圖 1 扭矩型圓盤式檢測儀外觀
分享：新型全自動汽車轉向參數檢測儀校準裝置
轉向系統的性能是汽車安全駕駛的重要考察項目之一。轉向系統的重要指標包括自由行程、轉向角和轉向力等。根據GB 7258—2017 《機動車運行安全技術條件》的規定：最大設計車速大于或等于100 km/h機動車的方向盤最大自由轉動量應小于或等于15°；三輪汽車方向盤的最大自由轉動量應小于或等于35°；其他機動車方向盤的最大自由轉動量應小于或等于25°；施加于轉向盤外緣的最大切向力應小于或等于245 N。
采用汽車轉向盤轉向參數測試儀可以快速測試機動車輛轉向系統的性能。按照測試原理,轉向參數測試儀可以分為：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）,參數輸出主要是轉向力和角度的變化。
圖 2 三爪式力值型檢測儀外觀
1. 校準要求
JJF 1196—2008 《機動車方向盤轉向力-轉向角檢測儀》對轉向參數的規定如表1所示。GB/T 34592—2017 《汽車轉向盤轉向力-轉向角檢測儀》對轉向參數的規定如表2所示。由表1,2可知：GB/T 34592—2017較JJF 1196—2008的要求高。
Table 1. JJF 1196—2008對轉向參數的規定
| 測量參數 | 測量范圍 | 最大允許誤差 | 重復性 | 分度值 | 鑒別力/d | 漂移/(d·min－1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 轉向力 | 100~500 N | ±3% | 3% | ≤1 N | 1.5 | 2 |
| 轉向力矩 | 20~100 N·m | ±3% | 3% | ≤0.2 N·m | 1.5 | 2 |
| 轉向角 | －1 080°~1 080° | ±3° | 3° | 1° | — | 2 |
Table 2. GB/T 34592—2017對轉向參數的規定
| 測量參數 | 測量范圍 | 最大允許誤差 | 重復性 | 分度值 | 鑒別力/d | 漂移/(d·min－1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 轉向力 | －500~500 N | ±2% | 2% | ≤1 N | 1.5 | 2 |
| 轉向力矩 | 20~100 N·m | ±2% | 2% | ≤0.2 N·m | 1.5 | 2 |
| 轉向角 | －1 080°~1 080° | ±2° | 2° | 1° | 1.0 | 2 |
2. 校準方法
采用兩種方法進行校準,具體過程如表3所示。采用砝碼校準轉向力、力矩,該方法的優點是精度高、數據穩定、不受干擾、重復性好等,缺點是結構體積大、自動加載控制復雜等。采用光柵式、光柵尺編碼器校準轉向角的重復性為0.1%,允許誤差為0.01%,靈敏度為0.1%,滿足標準要求。
Table 3. 校準方法
| 校準參數 | 方法1 | 方法2 |
|---|---|---|
| 轉向力 | 砝碼校準,若干組砝碼組合,按量程設置進行配合校準 | 測力儀校準,高等級精度的傳感器 |
| 轉向力矩 | 組合校準,允許誤差為±0.5 mm | 扭矩傳感器校準 |
| 轉向角 | 編碼器校準,誤差為0.1% | 角度規校準,允許誤差為±30′ |
3. 校準裝置
采用砝碼加載機構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、轉角驅動模塊、工裝旋轉模塊、電氣控制模塊、數據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構外觀
3.1 轉向力校準結構
采用砝碼吊掛結構,5個質量為2 kg的砝碼,4個質量為10 kg的砝碼,其中力F的計算方法如式（1）所示[2]。
|
|
(1) |
式中：M為砝碼質量；F為砝碼產生的力；ρa為空氣密度；ρw為砝碼材料的密度。
砝碼掛具上部的設計為半圓弧反向架結構,砝碼自由下垂,無靠擦情況,砝碼依靠上部的升降機構來實現自動加載,依靠下部升降機逐級加載（見圖4）。
圖 4 砝碼加載結構示意
為了實現左右方向轉向力的校準,設計了工裝旋轉裝置,由于砝碼加載結構不能改變方向,故使用工裝旋轉裝置機構轉動的方式來切換力的加載方向。該工裝旋轉裝置由伺服電動控制,在一個方向校準結束后,自動轉向另一個方向進行校準（見圖5）。
圖 5 工裝旋轉裝置示意
該工裝旋轉裝置采用伺服機構控制,在軟件中設定相應的程序后,可以根據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生變形,旋轉裝置可以調整到水平位置,使砝碼加載方向始終位于切向方向。
3.2 轉向角校準結構
為了實現轉向角度變化的精確控制,同時結合方向盤檢測儀的結構形式,采用圓盤式設計。為了貼合被檢試樣,市場上方向盤轉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 轉向角圓盤校準結構示意
為了使檢測儀轉動到圓盤的圓心位置,采用自動對中機構實現檢測儀轉角中心與圓盤校準中心的重合。同時,該轉向角校準機構能實現0°~90°垂直方向上的任意角度旋轉。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
在裝置中主要閉環控制兩個動作機構,一個是控制加載砝碼的升降機,根據升降機提升的不同高度逐級加載砝碼,另一個是控制驅動圓盤轉動的伺服電機。該系統采用可編輯邏輯控制器（PLC）控制信號,在操作軟件中設定相應程序后,PLC發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,根據基準點的設置將串聯的砝碼下降一定距離,并將砝碼加載到掛鉤上,實現對方向盤的加載。在校準轉角時,系統將指令輸送到PLC,PLC控制伺服電機驅動圓盤并帶動轉向檢測儀轉動。數據采集系統采集位移傳感器與角度編碼器測得的位置信號和轉角數據信號,再將信號傳送給計算機,軟件對數據信號進行記錄和處理。將得到的反饋信號與程序設定值進行對比,當數據信號達到設定值后,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向力、轉向力矩和轉向角,利用軟件將采集的數據與標準值進行比較,按照公式計算得到檢測儀的校準誤差。
3.4 系統軟件
該軟件采用NI數據采集卡開發系統,以LabVIEW為系統開發環境,以工業組態為控制系統,該軟件具有良好的操控性及穩定性,且控制界面友好,可以避免試驗時的人為誤操作。
軟件為模塊化設計,便于管理與操作,單元可分為參數設定模塊、力值校準與轉角校準模塊、參數校正模塊等,同時增設手動控制模塊,方便對單個加載點進行校準。
軟件具有R232和標準網絡接口,可以通過計算機和網絡進行遠程控制和數據傳輸。按用戶需求設定采集通道、采集時間、采集周期的界面設定。主界面為監視界面,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檢測儀進行校準[3],結果如表5,6所示。
Table 4. 校準方案
| 校準參數 | 校準范圍 | 精度要求 | 使用檢具 | 結果 |
|---|---|---|---|---|
| 轉向力 | 0~500 N | M2級 | 示值誤差為0.5%的稱重傳感器 | 符合 |
| 轉向力矩 | 0~500 mm | ±0.05 mm | 500 mm游標卡尺,精度為0.01 mm | 符合 |
| 轉向角 | 0°~180° | ±30′ | 最大示值誤差為±0.1°的數顯水平傾角儀 | 符合 |
Table 5. 力值型參數檢測儀的力值校準結果
| 校準點 | 實測值1/N | 實測值2/N | 實測值3/N | 平均值/N | 示值誤差/% | 重復性/% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 100 | 100.2 | 100.3 | 100.2 | 100.2 | 0.23 | 0.10 |
| 200 | 200.2 | 200.4 | 200.5 | 200.4 | 0.18 | 0.15 |
| 300 | 300.4 | 300.8 | 300.9 | 300.7 | 0.23 | 0.16 |
| 400 | 400.6 | 400.8 | 400.8 | 400.7 | 0.18 | 0.05 |
| 500 | 501.1 | 500.9 | 501.1 | 501.0 | 0.21 | 0.04 |
Table 6. 扭矩型參數檢測儀的角度校準結果
| 校準點 | 實測值1/(°) | 實測值2/(°) | 實測值3/(°) | 平均值/(°) | 示值誤差/(°) | 重復性/% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 10.2 | 10.5 | 10.4 | 10.4 | -0.37 | 0.3 |
| 30 | 31.0 | 30.8 | 30.9 | 30.9 | -0.90 | 0.2 |
| 50 | 51.2 | 51.5 | 51.8 | 51.5 | -1.50 | 0.6 |
| -50 | -51.4 | -51.2 | -51.2 | -51.3 | 1.27 | 0.2 |
| -30 | -30.2 | -30.4 | -30.3 | -30.3 | 0.30 | 0.2 |
| -10 | -10.3 | -10.4 | -10.6 | -10.4 | 0.43 | 0.3 |
由表5,6可知：設備符合標準要求,校準裝置對檢測儀進行校準的結果準確,且該裝置操作方便。
5. 結語
設計了一種全新結構的靜重式機動車轉向參數檢測儀的校準裝置,該裝置解決了國內轉向參數檢測儀校準的難題。該裝置利用程序自動控制校準,避免了人為操作產生的誤差。獨特的夾具設計為市場上各類不同規格的檢測儀提供了良好的固定方案。預留了R232接口與標準網絡接口,系統可以與檢測儀通訊,直接生成示值誤差與重復性誤差。對于沒有接口的檢測儀,增設了圖像識別處理技術,直接通過攝像頭讀取被檢儀器的讀數,并生成檢定原始數據。計算機自動完成加載控制,可實現對機動車轉向力和轉向角各個量程的全自動校準,按照用戶的設定自動完成測試。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
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