轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能是汽車安全駕駛的重要考察項(xiàng)目之一。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要指標(biāo)包括自由行程、轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向力等。根據(jù)GB 7258—2017 《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》的規(guī)定：最大設(shè)計(jì)車速大于或等于100 km/h機(jī)動(dòng)車的方向盤(pán)最大自由轉(zhuǎn)動(dòng)量應(yīng)小于或等于15°；三輪汽車方向盤(pán)的最大自由轉(zhuǎn)動(dòng)量應(yīng)小于或等于35°；其他機(jī)動(dòng)車方向盤(pán)的最大自由轉(zhuǎn)動(dòng)量應(yīng)小于或等于25°；施加于轉(zhuǎn)向盤(pán)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(pán)轉(zhuǎn)向參數(shù)測(cè)試儀可以快速測(cè)試機(jī)動(dòng)車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。按照測(cè)試原理,轉(zhuǎn)向參數(shù)測(cè)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(cè)儀（見(jiàn)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(cè)儀（見(jiàn)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(pán)式檢測(cè)儀外觀

圖  2  三爪式力值型檢測(cè)儀外觀

1.   校準(zhǔn)要求

JJF 1196—2008 《機(jī)動(dòng)車方向盤(pán)轉(zhuǎn)向力-轉(zhuǎn)向角檢測(cè)儀》對(duì)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(pán)轉(zhuǎn)向力-轉(zhuǎn)向角檢測(cè)儀》對(duì)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(zhǔn)方法

采用兩種方法進(jìn)行校準(zhǔn),具體過(guò)程如表3所示。采用砝碼校準(zhǔn)轉(zhuǎn)向力、力矩,該方法的優(yōu)點(diǎn)是精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、不受干擾、重復(fù)性好等,缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)體積大、自動(dòng)加載控制復(fù)雜等。采用光柵式、光柵尺編碼器校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求。 

3.   校準(zhǔn)裝置

采用砝碼加載機(jī)構(gòu)逐級(jí)加載的方式來(lái)校準(zhǔn)力和力矩,采用伺服電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)校準(zhǔn)分度盤(pán),進(jìn)行不同角度變化的校準(zhǔn)[1]。校準(zhǔn)裝置由力加載模塊、轉(zhuǎn)角驅(qū)動(dòng)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(jiàn)圖3）。 

圖  3  新型全自動(dòng)校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)外觀

3.1   轉(zhuǎn)向力校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

采用砝碼吊掛結(jié)構(gòu),5個(gè)質(zhì)量為2 kg的砝碼,4個(gè)質(zhì)量為10 kg的砝碼,其中力F的計(jì)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(jì)為半圓弧反向架結(jié)構(gòu),砝碼自由下垂,無(wú)靠擦情況,砝碼依靠上部的升降機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載,依靠下部升降機(jī)逐級(jí)加載（見(jiàn)圖4）。 

圖  4  砝碼加載結(jié)構(gòu)示意

為了實(shí)現(xiàn)左右方向轉(zhuǎn)向力的校準(zhǔn),設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式來(lái)切換力的加載方向。該工裝旋轉(zhuǎn)裝置由伺服電動(dòng)控制,在一個(gè)方向校準(zhǔn)結(jié)束后,自動(dòng)轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向進(jìn)行校準(zhǔn)（見(jiàn)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(jī)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(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn),該裝置適用性廣,可以對(duì)市場(chǎng)上不同類型、不同型號(hào)的檢測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn)。在使用過(guò)程中,檢測(cè)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(zhǔn)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向角度變化的精確控制,同時(shí)結(jié)合方向盤(pán)檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)形式,采用圓盤(pán)式設(shè)計(jì)。為了貼合被檢試樣,市場(chǎng)上方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角檢測(cè)儀具有支撐架,呈120°均勻分布,因此在方向盤(pán)上開(kāi)有間隔120°的凹槽,凹槽里面設(shè)計(jì)長(zhǎng)通孔,對(duì)圓盤(pán)式檢測(cè)儀的3個(gè)支撐架進(jìn)行定位（見(jiàn)圖6）。圓盤(pán)上設(shè)計(jì)有扇形排布的螺紋孔,方便固定各種類型的檢測(cè)儀,例如直線型的檢測(cè)儀也可以通過(guò)螺栓及配套夾具固定到圓盤(pán)上。 

圖  6  轉(zhuǎn)向角圓盤(pán)校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意

為了使檢測(cè)儀轉(zhuǎn)動(dòng)到圓盤(pán)的圓心位置,采用自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀轉(zhuǎn)角中心與圓盤(pán)校準(zhǔn)中心的重合。同時(shí),該轉(zhuǎn)向角校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)0°~90°垂直方向上的任意角度旋轉(zhuǎn)。同時(shí),還可以對(duì)便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)。 

3.3   電氣控制系統(tǒng)

在裝置中主要閉環(huán)控制兩個(gè)動(dòng)作機(jī)構(gòu),一個(gè)是控制加載砝碼的升降機(jī),根據(jù)升降機(jī)提升的不同高度逐級(jí)加載砝碼,另一個(gè)是控制驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的伺服電機(jī)。該系統(tǒng)采用可編輯邏輯控制器（PLC）控制信號(hào),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(hào)的形式傳遞給升降機(jī)的伺服電機(jī),根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)方向盤(pán)的加載。在校準(zhǔn)轉(zhuǎn)角時(shí),系統(tǒng)將指令輸送到PLC,PLC控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)并帶動(dòng)轉(zhuǎn)向檢測(cè)儀轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集位移傳感器與角度編碼器測(cè)得的位置信號(hào)和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)信號(hào),再將信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī),軟件對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行記錄和處理。將得到的反饋信號(hào)與程序設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)達(dá)到設(shè)定值后,停止伺服電機(jī)工作。 

軟件通過(guò)R232接口與檢測(cè)儀進(jìn)行通訊,采集記錄檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,按照公式計(jì)算得到檢測(cè)儀的校準(zhǔn)誤差。 

3.4   系統(tǒng)軟件

該軟件采用NI數(shù)據(jù)采集卡開(kāi)發(fā)系統(tǒng),以LabVIEW為系統(tǒng)開(kāi)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(yàn)時(shí)的人為誤操作。 

軟件為模塊化設(shè)計(jì),便于管理與操作,單元可分為參數(shù)設(shè)定模塊、力值校準(zhǔn)與轉(zhuǎn)角校準(zhǔn)模塊、參數(shù)校正模塊等,同時(shí)增設(shè)手動(dòng)控制模塊,方便對(duì)單個(gè)加載點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。 

軟件具有R232和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口,可以通過(guò)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)間、采集周期的界面設(shè)定。主界面為監(jiān)視界面,在自動(dòng)校準(zhǔn)和手動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)可以清晰地觀察到砝碼的加載位移和圓盤(pán)轉(zhuǎn)角的實(shí)時(shí)角度。 

4.   方案驗(yàn)證與試驗(yàn)

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

由表5,6可知：設(shè)備符合標(biāo)準(zhǔn)要求,校準(zhǔn)裝置對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn)的結(jié)果準(zhǔn)確,且該裝置操作方便。 

5.   結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種全新結(jié)構(gòu)的靜重式機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)向參數(shù)檢測(cè)儀的校準(zhǔn)裝置,該裝置解決了國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)向參數(shù)檢測(cè)儀校準(zhǔn)的難題。該裝置利用程序自動(dòng)控制校準(zhǔn),避免了人為操作產(chǎn)生的誤差。獨(dú)特的夾具設(shè)計(jì)為市場(chǎng)上各類不同規(guī)格的檢測(cè)儀提供了良好的固定方案。預(yù)留了R232接口與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口,系統(tǒng)可以與檢測(cè)儀通訊,直接生成示值誤差與重復(fù)性誤差。對(duì)于沒(méi)有接口的檢測(cè)儀,增設(shè)了圖像識(shí)別處理技術(shù),直接通過(guò)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(jì)算機(jī)自動(dòng)完成加載控制,可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向角各個(gè)量程的全自動(dòng)校準(zhǔn),按照用戶的設(shè)定自動(dòng)完成測(cè)試。該裝置通過(guò)提高砝碼的精度與編碼器的精度、分辨率,提高了校準(zhǔn)的精度。 

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