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(biāo)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(zhǔn)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(zhǔn)方法

采用兩種方法進(jìn)行校準(zhǔn),具體過程如表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(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

采用砝碼加載機構(gòu)逐級加載的方式來校準(zhǔn)力和力矩,采用伺服電機帶動減速機蝸輪轉(zhuǎn)動來校準(zhǔn)分度盤,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(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(zhǔn),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(zhǔn)結(jié)束后,自動轉(zhuǎn)向另一個方向進(jìn)行校準(zhǔn)（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(jìn)行校準(zhǔn),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(jìn)行校準(zhǔn)。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(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)中心的重合。同時,該轉(zhuǎn)向角校準(zhǔn)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(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(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)行記錄和處理。將得到的反饋信號與程序設(shè)定值進(jìn)行對比,當(dāng)數(shù)據(jù)信號達(dá)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,按照公式計算得到檢測儀的校準(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(zhǔn)與轉(zhuǎn)角校準(zhǔn)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(jìn)行校準(zhǔn)。 

軟件具有R232和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口,可以通過計算機和網(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(zhǔn)和手動校準(zhǔn)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(zhǔn)方案如表4所示。采用研制的校準(zhǔn)儀器分別對力值型和扭矩型參數(shù)檢測儀進(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)裝置對檢測儀進(jìn)行校準(zhǔn)的結(jié)果準(zhǔn)確,且該裝置操作方便。 

5.   結(jié)語

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(zhǔn)裝置,該裝置解決了國內(nèi)轉(zhuǎn)向參數(shù)檢測儀校準(zhǔn)的難題。該裝置利用程序自動控制校準(zhǔn),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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn),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(zhǔn)的精度。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)