方向盘转角测量仪非同轴安装对试验结果的影响研究

刘方圆 陈烁 廖春虎 吕渤 赵明军

刘方圆

毕业于华南理工大学，机械与汽车工程学院车辆工程专业，本科学历，现就职于襄阳达安汽车检测中心有限公司，任辅助工程师，研究方向为整车性能试验。

摘  要：提出了一种快速调整方向盘测量仪中心位置的装置。由于实际整车方向盘多为聚氨酯泡沫包裹件，形位精度较低，几何旋转中心难以确认，同时由于转向盘转角测量仪安装不便，当其不能与原车方向盘同轴安装时，易产生角度测量误差，而机械硬件方面的误差又不可避免。为了尽可能减小测量误差，提高试验准确度，本文从理论和实际两方面对偏心距所测试转角的影响进行了具体分析研究，同时提出了改进装置。本文所设计的改进装置具有安装简单，调整方便，性能稳定等优点。

关键词：偏心距;误差分析;偏心距调整装置

中图分类号：O59      文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2022）03-0077-05

Influence of Non Coaxial Installation of Steering Wheel Angle Measuring Instrument on Test Results

LIU Fang-yuan， CHEN Shuo， LIAO Chun-hu， LV Bo， ZHAO Ming-jun

（ Xiangyang Da 'an Automobile Testing Center Co.， LTD， Xiangyang 441100， China）

Abstract： A device for quickly adjusting the center position of steering wheel measuring instrument has been proposed. Due to the fact that there is flexible PU foam packages on the steering wheel of the vehicle， the shape and position accuracy is low， and it is difficult to confirm the geometric rotation center. At the same time， the installation of the steering wheel angle measuring instrument is inconvenient. When it is not installed coaxially with the steering wheel of the original vehicle， it is easy to produce angle measurement error， and the error in mechanical hardware is inevitable. In order to reduce the error as much as possible and improve the test accuracy， In this paper， the influence of eccentricity on the measured angle has been analyzed and studied theoretically and practically， and an improved device has been proposed. The improved device has the advantages of simple installation， convenient adjustment and stable performance.

Key  Words： Eccentricity; Error Analysis; Eccentricity Adjusting Device

隨着检测技术的发展，整车性能研究也进行得越来越深入，横摆角速度与侧向加速度相对关系的研究对包括车辆操纵稳定性、ESC等性能具有重要意义，横摆角速度与侧向加速度源于方向盘转角输入，所以精确的方向盘转角测量是对于整车性能研究的重要基础。

由于实际整车方向盘多为软质聚氨酯泡沫包裹件，形位精度较低，几何旋转中心难以确认，同时由于方向盘转角测量仪安装不便，当其不能与原车方向盘同轴安装时，易产生角度测量误差，而机械硬件方面的误差又不可避免。为了尽可能减小误差，提高试验准确度，本文从理论和实际两方面对偏心距所测试转角的影响进行具体分析研究，同时提出了改进装置。本文所设计的改进装置具有安装简单，调整方便，性能稳定等优点。

1    非同轴安装对转角测量影响的理论分析

方向盘转角测量仪由四部分构成，方向盘内部力矩转角传感器、角度基准杆、卡爪、伸缩节。如图1所示：

角度基准杆、卡爪、伸缩节均为固定方向盘力矩转角传感器的机械装置。角度基准杆一端是带球关节的吸盘，通常吸附于车内某一相对固定位置，另一端则为与转向盘本体相吸附用于固定转角测量仪壳体的圆柱状稀土磁钢，如果角度基准杆上的应力过大，基准杆上的磁钢和转角测量仪壳体的磁钢将会脱开。

目前方向盘力矩转角传感器内部使用的大部分为光电编码器，其工作原理为光电转换，是一种通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换为脉冲或数字量的传感器。光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成，在伺服系统中，光栅盘与电动机同轴致使电动机的旋转带动光栅盘的旋转，再经光电检测装置输出若干个脉冲信号，根据该信号的每秒脉冲数便可计算当前电动机的转速与转动角度[1-2]。

方向盘内部力矩转角传感器由两个相对转动的部件构成，测试过程中，内部转子跟随所测试方向盘的转动而转动，定子是被角度基准杆所固定的转角测量仪壳体，它与基准杆之间用磁钢相连接。

当方向盘转角测量仪与汽车方向盘未能同轴安装时，磁钢之间可以有微小相对位移，定子可沿着基准杆方向移动，并且移动距离和转动角度可以在较小范围内改变。

偏心状态下，方向盘转动90°的时候，二维简化图如图2所示：

当方向盘转动90°的时候，∠AOD=90°，而方向盘转角测量仪转过的角度为∠ABD，方向盘转向角测试仪内部定子由AO线转到AB线，转子由OA线转至BD线，如图3所示：

方向盘转角测量仪转过的角度∠ABD比方向盘实际转过的角度∠ABD多∠BAO，因此，∠BAO为误差来源。

已知安装偏心量为OB ，方向盘转向角测试仪定子半径为AB。 根据正弦定理得：

（1）

在实际试验中，方向盘转角测量仪半径为85mm，以偏心量为5mm为例。

规定方向盘旋转轴回正位置为转角零点，逆时针转动为正，当∠AOD角度为0°、30°、60°、90°、120°、150、180°时，∠BAO角度为0°、1.68°、2.92°、3.37°、2.92°、1.68°、0°。

根据上式用MATLAB作图，误差角度∠BAO与实际旋转角度∠AOD之间的相关关系如图4所示[3]。

可见原车方向盘逆时针转动时，∠BAO先增大后变小。利用MATLAB求得∠BAO度数最大的位置为91°。

而方向盘力矩转角传感器属于增量式编码器，其无法输出轴转动的绝对位置，增量式编码器转轴旋轉时，有相应的脉冲输出，其旋转方向的判别和脉冲数量的增减借助后部的判向电路和计数器来实现。其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。还可以把每转发出一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定[4-5]。

它的内部原理决定了其造成的误差是累积的，当偏心量为5mm时，使用MATLAB进行积分得到最大误差结果为6.7°。

通过计算，不同的偏心安装量和最大角度误差的关系如表 1所示：

2    偏心距测量探究与调整方案

为支持上述理论分析，通过研究，设计出偏心距测量与调整方案。

如图5圆A与圆B存在偏心距，取圆外任意一点C，做垂线垂直与圆B，距离为L，旋转圆A，记录任意位置L’数据，则偏心距为（L’max-L’min）/2。

基于上述理论，参考设计出偏心距调整装置如图6：

装夹到方向盘转角测量仪的实况建模图如图7：

实际安装图如图8：

通过游标卡尺（精度±0.02mm）测量与滑块机构调整，偏心距调整可精确至≤1mm。

3    非同轴安装对转角测量的实际的影响

基于上述方案，通过论证及验证掌握了偏心距测量及调整方法，从而设计出方向盘偏心转角测量方法。

试验设备如表2。

通过陀螺仪校准系统控制输入高精度转角，通过偏心距测量及调整装置控制转向力角测试仪与陀螺仪校准系统旋转中心偏移程度，再通过数据采集系统采集转向力角测试仪输出转角，从而验证偏心距对转角测量的影响[6]，如图9所示：

实验原理：通过陀螺仪校准系统精准控制方向盘实际转动角度，利用游标卡尺人为控制偏心距，同时转向力角测试仪连接数据采集系统观察方向盘传感器所测出的角度曲线，得到的实际结果为表3：

该试验存在以下误差：偏心距设置误差，基准杆未能完全固定转角测试仪轻微转动所造成的误差，系统误差等，故与理论计算数值有微小差距。

在GBT6323-2014《汽车操纵稳定性试验方法》中，方向盘转角要求精度如表4所示：

与试验结果对比，可以看出偏心距对试验结果影响较大，在偏心距较大的情况下，不能满足试验要求。

4    结论

1）偏心安装对转向盘转角测量有影响，偏心量越大，角度误差越大，在偏心量较大的情况下，不能满足试验精度要求。

2）偏心量越大，方向盘力矩转角传感器与角度基准杆相连接的圆柱状稀土磁钢之间的相对位移越大，可据此判断是否已做到同轴安装。

3）在要求精度比较高的试验当中，可采用文中所制作的偏心距调整装置，以得到较为精确的试验结果。

参考文献：

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[2]肖敏，于晓东.基于巨磁电阻的高精度方向盘转角传感器研究[J].电子世界，2015（22）：87-88.

[3]韩素超，孙若男，张藏根，张继超，王昊苏，谷海燕，金龙.浮动式汽车转向角测试台校准方法[J].工业计量，2021，31（05）：15-16.DOI：10.13228/j.boyuan.issn1002-1183.2021.0004.

[4]何润东，潘盛辉，韩峻峰，孟德良.方向盘转向角传感器的数据采集系统设计[J].现代电子技术，2011，34（19）：116-118.DOI：10.16652/j.issn.1004-373x.2011.19.059.

[5]朱振华，郑祥凯，吕琼莹，王一凡.全向电动底盘转向角度的检测与控制[J].长春理工大学学报（自然科学版），2016，39（02）：46-50.

[6]唐艳，侯力，杜晨蕊，张健权.基于Matlab的EPS转向角度跟随特性仿真分析与研究[J].煤矿机械，2011，32（05）：61-64.DOI：10.13436/j.mkjx.2011.05.136.