汽車(chē)轉(zhuǎn)向參數(shù)智能檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與制作

孫厚晨 吳彥宏 宋震

摘要：汽車(chē)操縱性穩(wěn)定性是汽車(chē)重要的性能之一，方向盤(pán)是駕駛員操縱汽車(chē)的主要部件之一，其對(duì)汽車(chē)操穩(wěn)性能的影響不言而喻。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要定期用方向盤(pán)轉(zhuǎn)向力-轉(zhuǎn)向角檢測(cè)儀檢測(cè)方向盤(pán)“最大轉(zhuǎn)向力”和“自由轉(zhuǎn)角”。本文旨在研發(fā)一款裝夾方便，操縱簡(jiǎn)單，而且準(zhǔn)確性高的方向盤(pán)轉(zhuǎn)向力-轉(zhuǎn)向角檢測(cè)儀，建立檢測(cè)儀編碼器裝夾位置分析模型，分析編碼器安裝“偏心”距離對(duì)轉(zhuǎn)向角檢測(cè)準(zhǔn)確性的影響，確立了轉(zhuǎn)向角檢測(cè)理論基礎(chǔ)。建立力傳感器安裝位置分析模型，并對(duì)安裝位置導(dǎo)致的力矩誤差進(jìn)行了定量分析，確定裝夾部分采用“雙伸縮臂式”方案，以使偏心距離盡量小，設(shè)計(jì)檢測(cè)儀整體機(jī)械機(jī)構(gòu)，并用UG畫(huà)出三維模型，仿真出運(yùn)動(dòng)和裝夾效果。設(shè)計(jì)出合理鎖緊機(jī)構(gòu)，保證裝夾緊固。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明對(duì)轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向角標(biāo)定” 、“轉(zhuǎn)向力-轉(zhuǎn)向角檢測(cè)”、 “自由轉(zhuǎn)角檢測(cè)” 、“最大轉(zhuǎn)向力檢測(cè)”進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果證明檢測(cè)儀對(duì)轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向角的檢測(cè)滿足檢定規(guī)程的要求。

關(guān)鍵詞：汽車(chē) 轉(zhuǎn)向參數(shù) 智能 檢測(cè)儀 設(shè)計(jì) 制作

中圖分類(lèi)號(hào)：U467文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1模型的設(shè)計(jì)與制作前的準(zhǔn)備與制作

1.1研究目標(biāo)

在電子控制的基礎(chǔ)上發(fā)展研究并結(jié)合了電子顯示技術(shù)、數(shù)據(jù)交換技術(shù)、ECU傳感器等尖端技術(shù)解決人們?cè)凇稗D(zhuǎn)向力-轉(zhuǎn)向角”、“自由轉(zhuǎn)角”、“最大轉(zhuǎn)向力”檢測(cè)時(shí)遇到的問(wèn)題，讓更多的技術(shù)人員輕松方便的檢測(cè)汽車(chē)方向盤(pán)的自由轉(zhuǎn)角、方向盤(pán)操縱力參數(shù)。

1.2背景分析

（1）汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的介紹。汽車(chē)轉(zhuǎn)向器又名轉(zhuǎn)向機(jī)、方向機(jī)，它是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系中最重要的部件。用以將發(fā)動(dòng)機(jī)（或電機(jī)）輸出的部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能，并在駕駛員控制下，對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置或轉(zhuǎn)向器中某一傳動(dòng)件施加不同方向的液壓或氣壓作用力，以助駕駛員施力不足的一系列零部件，總稱(chēng)為動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。

（2）實(shí)地調(diào)研。通過(guò)對(duì)樣本中人員的調(diào)查，得到以下數(shù)據(jù)：在調(diào)查的100人當(dāng)中有35個(gè)人認(rèn)為在數(shù)據(jù)精確度方面存在誤差；而有15個(gè)人認(rèn)為在操作的便利性存在問(wèn)題；有20個(gè)人覺(jué)得在數(shù)據(jù)顯示屏方面存在不清晰的問(wèn)題；還有30個(gè)人認(rèn)為價(jià)格過(guò)于昂貴；

2汽車(chē)轉(zhuǎn)向參數(shù)智能檢測(cè)儀模型的概述

2.1儀器組成

本儀器可以測(cè)量方向盤(pán)的自由轉(zhuǎn)角、原地轉(zhuǎn)向力、方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩/操縱力、轉(zhuǎn)角和其他靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，并具有RS232接口，可與計(jì)算機(jī)和其他檢測(cè)設(shè)備一起構(gòu)成靈活的智能化檢測(cè)系統(tǒng)。

儀器整機(jī)電路設(shè)計(jì)采用微處理器作為測(cè)試數(shù)據(jù)處理單元，高亮度數(shù)碼管作為測(cè)試數(shù)據(jù)顯示器件，具有測(cè)試數(shù)據(jù)精確、顯示直觀、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)；并可選配無(wú)線傳輸模塊，可方便地與其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通訊；儀器外形美觀、使用方便；測(cè)試結(jié)果既可由顯示屏直接顯示輸出也可通過(guò)RS232接口發(fā)往計(jì)算機(jī)由主控計(jì)算機(jī)處理輸出，整個(gè)過(guò)程連接靈活，操作使用方便。

該檢測(cè)儀在測(cè)試中自動(dòng)存儲(chǔ)本次測(cè)試過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角的最大值以及其當(dāng)時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角值和轉(zhuǎn)矩值。用戶也可以在測(cè)試過(guò)程中將當(dāng)前的測(cè)試值實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)起來(lái)（關(guān)機(jī)后，數(shù)據(jù)依舊存在，除非開(kāi)機(jī)后，按“清楚”鍵，將數(shù)據(jù)清除掉）。儀器既可以顯示扭矩值（N.m），也可以切換為顯示力值（N）。如圖1-1所示。

圖1-1 汽車(chē)轉(zhuǎn)向參數(shù)智能檢測(cè)儀模型圖

2.2檢測(cè)原理

檢測(cè)儀上裝有方向盤(pán)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)次方向盤(pán)時(shí)會(huì)給力傳感器施加扭矩，以此測(cè)得轉(zhuǎn)向力矩。 利用掛線一端固定在擋風(fēng)玻璃上，另一端固定在編碼器上，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)儀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，拉線位置不變，即可測(cè)得轉(zhuǎn)向角利用裝在檢測(cè)儀一端的梁式力傳感器直接測(cè)得轉(zhuǎn)向力。利用電子轉(zhuǎn)換器輸出轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，再通過(guò)對(duì)角速度得到轉(zhuǎn)向角，通過(guò)電子顯示器顯示。

2.3裝夾裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用三臂固定方式，更加穩(wěn)定。中心轉(zhuǎn)盤(pán)可以和扭簧連在一起，利用扭簧的扭力自動(dòng)收縮伸縮臂卡緊到方向盤(pán)上。 當(dāng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)盤(pán)時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)伸縮臂及卡爪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)收縮動(dòng)作；與此相反，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)盤(pán)，實(shí)現(xiàn)展開(kāi)動(dòng)作。其中轉(zhuǎn)動(dòng)卡塊是可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的，既對(duì)直臂有支撐作用，又對(duì)其有限位作用。此機(jī)構(gòu)三個(gè)卡爪是一起運(yùn)動(dòng)的。

2.4主要技術(shù)參數(shù)

（1）轉(zhuǎn)向力和力矩

1）測(cè)量范圍：

方向盤(pán)轉(zhuǎn)向力矩：20～100N.m

方向盤(pán)轉(zhuǎn)向力：100～500N

2）分度值d：

方向盤(pán)轉(zhuǎn)向力矩：0.2N.m

方向盤(pán)轉(zhuǎn)向力：1N

3）轉(zhuǎn)向力、轉(zhuǎn)向力矩示值誤差：≤±3%（F.S）

4）鑒別力：不大于1.5d

5）重復(fù)性：3%

（2）轉(zhuǎn)向角

1）測(cè)量范圍：順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)均不小于1080°

2）分度值：1°

3）分值誤差：±3°

4）重復(fù)性：3°

2.5功能說(shuō)明

（1）自由轉(zhuǎn)角測(cè)量：逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)儀器，當(dāng)力值顯示為5～40N（不同的車(chē)型，該值不同）之間時(shí)，并且達(dá)到左極限時(shí)（車(chē)輪不動(dòng)），按保存鍵，然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)儀器，當(dāng)力值顯示為5～40N（不同的車(chē)型，該值不同）之間時(shí)，并且達(dá)到右極限時(shí)（車(chē)輪不動(dòng)），再次按保存鍵，此時(shí)自由轉(zhuǎn)向角的測(cè)量已經(jīng)完成。在這個(gè)狀態(tài)下，如果對(duì)已測(cè)量數(shù)據(jù)不滿意，可以按照以上步驟重復(fù)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)將會(huì)更替為最后一次測(cè)量的結(jié)果。

（2）最大轉(zhuǎn)向力測(cè)量：打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，儀器首先進(jìn)入自由轉(zhuǎn)角測(cè)量狀態(tài)，按峰值鍵，蜂鳴器鳴響一聲（除按鍵音外），儀器進(jìn)入最大轉(zhuǎn)向力測(cè)量狀態(tài)，此狀態(tài)下，儀器左側(cè)一組數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向力值，單位為牛頓（N）；右側(cè)一組數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)角值，單位為度（°），首先按保存鍵開(kāi)始最大轉(zhuǎn)向力測(cè)量。

2.6汽車(chē)轉(zhuǎn)向參數(shù)智能檢測(cè)儀模型特色

利用模擬化數(shù)據(jù)顯示器，便于操作人員讀取數(shù)據(jù)。減小了體積和質(zhì)量，使價(jià)格成本降低。設(shè)計(jì)出合理機(jī)械結(jié)構(gòu)，保證操作方便，裝夾緊固，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。搭建出處理速度快、性能穩(wěn)定而電路微小的硬件系統(tǒng)。

3結(jié)語(yǔ)

方向盤(pán)操縱的“靈敏性”和“輕便性”對(duì)汽車(chē)操縱穩(wěn)定性影響較大。應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需要及時(shí)準(zhǔn)確得檢測(cè)方向盤(pán)的最大轉(zhuǎn)向力和自由轉(zhuǎn)角。該儀器采用高度集成化結(jié)構(gòu)，將力矩傳感器、轉(zhuǎn)向編碼器、微機(jī)、打印機(jī)和電池等裝在一個(gè)原型主機(jī)箱內(nèi)，使用方便，結(jié)果顯示直觀，由于對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行自動(dòng)判向，消除了駕駛員因轉(zhuǎn)向抖動(dòng)而帶來(lái)的誤差，因而具有較高的測(cè)量精度。

參考文獻(xiàn)

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【2】 汽車(chē)電器與電子控制技術(shù)： 馮淵 編著/ 2009-2-1/ 北京高等教育技術(shù)出版社

【3】 汽車(chē)維修技術(shù)及其設(shè)備：叢守智 編著/ 2011-11-1/ 機(jī)械工業(yè)出版社

【4】 交通違法對(duì)交通安全的影響

【5】 汽車(chē)博覽