轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能是汽車安全駕駛的重要考察項目之一。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要指標包括自由行程、轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向力等。根據(jù)GB 7258—2017 《機動車運行安全技術(shù)條件》的規(guī)定：最大設(shè)計車速大于或等于100 km/h機動車的方向盤最大自由轉(zhuǎn)動量應(yīng)小于或等于15°；三輪汽車方向盤的最大自由轉(zhuǎn)動量應(yīng)小于或等于35°；其他機動車方向盤的最大自由轉(zhuǎn)動量應(yīng)小于或等于25°；施加于轉(zhuǎn)向盤外緣的最大切向力應(yīng)小于或等于245 N。

采用汽車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向參數(shù)測試儀可以快速測試機動車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。按照測試原理,轉(zhuǎn)向參數(shù)測試儀可以分為：以光電角度傳感器和力矩傳感器為感知單元的檢測儀（見圖1）,參數(shù)輸出主要是扭矩和角度；以力傳感器和角速度傳感器（陀螺儀）為感知單元的檢測儀（見圖2）,參數(shù)輸出主要是轉(zhuǎn)向力和角度的變化。

圖 1扭矩型圓盤式檢測儀外觀

圖 2三爪式力值型檢測儀外觀

1. 校準要求

JJF 1196—2008 《機動車方向盤轉(zhuǎn)向力-轉(zhuǎn)向角檢測儀》對轉(zhuǎn)向參數(shù)的規(guī)定如表1所示。GB/T 34592—2017 《汽車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向力-轉(zhuǎn)向角檢測儀》對轉(zhuǎn)向參數(shù)的規(guī)定如表2所示。由表1,2可知：GB/T 34592—2017較JJF 1196—2008的要求高。

2. 校準方法

采用兩種方法進行校準,具體過程如表3所示。采用砝碼校準轉(zhuǎn)向力、力矩,該方法的優(yōu)點是精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、不受干擾、重復(fù)性好等,缺點是結(jié)構(gòu)體積大、自動加載控制復(fù)雜等。采用光柵式、光柵尺編碼器校準轉(zhuǎn)向角的重復(fù)性為0.1%,允許誤差為0.01%,靈敏度為0.1%,滿足標準要求。

3. 校準裝置

采用砝碼加載機構(gòu)逐級加載的方式來校準力和力矩,采用伺服電機帶動減速機蝸輪轉(zhuǎn)動來校準分度盤,進行不同角度變化的校準[1]。校準裝置由力加載模塊、轉(zhuǎn)角驅(qū)動模塊、工裝旋轉(zhuǎn)模塊、電氣控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及控制軟件等組成（見圖3）。

圖 3新型全自動校準裝置結(jié)構(gòu)外觀

3.1 轉(zhuǎn)向力校準結(jié)構(gòu)

采用砝碼吊掛結(jié)構(gòu),5個質(zhì)量為2 kg的砝碼,4個質(zhì)量為10 kg的砝碼,其中力F的計算方法如式（1）所示[2]。

式中：M為砝碼質(zhì)量；F為砝碼產(chǎn)生的力；ρa為空氣密度；ρw為砝碼材料的密度。

砝碼掛具上部的設(shè)計為半圓弧反向架結(jié)構(gòu),砝碼自由下垂,無靠擦情況,砝碼依靠上部的升降機構(gòu)來實現(xiàn)自動加載,依靠下部升降機逐級加載（見圖4）。

圖 4砝碼加載結(jié)構(gòu)示意

為了實現(xiàn)左右方向轉(zhuǎn)向力的校準,設(shè)計了工裝旋轉(zhuǎn)裝置,由于砝碼加載結(jié)構(gòu)不能改變方向,故使用工裝旋轉(zhuǎn)裝置機構(gòu)轉(zhuǎn)動的方式來切換力的加載方向。該工裝旋轉(zhuǎn)裝置由伺服電動控制,在一個方向校準結(jié)束后,自動轉(zhuǎn)向另一個方向進行校準（見圖5）。

圖 5工裝旋轉(zhuǎn)裝置示意

該工裝旋轉(zhuǎn)裝置采用伺服機構(gòu)控制,在軟件中設(shè)定相應(yīng)的程序后,可以根據(jù)使用者的需要在任意角度下對檢測儀進行校準,該裝置適用性廣,可以對市場上不同類型、不同型號的檢測儀進行校準。在使用過程中,檢測儀因剛性不夠易發(fā)生變形,旋轉(zhuǎn)裝置可以調(diào)整到水平位置,使砝碼加載方向始終位于切向方向。

3.2 轉(zhuǎn)向角校準結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)向角度變化的精確控制,同時結(jié)合方向盤檢測儀的結(jié)構(gòu)形式,采用圓盤式設(shè)計。為了貼合被檢試樣,市場上方向盤轉(zhuǎn)向角檢測儀具有支撐架,呈120°均勻分布,因此在方向盤上開有間隔120°的凹槽,凹槽里面設(shè)計長通孔,對圓盤式檢測儀的3個支撐架進行定位（見圖6）。圓盤上設(shè)計有扇形排布的螺紋孔,方便固定各種類型的檢測儀,例如直線型的檢測儀也可以通過螺栓及配套夾具固定到圓盤上。

圖 6轉(zhuǎn)向角圓盤校準結(jié)構(gòu)示意

為了使檢測儀轉(zhuǎn)動到圓盤的圓心位置,采用自動對中機構(gòu)實現(xiàn)檢測儀轉(zhuǎn)角中心與圓盤校準中心的重合。同時,該轉(zhuǎn)向角校準機構(gòu)能實現(xiàn)0°~90°垂直方向上的任意角度旋轉(zhuǎn)。同時,還可以對便攜式制動性能測試儀進行校準。

3.3 電氣控制系統(tǒng)

在裝置中主要閉環(huán)控制兩個動作機構(gòu),一個是控制加載砝碼的升降機,根據(jù)升降機提升的不同高度逐級加載砝碼,另一個是控制驅(qū)動圓盤轉(zhuǎn)動的伺服電機。該系統(tǒng)采用可編輯邏輯控制器（PLC）控制信號,在操作軟件中設(shè)定相應(yīng)程序后,PLC發(fā)出指令到伺服控制器,再以脈沖信號的形式傳遞給升降機的伺服電機,根據(jù)基準點的設(shè)置將串聯(lián)的砝碼下降一定距離,并將砝碼加載到掛鉤上,實現(xiàn)對方向盤的加載。在校準轉(zhuǎn)角時,系統(tǒng)將指令輸送到PLC,PLC控制伺服電機驅(qū)動圓盤并帶動轉(zhuǎn)向檢測儀轉(zhuǎn)動。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集位移傳感器與角度編碼器測得的位置信號和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)信號,再將信號傳送給計算機,軟件對數(shù)據(jù)信號進行記錄和處理。將得到的反饋信號與程序設(shè)定值進行對比,當(dāng)數(shù)據(jù)信號達到設(shè)定值后,停止伺服電機工作。

軟件通過R232接口與檢測儀進行通訊,采集記錄檢測儀的轉(zhuǎn)向力、轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向角,利用軟件將采集的數(shù)據(jù)與標準值進行比較,按照公式計算得到檢測儀的校準誤差。

3.4 系統(tǒng)軟件

該軟件采用NI數(shù)據(jù)采集卡開發(fā)系統(tǒng),以LabVIEW為系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境,以工業(yè)組態(tài)為控制系統(tǒng),該軟件具有良好的操控性及穩(wěn)定性,且控制界面友好,可以避免試驗時的人為誤操作。

軟件為模塊化設(shè)計,便于管理與操作,單元可分為參數(shù)設(shè)定模塊、力值校準與轉(zhuǎn)角校準模塊、參數(shù)校正模塊等,同時增設(shè)手動控制模塊,方便對單個加載點進行校準。

軟件具有R232和標準網(wǎng)絡(luò)接口,可以通過計算機和網(wǎng)絡(luò)進行遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸。按用戶需求設(shè)定采集通道、采集時間、采集周期的界面設(shè)定。主界面為監(jiān)視界面,在自動校準和手動校準時可以清晰地觀察到砝碼的加載位移和圓盤轉(zhuǎn)角的實時角度。

4. 方案驗證與試驗

校準方案如表4所示。采用研制的校準儀器分別對力值型和扭矩型參數(shù)檢測儀進行校準[3],結(jié)果如表5,6所示。

由表5,6可知：設(shè)備符合標準要求,校準裝置對檢測儀進行校準的結(jié)果準確,且該裝置操作方便。

5. 結(jié)語

設(shè)計了一種全新結(jié)構(gòu)的靜重式機動車轉(zhuǎn)向參數(shù)檢測儀的校準裝置,該裝置解決了國內(nèi)轉(zhuǎn)向參數(shù)檢測儀校準的難題。該裝置利用程序自動控制校準,避免了人為操作產(chǎn)生的誤差。獨特的夾具設(shè)計為市場上各類不同規(guī)格的檢測儀提供了良好的固定方案。預(yù)留了R232接口與標準網(wǎng)絡(luò)接口,系統(tǒng)可以與檢測儀通訊,直接生成示值誤差與重復(fù)性誤差。對于沒有接口的檢測儀,增設(shè)了圖像識別處理技術(shù),直接通過攝像頭讀取被檢儀器的讀數(shù),并生成檢定原始數(shù)據(jù)。計算機自動完成加載控制,可實現(xiàn)對機動車轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向角各個量程的全自動校準,按照用戶的設(shè)定自動完成測試。該裝置通過提高砝碼的精度與編碼器的精度、分辨率,提高了校準的精度。

文章來源——材料與測試網(wǎng)