(shè)計(jì)開發(fā)的臺架測試。

3.1 零件級

輪速傳感器零件級可靠性測試分為2部分。

1）電性能測試如：電壓啟動試驗(yàn)、反極性試驗(yàn)、過電壓試驗(yàn)、間歇性短路試驗(yàn)等，用以檢測其信號在復(fù)雜環(huán)境下抗干擾能力。

2）機(jī)械性能測試如：機(jī)械沖擊試驗(yàn)、隨機(jī)振動試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)等，用以檢查其機(jī)械性抗損傷能力。

3.2 整車級

輪速傳感器整車安裝示意如圖6所示。其頭部安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)上，通過護(hù)套或卡扣將線束部分安裝在底盤和車身上，最終通過插接件與整車線束對接。

圖6 輪速傳感器整車安裝示意圖

為了確保整個(gè)系統(tǒng)可以正常可靠地運(yùn)作，還需進(jìn)行整車級可靠性分析及測試。整車級可靠性分析測試可以分為以下2部分。

1）設(shè)計(jì)開發(fā)初期通過計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行底盤懸架及周邊零件的運(yùn)動包絡(luò)（圖7）分析，用以在檢查極限情況下是否干涉來模擬測試實(shí)車的可靠性。

2）設(shè)計(jì)開發(fā)中后期對不同試制階段的樣車進(jìn)行整車耐久試驗(yàn)，從而模擬客戶可能遇到的所有路況，包括高速環(huán)道、極限操控、砂石路面、泥漿路面、比利時(shí)路面測試等。

此外，不僅在常溫下進(jìn)行整車耐久試驗(yàn)，還需在極高溫和極低溫情況下測試夏季耐久試驗(yàn)和冬季耐久試驗(yàn)，用以模擬客戶真實(shí)使用工況。

整車級可靠性分析測試的優(yōu)點(diǎn)是可以結(jié)合其他零件的設(shè)計(jì)狀態(tài)，全面系統(tǒng)地驗(yàn)證零件的可靠性。缺點(diǎn)是樣本數(shù)量少、耗時(shí)久。如果在整車級試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題，再進(jìn)行設(shè)計(jì)變更的成本非常高。

圖7 底盤懸架運(yùn)動包絡(luò)

3.3 振動臺架試驗(yàn)

圖8 輪速傳感器線束斷裂X光斷口檢測圖

輪速傳感器線束跨越底盤和車身，行駛過程中線束隨懸架與車身產(chǎn)生相對運(yùn)動，同時(shí)由于位于轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)上，伴隨著線束內(nèi)部之間的扭轉(zhuǎn)，工作環(huán)境尤為惡劣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，輪速傳感器售后回運(yùn)件中約90%的故障為線束斷裂，故障件X光斷口檢測圖如圖8所示。由于整車級測試樣本量少和耗時(shí)久的原因，此類故障往往不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

為了彌補(bǔ)整車試驗(yàn)的缺點(diǎn)，能夠在項(xiàng)目開發(fā)階段真實(shí)模擬輪速傳感器在實(shí)車上的工作狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)潛在問題，從而設(shè)計(jì)開發(fā)了振動臺架進(jìn)行試驗(yàn)。臺架開發(fā)試驗(yàn)分為臺架搭建和有效性檢測2部分。

1）臺架搭建如圖9所示，臺架根據(jù)實(shí)車3D數(shù)模輪速傳感器和懸架的相對位置，模擬車輛在吊起、落地及懸架中值狀態(tài)下左右轉(zhuǎn)彎工況的極限位置。

圖9 線束動態(tài)區(qū)域3D極限位置

振動臺架結(jié)構(gòu)如圖10所示。包含輪速傳感器線束、避震支架、驅(qū)動懸架、左右扭動及上下振動的氣缸、振動臺、振動臺面和綜合環(huán)境箱等輔助器件。臺架模擬實(shí)車振動頻率，在高低溫交變的試驗(yàn)環(huán)境下，完成疲勞耐久可靠性測試。

2）臺架有效性檢測為了驗(yàn)證臺架有效性，以現(xiàn)有某車型為基礎(chǔ)，對其16根輪速傳感器進(jìn)行臺架搭建及試驗(yàn)，對試驗(yàn)后的零件進(jìn)行了X光斷口檢測，復(fù)現(xiàn)了該車型輪速傳感器失效模式，其斷口與售后失效零件斷口位置相同，證明了臺架試驗(yàn)的有效性。

根據(jù)現(xiàn)有失效斷裂問題進(jìn)行分析，找到扭曲應(yīng)力點(diǎn)，進(jìn)而對該項(xiàng)目輪速傳感器設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化和臺架驗(yàn)證。通過監(jiān)控新零件在該項(xiàng)目的售后表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，其售后失效比降低了70%，從實(shí)車使用角度充分證明了臺架試驗(yàn)的可靠性和必要性。

圖10 振動臺架結(jié)構(gòu)

4 總結(jié)及前景分析

本文針對現(xiàn)有零件級、整車級測試的不足之處專門設(shè)計(jì)了高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的臺架測試。經(jīng)過試驗(yàn)和售后分析對比，證明了臺架設(shè)計(jì)的有效性并應(yīng)用到現(xiàn)有項(xiàng)目中。降低了測試和工程設(shè)計(jì)變更的時(shí)間和成本。

隨著技術(shù)發(fā)展，會有更為全面的測試臺架，不僅可模擬輪速傳感器在實(shí)車上的極限運(yùn)動狀態(tài)和疲勞壽命，同時(shí)也能將工作狀態(tài)以數(shù)據(jù)和圖像等形式輸出至采集設(shè)備，從數(shù)據(jù)角度進(jìn)一步驗(yàn)證輪速傳感器的整車使用可靠性。

另外，針對不同的車型和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)可以調(diào)節(jié)的臺架，可使用不同的測試速度、不同的齒輪、換裝不同的輪速傳感器等，從而擴(kuò)展臺架的跨車型共用性，減少臺架搭建所需的時(shí)間和成本。

［1］麻友良，丁衛(wèi)東.汽車電器與電子控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：364-365.

［2］孫駿，陳彥夫.汽車ABS輪速傳感器性能測試系統(tǒng)的研究［J］.汽車工程，2007，29（8）：698-699.

［3］丁鑫.乘用車輪速傳感器概述及布置方式研究［J］.上海汽車，2015（12）：49-51.

（編輯 楊景）

Study on W heel Speed Sensor and Reliability Testing M ethods

LI Xin-yu，LIANG Pin
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd.，Shanghai 201201，China）

This article briefly describes its typical application in anti-lock braking system，analyzes basic principles and characteristics of two main kinds of wheel speed sensors.For current deficiencies in parts and vehicles level reliability testing methods，a new bench test is developed for high-risk area.Through validation and after-sale analysis，it is proved to be reliable and finally used in project development.

wheel speed sensor；anti-lock braking system（ABS）；reliability test；vibration bench test

U463.6

A

1003－8639（2016）08－0055－03

2016-06-08

李欣玉（1992-），女，上海人，工程師，從事汽車電子零件設(shè)計(jì)開發(fā)工作；梁品（1982-），男，江蘇人，工程師，碩士，從事汽車電子零件設(shè)計(jì)開發(fā)工作。