一種對車輛轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行靜態(tài)檢驗(yàn)的系統(tǒng)

潘少猷 黃 煜 時(shí) 鳴 楊 東 馮 浩

(1.司法鑒定科學(xué)研究院，上海 200063；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院振動、沖擊、噪聲研究所，上海 200240；3.上海機(jī)動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

1 研究背景

我國目前交通事故中機(jī)動車安全技術(shù)檢驗(yàn)與鑒定，都是依據(jù)我國公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之中的事故車輛安全技術(shù)鑒定(編號：GA/T642-2006)來開展的。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，針對交通事故車輛而開展的安全技術(shù)鑒定，指的是對交通事故安全狀況進(jìn)行的技術(shù)檢驗(yàn)、分析和判斷。按照其形態(tài)可分為3類：靜態(tài)鑒定、動態(tài)鑒定、零部件性能鑒定。其中靜態(tài)檢驗(yàn)鑒定，被定義為在靜止?fàn)顩r之下對發(fā)生事故車輛進(jìn)行的技術(shù)檢驗(yàn)以及鑒定。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，“失去行駛能力的事故車輛”，意味著汽車在事故前或事故中出現(xiàn)故障同時(shí)造成車輛某零部件損壞，且致使車輛無行駛能力[1]。關(guān)于失去行駛能力事故車，根據(jù)上述安全檢定標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)鑒定項(xiàng)目主要包括制動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系、發(fā)動機(jī)、車身附件、傳動系等八大項(xiàng)目。作為影響轉(zhuǎn)向性的重中之重，轉(zhuǎn)向系的檢驗(yàn)內(nèi)容包括傳動、助力裝置、操作機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向器這四個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目。而轉(zhuǎn)向傳動模塊又包括轉(zhuǎn)向拉桿及其球銷、梯形臂、左右一共兩個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)。在上述零部件中只要有一個(gè)出現(xiàn)問題，就極可能導(dǎo)致汽車轉(zhuǎn)向系產(chǎn)生故障，從而大大增加行車途中引發(fā)事故的可能性。

往往受事故影響嚴(yán)重的事故車，以現(xiàn)有車況來看多數(shù)根本不具備正常行駛能力。在檢驗(yàn)這一類無行駛能力車輛時(shí)，技術(shù)人員首先要全面了解車輛參數(shù)，然后通過部分總成的相關(guān)參數(shù)及工況檢驗(yàn)，加之以零部件拆解測量分析，對系統(tǒng)以及零部件的基本狀況產(chǎn)生一個(gè)基本判斷。在了解事故車各大總成和安全條件是否滿足這一前提下，再綜合其余外部因素得出最終鑒定結(jié)論[2]。

轉(zhuǎn)向異常是交通事故的重要成因之一，但是目前缺乏系統(tǒng)的鑒定方法對這一異常進(jìn)行鑒定[3]。即便采用僅有的少數(shù)靜態(tài)檢驗(yàn)系統(tǒng)來鑒定事故車轉(zhuǎn)向性能，也只能夠確認(rèn)車輛在構(gòu)造方面是否有故障存在，如連接是否完好、是否有斷裂現(xiàn)象。至于鑒定出轉(zhuǎn)向性能存在異常與否，以目前的靜態(tài)檢驗(yàn)系統(tǒng)極難做到[4]。

2 轉(zhuǎn)向性能靜態(tài)檢驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行靜態(tài)檢驗(yàn)的目標(biāo)，首先要確定測量的變量。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要的功能就是將轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角輸入，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)。根據(jù)其功能特性來分析，待測變量設(shè)定為2個(gè)，一個(gè)是轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角，另一個(gè)是轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角。測量轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與車輪偏轉(zhuǎn)角之間比值，其意義主要在于和轉(zhuǎn)向傳動比進(jìn)行比較。而設(shè)備儀器的量程要求預(yù)設(shè)如表1所示。

表1 儀器量程的預(yù)設(shè)要求

從表1中可以看出，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，要使地轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角達(dá)到最大(即通常說的“打到底”)，需要向一個(gè)方向打兩圈多一點(diǎn)。車輪偏轉(zhuǎn)角一般不超過60°[5]。這樣的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，特別是轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)角與車輪旋轉(zhuǎn)之間的比值，是符合一般車輛的轉(zhuǎn)向傳動比的(一般小型車轉(zhuǎn)向傳動比約等于12～20)。

2.2 車輪側(cè)支架部分

2.2.1 支架的基本結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)對車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中車輪偏轉(zhuǎn)角度的檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款測角度裝置——車輪矢量傳感器支架。針對車輪矢量傳感器支架開展建模，并對已建立的支架模型進(jìn)行標(biāo)注與簡化，如圖1所示。

圖1 支架標(biāo)注圖

支架各關(guān)節(jié)標(biāo)號已經(jīng)完成。令車輪實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度等于α?？紤]通常在測試前，C點(diǎn)的夾角已經(jīng)被調(diào)整好，BC、CD兩根桿具備簡化條件，所以將BC(長度l30)、CD(長度l4)兩桿合二為一進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，新桿長為l3。同樣考慮吸盤處的O點(diǎn)，它與A點(diǎn)的相對位置也是在測試前就已被調(diào)整好的[6]。故而在測試過程中O、A二點(diǎn)無相對運(yùn)動，在數(shù)學(xué)計(jì)算中不必考慮，桿長l1的影響也無關(guān)緊要。

車輪轉(zhuǎn)向中心點(diǎn)不在輪轂也不在大法蘭上。轉(zhuǎn)動半徑取l5，則車輪轉(zhuǎn)動角度α導(dǎo)致水平位移l5×sinα。如此簡化后，問題變?yōu)閮蓷U問題，僅需在豎直平面內(nèi)建立理論模型[7]。該模型如圖2所示。

圖2 支架簡化圖

黑色粗體的AB、BD為兩根連桿，DE為車輪轉(zhuǎn)動α度角產(chǎn)生的水平位移l5×sinα。

首先進(jìn)行力學(xué)分析。規(guī)定X軸方向向下，Y軸方向向右。在桿長不變情況下，變量有α、β、γ。需要分析AB桿、BD桿受力。利用達(dá)朗貝爾原理，考慮慣性力、慣性力矩，把AB桿、BD桿受到的慣性力Fx2、Fy2、Fx3、Fy3和慣性力矩M2、M3都納入受力分析范圍[8]。

若在電壓下降沿合閘，將產(chǎn)生負(fù)向的暫態(tài)直流偏置磁鏈，若此時(shí)剩磁方向?yàn)檎瑢⒌窒舨糠肿儔浩鰽相工作磁鏈的正向偏移，進(jìn)而減小勵(lì)磁涌流；若剩磁方向?yàn)樨?fù)，將加劇合閘后變壓器A相工作磁鏈的正向偏移，引起勵(lì)磁涌流的增加。

其中，a2等于γ二階導(dǎo)數(shù)，a3等于β二階導(dǎo)數(shù)。

首先分析AB桿。AB桿中，慣性力F2和慣性力矩M2如下：

(1)

(2)

M2=J×a=J2a2

(3)

其次分析BD桿。先用加速度分解法求出ac3在X、Y上的分量，并求得在BD桿慣性力F3和慣性力矩M3如下：

(4)

(5)

F3x=m3ac3x

(6)

F3y=m3ac3y

(7)

M3=J×a=J3a3

(8)

再分析力矩。首先從A點(diǎn)出發(fā)，分析AB、BD兩桿整體。繞點(diǎn)A合力矩必為零。方程如下：

(9)

再從B點(diǎn)出發(fā)，分析BD一根桿。繞點(diǎn)B合力矩必為零。方程如下：

(10)

根據(jù)選取的不銹鋼材料密度，并預(yù)設(shè)連桿的直徑均為12 mm，計(jì)算可得桿l2質(zhì)量約為300克，桿l3質(zhì)量約400克。按照根據(jù)F=ma牛頓第二定律，得出桿受力最大值為F2=0.3×0.367=0.11 N，F(xiàn)3=0.4×0.634=0.253 6 N，都遠(yuǎn)小于連桿鋼材(材質(zhì)不銹鋼304)能承受的最大力1.75 N，所以安全性沒有問題，完全可以確保工作正常[9]。

2.3 車輪轉(zhuǎn)向傳感器

在車輪側(cè)通過安裝編碼器的方式，來實(shí)現(xiàn)對車輪偏轉(zhuǎn)角的測量。其測量角度的原理：在編碼器中央的孔中，穿插一根短軸。若短軸相對編碼器整體不是完全相對靜止，勢必會有角度旋轉(zhuǎn)。這一相對旋轉(zhuǎn)的角度，就是編碼器的讀數(shù)。同時(shí)，短軸相對于編碼器的角度旋轉(zhuǎn)值，正是車輪偏轉(zhuǎn)角[10]。運(yùn)用轉(zhuǎn)換法，把車輪偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成短軸和編碼器的相對運(yùn)動，以此達(dá)到使測量原理清晰，簡化所測物理量關(guān)系的效果。

本系統(tǒng)所用的車輪轉(zhuǎn)向傳感器是一款增量型編碼器，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，故而能夠承受測角度時(shí)可能受到的沖擊或力矩。高達(dá)每轉(zhuǎn)25 000個(gè)脈沖數(shù)，IP67的防護(hù)等級，在保證其采樣的精度的同時(shí)，也確保該編碼器能夠在實(shí)際測量環(huán)境下正常工作。同時(shí)，該編碼器重量只有0.25 kg，所以對支架、連桿運(yùn)動不會造成很大影響?？箾_擊性、抗振動性良好，能有效地抵御外界沖擊。因此，其特性符合實(shí)地測量要求，可確保能在實(shí)際測量環(huán)境下正常工作。

2.4 轉(zhuǎn)向盤組件

為了對轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量，就要在轉(zhuǎn)向盤上安裝轉(zhuǎn)角脈沖傳感器。但轉(zhuǎn)向盤的外形構(gòu)造不便于直接安裝傳感器，就需要專門設(shè)計(jì)一塊安裝底板。經(jīng)過加工，完成的底板安裝在轉(zhuǎn)向盤上的實(shí)物照片如圖3所示。該底板采用三點(diǎn)式對心方式，保證傳感器中心軸線與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動軸線具有較好的重合性。

圖3 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器安裝底板

在轉(zhuǎn)向盤上安裝的轉(zhuǎn)角脈沖傳感器能將轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動量實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為脈沖信號。該傳感器具有良好的抗沖擊性，高達(dá)每轉(zhuǎn)4 096個(gè)脈沖的精度，IP67的防護(hù)等級，在保證其采樣的精度的同時(shí)，也確保該編碼器能夠在實(shí)際測量環(huán)境下正常工作。

2.5 數(shù)據(jù)采集器。

最終，通過數(shù)據(jù)采集器將車輪偏轉(zhuǎn)角傳感器及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器采集到的模擬信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，經(jīng)USB接口傳輸至計(jì)算機(jī)。

3 實(shí)車實(shí)驗(yàn)

3.1 檢驗(yàn)系統(tǒng)的安裝

為了驗(yàn)證構(gòu)建的靜態(tài)轉(zhuǎn)向性能檢驗(yàn)系統(tǒng)是否可以滿足需求，將該檢驗(yàn)系統(tǒng)安裝到一輛貨車上，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。

在車內(nèi)安裝轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角測量裝置，并且在車外分別在左、右前輪上安裝上車輪偏轉(zhuǎn)角測量裝置。其中，測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角裝置必須裝在轉(zhuǎn)向盤正上方并保持中心對齊，并用吸盤把整套裝置固定在前擋風(fēng)玻璃上，如圖4所示。由于前擋風(fēng)玻璃面積大，而且表面平坦，因此將吸盤吸附在前擋風(fēng)玻璃上并不難。

圖4 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角測量裝置

安裝車輪偏轉(zhuǎn)角裝置時(shí)，首先將整套裝置綁定車輛輪轂確保其不會出現(xiàn)偏移，然后利用鋼絲繩(4 mm直徑)分別依次穿過法蘭上的孔、法蘭上的凹槽、車輪轂的孔洞[11]。待支架安裝完成后，操作人員可適當(dāng)用手觸摸或輕微搖晃支架，檢驗(yàn)吸盤是否會脫落或存在搖晃過于劇烈的現(xiàn)象，以確保正式測量過程中的設(shè)備工作正常以及測試準(zhǔn)確性，如圖5所示。

圖5 車輪偏轉(zhuǎn)角測量裝置

3.2 檢驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前，保證車輛不受外力干擾。首先，將車輪對準(zhǔn)轉(zhuǎn)向盤中心。隨后，接通儀器電源，開始預(yù)熱，等它升溫至正常工作溫度。接著，讓操作人員坐上駕駛座，勻速轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤(轉(zhuǎn)速約為30 °/s)。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)到底之后，反方向回轉(zhuǎn)。記錄下轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)角，以及車輪轉(zhuǎn)過角度。轉(zhuǎn)向盤回正，即回到零位置。實(shí)驗(yàn)完成后，測試數(shù)據(jù)均已傳輸至計(jì)算機(jī)，供后續(xù)分析使用。

3.3 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

用研制完成的檢驗(yàn)系統(tǒng)測量了3種不同類型、8輛正常汽車以及2輛轉(zhuǎn)向性能異常車輛的轉(zhuǎn)向盤以及車輪偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，基于這8組正常車輛數(shù)據(jù)以及汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動結(jié)構(gòu)的本身特點(diǎn)分析特征值的選取[12]。

數(shù)據(jù)測量過程一共測得8輛轉(zhuǎn)向正常車輛以及2輛轉(zhuǎn)向異常車輛的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角以及左、右車輪偏轉(zhuǎn)角，按照汽車分類的國標(biāo)GB/T3730.1—2001，可將這10輛車分為三個(gè)類型：普通乘用車、高級乘用車以及普通貨車，現(xiàn)將其種類和車型列舉如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)測量用車種類車型情況統(tǒng)計(jì)表

分別將這8輛正常車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與車輪偏轉(zhuǎn)角在實(shí)驗(yàn)中隨時(shí)間變化的曲線展示如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 8輛正常車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨測試時(shí)間變化圖

圖7 8輛正常車輛左輪偏轉(zhuǎn)角隨測試時(shí)間變化圖

圖8 8輛正常車輛右輪偏轉(zhuǎn)角隨測試時(shí)間變化圖

在測試的8輛車中，由于測試的3輛上汽大眾Polo車型相同，且實(shí)驗(yàn)條件基本保持不變，因此polo-1、polo-2、polo-3的曲線重合在了一起，其余車輛變化曲線在圖上都可以明顯得觀察出來。大通g20測試時(shí)開始一段時(shí)間沒有轉(zhuǎn)動，推測開始實(shí)驗(yàn)時(shí)還在調(diào)試設(shè)備，并非異常數(shù)據(jù)[13]。此外還可以觀察到N33和威鈴Ⅱ的轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)角明顯大于其余乘用車，數(shù)據(jù)符合客觀規(guī)律。

每次實(shí)驗(yàn)都是轉(zhuǎn)向盤從中間位置開始轉(zhuǎn)動，一直到轉(zhuǎn)向盤打死，也就是圖中最低點(diǎn)的位置，然后向反方向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向盤打死，即圖中最高點(diǎn)的位置，最終回到中間位置。由于每次測試中測試人員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的速度不同，導(dǎo)致每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間基本不同，但是可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與左、右車輪偏轉(zhuǎn)角的變化趨勢基本保持一致，符合之前所做的推測。

為了進(jìn)一步研究車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與車輪偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系，本文分別將8輛車的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)以及左、右輪偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)放入Matlab軟件中使用corrcoef(,)函數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析[14]。以第一輛車即g10-1轉(zhuǎn)向盤與左輪偏轉(zhuǎn)角的計(jì)算結(jié)果為例，得到一個(gè)2×2矩陣：

將每一組相關(guān)性系數(shù)列舉如表3所示。

表3 正常車輛左、右輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的相關(guān)性分析統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)過相關(guān)性的分析，正常車輛的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與左、右車輪偏轉(zhuǎn)角存在強(qiáng)的相關(guān)性，這為繼續(xù)研究轉(zhuǎn)向傳動比作為判定車輛轉(zhuǎn)向性能異常的數(shù)據(jù)表征提供了一定的依據(jù)。轉(zhuǎn)向傳動比為轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角與車輪偏轉(zhuǎn)角的比值，車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)本身的構(gòu)造再加上測量數(shù)據(jù)的佐證，將其確定為判定車輛靜態(tài)條件下轉(zhuǎn)向性能異常的特征量，對于開展車輛轉(zhuǎn)向性能靜態(tài)鑒定具有實(shí)際意義。

4 討論與總結(jié)

本文的這款車輪偏轉(zhuǎn)角靜態(tài)檢驗(yàn)系統(tǒng)以量化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可改變目前傳統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)向檢驗(yàn)僅能確認(rèn)是否連接完好但不能判斷轉(zhuǎn)向異?，F(xiàn)象存在與否的狀況?？傮w而言，該檢驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)性高。首先支架材料304不銹鋼容易獲取，成本不高，且支架加工制造容易；其次各個(gè)傳感器，其精確度均符合測試環(huán)境要求，適用于幾乎所有實(shí)地測試環(huán)境；再者，測試結(jié)果可以數(shù)據(jù)量化形式呈現(xiàn)，科學(xué)性及說服力更高。后續(xù)仍存在待以解決的問題，如系統(tǒng)誤差精度的評價(jià)及其優(yōu)化改進(jìn)方法、何種安裝方式才能最大程度上減少其裝配誤差等。

在司法化程度不斷提升的今天，司法鑒定在交通事故處理領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來越被重視，需求不斷上升，這勢必推動事故車輛鑒定技術(shù)的不斷更新發(fā)展。轉(zhuǎn)向異常是交通事故的重要成因之一，但是目前缺乏系統(tǒng)的鑒定方法對這一異常進(jìn)行鑒定。即使有測車輪偏轉(zhuǎn)角的方法也適用性不強(qiáng)，無法針對無行駛能力事故車開展靜態(tài)測試。而本文的這款車輪偏轉(zhuǎn)角靜態(tài)檢驗(yàn)系統(tǒng)可以解決車輛靜態(tài)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)向性能的問題，同時(shí)其測得的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與左、右車輪偏轉(zhuǎn)角存在強(qiáng)的相關(guān)性，對表征轉(zhuǎn)向性能異常具有實(shí)際意義。因此，借助矢量傳感器支架結(jié)合數(shù)據(jù)量化分析，對事故車輛轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行靜態(tài)鑒定是兼具創(chuàng)新意義與現(xiàn)實(shí)意義的。