轉(zhuǎn)向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器非同軸安裝誤差分析

唐光華 程衛(wèi)紅 廖春虎 李遵義

摘要：轉(zhuǎn)向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器是一款專門用于轉(zhuǎn)向盤參數(shù)測量的設(shè)備，由于傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷會(huì)導(dǎo)致非同軸安裝時(shí)產(chǎn)生角度測量誤差。本文針對(duì)非同軸安裝后的機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩以及對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角測量的影響進(jìn)行了詳細(xì)地分析。對(duì)最大角度誤差出現(xiàn)的位置，最大角度誤差和偏心量之間的關(guān)系，角度基準(zhǔn)桿長度變化和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及基準(zhǔn)桿長度變化量的最值進(jìn)行了求解。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器;非同軸安裝;機(jī)構(gòu)分析;誤差分析;最大測角誤差

中圖分類號(hào)：U463.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2020）02-0042-06

唐光華

畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學(xué)院車輛工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)任國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽）項(xiàng)目管理工程師。

1前言

轉(zhuǎn)向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器是一款專門用于轉(zhuǎn)向盤參數(shù)測量的設(shè)備，如圖1所示?？梢允褂迷搨鞲衅髦苯踊蜷g接地獲取轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向盤力矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向角速度等數(shù)據(jù)。方向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器內(nèi)部一般使用光電編碼器域旋轉(zhuǎn)電位器對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量，同時(shí)需要一個(gè)固定在車體上的的角度基準(zhǔn)桿來測量內(nèi)部的測角傳感器相對(duì)車體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。傳感器使用以應(yīng)變電阻為核心的應(yīng)變軸對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量。

《GB/rr6323-2014汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向盤角速度和轉(zhuǎn)向盤力矩的測量范圍和記錄系統(tǒng)的最大誤差進(jìn)行了限定。因?yàn)樵囼?yàn)對(duì)設(shè)備精度要求較高，所以有必要對(duì)影響精度的因素進(jìn)行研究。

2轉(zhuǎn)向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器偏心安裝機(jī)構(gòu)分析

為了方便研究傳感器與原車方向盤和車身組成的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況，以下使用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖來分析該傳感器安裝后的運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)理想的運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示：

在該圖中方向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器和原車方向盤都被簡化成了螺旋副，只剩一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。方向盤力矩轉(zhuǎn)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(zhǔn)桿將傳感器相對(duì)原車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的部分和車體橋接。

該空間機(jī)構(gòu)由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)構(gòu)件和一個(gè)V級(jí)螺旋副組成，則該空間機(jī)構(gòu)的自由度網(wǎng)為

由（1）式可知，在理想的同軸安裝狀態(tài)下只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，原車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)角傳感器在實(shí)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(shè)計(jì)了一個(gè)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(shè)計(jì)成了伸縮可調(diào)的結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)動(dòng)中心和原車方向盤之間存在一個(gè)偏心量e。實(shí)際使用工況的機(jī)構(gòu)簡圖如圖3所示：

在這種工況中，整個(gè)機(jī)構(gòu)退化為了一個(gè)構(gòu)件，自由度為0。如果轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤會(huì)使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，轉(zhuǎn)動(dòng)過程也比較困難，強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤會(huì)使機(jī)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生形變，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國標(biāo)中對(duì)力矩精度的要求。

原車方向盤的轉(zhuǎn)軸和傳感器的轉(zhuǎn)軸由于不同軸形成了一個(gè)曲軸。所以固定在這個(gè)“曲軸”上的角度基準(zhǔn)桿隨著“曲軸”轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生擺動(dòng)而且長度也會(huì)發(fā)生伸縮。為了解決上述問題，角度基準(zhǔn)桿的主體被設(shè)計(jì)成了多節(jié)可伸縮結(jié)構(gòu)，確保長度可以變化。角度基準(zhǔn)桿的一端是帶球關(guān)節(jié)的吸盤，另一端采用了圓柱狀稀土磁鋼，如果角度基準(zhǔn)桿上的應(yīng)力過大，會(huì)使基準(zhǔn)桿上的磁鋼和傳感器本體上的磁鋼脫開。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖4所示。

在上述機(jī)構(gòu)中有四個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，分別是1一轉(zhuǎn)軸，2一傳感器相對(duì)原車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)部分，3一角度基準(zhǔn)桿連接傳感器部分，4一角度基準(zhǔn)桿連接前擋玻璃部分。A、B處為兩個(gè)V級(jí)螺旋副，僅有繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，C處為一個(gè)Ⅲ級(jí)副，此處有沿軸移動(dòng)和繞軸、軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，D處是一個(gè)V級(jí)副，E處是一個(gè)Ⅲ級(jí)副，則該空間結(jié)構(gòu)的自由度為

機(jī)構(gòu)中傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和角度基準(zhǔn)桿的伸縮以及角度基準(zhǔn)桿繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是獨(dú)立的，但是角度基準(zhǔn)桿的伸縮以及角度基準(zhǔn)桿繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度對(duì)角度測量沒有影響，所以還剩下一個(gè)和轉(zhuǎn)角測量相關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

3非同軸安裝對(duì)轉(zhuǎn)向盤力矩的影響

駕駛員用雙手操作轉(zhuǎn)向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器時(shí)施加在傳感器上的是一個(gè)力偶矩。力偶對(duì)任一點(diǎn)的矩都等于力偶矩M（F，F(xiàn)），而且與矩心位置無關(guān)。所以施加在傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)中心和原車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)中心是一樣的。

圖5力偶M（F，F(xiàn)）對(duì)原車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)中心的矩

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

通過計(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，表中參數(shù)均使用AO=508mm計(jì)算。

表格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel，得到最大角度誤差和偏心量的關(guān)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(shè)偏心量為10mm，則角度基準(zhǔn)桿變化量和角度之間的關(guān)系如圖11所示：5結(jié)論

1）方向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器和原車方向盤偏心安裝時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩測量沒有影響;

2）偏心安裝對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角傳感器安裝時(shí)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。