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(xué)，機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于襄陽(yáng)達(dá)安汽車(chē)檢測(cè)中心有限公司，任輔助工程師，研究方向?yàn)檎?chē)性能試驗(yàn)。

摘? 要：提出了一種快速調(diào)整方向盤(pán)測(cè)量?jī)x中心位置的裝置。由于實(shí)際整車(chē)方向盤(pán)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(rèn)，同時(shí)由于轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x安裝不便，當(dāng)其不能與原車(chē)方向盤(pán)同軸安裝時(shí)，易產(chǎn)生角度測(cè)量誤差，而機(jī)械硬件方面的誤差又不可避免。為了盡可能減小測(cè)量誤差，提高試驗(yàn)準(zhǔn)確度，本文從理論和實(shí)際兩方面對(duì)偏心距所測(cè)試轉(zhuǎn)角的影響進(jìn)行了具體分析研究，同時(shí)提出了改進(jìn)裝置。本文所設(shè)計(jì)的改進(jìn)裝置具有安裝簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：偏心距;誤差分析;偏心距調(diào)整裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：O59? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：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(cè)技術(shù)的發(fā)展，整車(chē)性能研究也進(jìn)行得越來(lái)越深入，橫擺角速度與側(cè)向加速度相對(duì)關(guān)系的研究對(duì)包括車(chē)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(pán)轉(zhuǎn)角輸入，所以精確的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量是對(duì)于整車(chē)性能研究的重要基礎(chǔ)。

由于實(shí)際整車(chē)方向盤(pán)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(rèn)，同時(shí)由于方向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x安裝不便，當(dāng)其不能與原車(chē)方向盤(pán)同軸安裝時(shí)，易產(chǎn)生角度測(cè)量誤差，而機(jī)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(yàn)準(zhǔn)確度，本文從理論和實(shí)際兩方面對(duì)偏心距所測(cè)試轉(zhuǎn)角的影響進(jìn)行具體分析研究，同時(shí)提出了改進(jìn)裝置。本文所設(shè)計(jì)的改進(jìn)裝置具有安裝簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

1? ? 非同軸安裝對(duì)轉(zhuǎn)角測(cè)量影響的理論分析

方向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x由四部分構(gòu)成，方向盤(pán)內(nèi)部力矩轉(zhuǎn)角傳感器、角度基準(zhǔn)桿、卡爪、伸縮節(jié)。如圖1所示：

角度基準(zhǔn)桿、卡爪、伸縮節(jié)均為固定方向盤(pán)力矩轉(zhuǎn)角傳感器的機(jī)械裝置。角度基準(zhǔn)桿一端是帶球關(guān)節(jié)的吸盤(pán)，通常吸附于車(chē)內(nèi)某一相對(duì)固定位置，另一端則為與轉(zhuǎn)向盤(pán)本體相吸附用于固定轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x殼體的圓柱狀稀土磁鋼，如果角度基準(zhǔn)桿上的應(yīng)力過(guò)大，基準(zhǔn)桿上的磁鋼和轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x殼體的磁鋼將會(huì)脫開(kāi)。

目前方向盤(pán)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(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機(jī)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(pán)和光電檢測(cè)裝置構(gòu)成，在伺服系統(tǒng)中，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸致使電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)光柵盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)光電檢測(cè)裝置輸出若干個(gè)脈沖信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)的每秒脈沖數(shù)便可計(jì)算當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動(dòng)角度[1-2]。

方向盤(pán)內(nèi)部力矩轉(zhuǎn)角傳感器由兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的部件構(gòu)成，測(cè)試過(guò)程中，內(nèi)部轉(zhuǎn)子跟隨所測(cè)試方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，定子是被角度基準(zhǔn)桿所固定的轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x殼體，它與基準(zhǔn)桿之間用磁鋼相連接。

當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x與汽車(chē)方向盤(pán)未能同軸安裝時(shí)，磁鋼之間可以有微小相對(duì)位移，定子可沿著基準(zhǔn)桿方向移動(dòng)，并且移動(dòng)距離和轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以在較小范圍內(nèi)改變。

偏心狀態(tài)下，方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)90°的時(shí)候，二維簡(jiǎn)化圖如圖2所示：

當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)90°的時(shí)候，∠AOD=90°，而方向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x轉(zhuǎn)過(guò)的角度為∠ABD，方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角測(cè)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(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x轉(zhuǎn)過(guò)的角度∠ABD比方向盤(pán)實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度∠ABD多∠BAO，因此，∠BAO為誤差來(lái)源。

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

（1）

在實(shí)際試驗(yàn)中，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x半徑為85mm，以偏心量為5mm為例。

規(guī)定方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸回正位置為轉(zhuǎn)角零點(diǎn)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，當(dāng)∠AOD角度為0°、30°、60°、90°、120°、150、180°時(shí)，∠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(shí)際旋轉(zhuǎn)角度∠AOD之間的相關(guān)關(guān)系如圖4所示[3]。

可見(jiàn)原車(chē)方向盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，∠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(pán)力矩轉(zhuǎn)角傳感器屬于增量式編碼器，其無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置，增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)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(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其計(jì)數(shù)起點(diǎn)任意設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)多圈無(wú)限累加和測(cè)量。還可以把每轉(zhuǎn)發(fā)出一個(gè)脈沖的Z信號(hào)，作為參考機(jī)械零位。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會(huì)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(dāng)偏心量為5mm時(shí)，使用MATLAB進(jìn)行積分得到最大誤差結(jié)果為6.7°。

通過(guò)計(jì)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(cè)量探究與調(diào)整方案

為支持上述理論分析，通過(guò)研究，設(shè)計(jì)出偏心距測(cè)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(diǎn)C，做垂線垂直與圓B，距離為L(zhǎng)，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(jì)出偏心距調(diào)整裝置如圖6：

裝夾到方向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x的實(shí)況建模圖如圖7：

實(shí)際安裝圖如圖8：

通過(guò)游標(biāo)卡尺（精度±0.02mm）測(cè)量與滑塊機(jī)構(gòu)調(diào)整，偏心距調(diào)整可精確至≤1mm。

3? ? 非同軸安裝對(duì)轉(zhuǎn)角測(cè)量的實(shí)際的影響

基于上述方案，通過(guò)論證及驗(yàn)證掌握了偏心距測(cè)量及調(diào)整方法，從而設(shè)計(jì)出方向盤(pán)偏心轉(zhuǎn)角測(cè)量方法。

試驗(yàn)設(shè)備如表2。

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

實(shí)驗(yàn)原理：通過(guò)陀螺儀校準(zhǔn)系統(tǒng)精準(zhǔn)控制方向盤(pán)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度，利用游標(biāo)卡尺人為控制偏心距，同時(shí)轉(zhuǎn)向力角測(cè)試儀連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觀察方向盤(pán)傳感器所測(cè)出的角度曲線，得到的實(shí)際結(jié)果為表3：

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

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

與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以看出偏心距對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，在偏心距較大的情況下，不能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

4? ? 結(jié)論

1）偏心安裝對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)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(mǎn)足試驗(yàn)精度要求。

2）偏心量越大，方向盤(pán)力矩轉(zhuǎn)角傳感器與角度基準(zhǔn)桿相連接的圓柱狀稀土磁鋼之間的相對(duì)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(yàn)當(dāng)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(yàn)結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]舒望.基于光電編碼器的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器[J].機(jī)電工程技術(shù)，2015，44（08）：114-116.

[2]肖敏，于曉東.基于巨磁電阻的高精度方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器研究[J].電子世界，2015（22）：87-88.

[3]韓素超，孫若男，張藏根，張繼超，王昊蘇，谷海燕，金龍.浮動(dòng)式汽車(chē)轉(zhuǎn)向角測(cè)試臺(tái)校準(zhǔn)方法[J].工業(yè)計(jì)量，2021，31（05）：15-16.DOI：10.13228/j.boyuan.issn1002-1183.2021.0004.

[4]何潤(rùn)東，潘盛輝，韓峻峰，孟德良.方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（19）：116-118.DOI：10.16652/j.issn.1004-373x.2011.19.059.

[5]朱振華，鄭祥凱，呂瓊瑩，王一凡.全向電動(dòng)底盤(pán)轉(zhuǎn)向角度的檢測(cè)與控制[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，39（02）：46-50.

[6]唐艷，侯力，杜晨蕊，張健權(quán).基于Matlab的EPS轉(zhuǎn)向角度跟隨特性仿真分析與研究[J].煤礦機(jī)械，2011，32（05）：61-64.DOI：10.13436/j.mkjx.2011.05.136.