转向盘力矩转角传感器非同轴安装误差分析

唐光华 程卫红 廖春虎 李遵义

摘要：转向盘力矩转角传感器是一款专门用于转向盘参数测量的设备，由于传感器结构的设计缺陷会导致非同轴安装时产生角度测量误差。本文针对非同轴安装后的机构对转向盘转矩以及对转向盘转角测量的影响进行了详细地分析。对最大角度误差出现的位置，最大角度误差和偏心量之间的关系，角度基准杆长度变化和转向盘转角的对应关系以及基准杆长度变化量的最值进行了求解。

关键词：转向盘力矩转角传感器;非同轴安装;机构分析;误差分析;最大测角误差

中图分类号：U463.4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2020）02-0042-06

唐光华

毕业于湖北汽车工业学院车辆工程专业，工学学士，现任国家汽车质量监督检验中心（襄阳）项目管理工程师。

1前言

转向盘力矩转角传感器是一款专门用于转向盘参数测量的设备，如图1所示。可以使用该传感器直接或间接地获取转向盘转动过程中所产生的转向盘力矩、转向盘转角、转向力和转向角速度等数据。方向盘力矩转角传感器内部一般使用光电编码器域旋转电位器对转角进行测量，同时需要一个固定在车体上的的角度基准杆来测量内部的测角传感器相对车体的转动角度。传感器使用以应变电阻为核心的应变轴对转矩进行测量。

《GB/rr6323-2014汽车操纵稳定性试验方法》对转向盘转角、转向盘角速度和转向盘力矩的测量范围和记录系统的最大误差进行了限定。因为试验对设备精度要求较高，所以有必要对影响精度的因素进行研究。

2转向盘力矩转角传感器偏心安装机构分析

为了方便研究传感器与原车方向盘和车身组成的机构运动情况，以下使用机构运动简图來分析该传感器安装后的运动，机构理想的运动简图如图2所示：

在该图中方向盘力矩转角传感器和原车方向盘都被简化成了螺旋副，只剩一个转动的自由度。方向盘力矩转角传感器和原车方向盘之间同轴安装，没有偏心量。传感器下部的过渡支架和原车方向盘固连在了一起。角度基准杆将传感器相对原车方向盘转动的部分和车体桥接。

该空间机构由一个转动的活动构件和一个V级螺旋副组成，则该空间机构的自由度网为

由（1）式可知，在理想的同轴安装状态下只有一个转动的自由度，原车方向盘转动的角度和传感器测量的角度没有原理上的误差。

方向盘力矩转角传感器在实际使用过程中大多被安装在原车方向盘上，传感器的下部设计了一个能够固定在原车方向盘盘圈上的夹具，考虑到夹具的通用性，该夹具被设计成了伸缩可调的结构，但是这种结构设计难以保证传感器和原车方向盘之间的同轴安装精度，即传感器的转动中心和原车方向盘之间存在一个偏心量e。实际使用工况的机构简图如图3所示：

在这种工况中，整个机构退化为了一个构件，自由度为0。如果转动方向盘会使机构产生内部应力，转动过程也比较困难，强行转动方向盘会使机构内部产生形变，启动转矩已经远远超过国标中对力矩精度的要求。

原车方向盘的转轴和传感器的转轴由于不同轴形成了一个曲轴。所以固定在这个“曲轴”上的角度基准杆随着“曲轴”转动发生摆动而且长度也会发生伸缩。为了解决上述问题，角度基准杆的主体被设计成了多节可伸缩结构，确保长度可以变化。角度基准杆的一端是带球关节的吸盘，另一端采用了圆柱状稀土磁钢，如果角度基准杆上的应力过大，会使基准杆上的磁钢和传感器本体上的磁钢脱开。机构运动简图如图4所示。

在上述机构中有四个运动构件，分别是1一转轴，2一传感器相对原车方向盘转动部分，3一角度基准杆连接传感器部分，4一角度基准杆连接前挡玻璃部分。A、B处为两个V级螺旋副，仅有绕轴转动的自由度，C处为一个Ⅲ级副，此处有沿轴移动和绕轴、轴转动的自由度，D处是一个V级副，E处是一个Ⅲ级副，则该空间结构的自由度为

机构中传感器的转动自由度和角度基准杆的伸缩以及角度基准杆绕y轴的转动是独立的，但是角度基准杆的伸缩以及角度基准杆绕y轴的转动自由度对角度测量没有影响，所以还剩下一个和转角测量相关的转动自由度。

3非同轴安装对转向盘力矩的影响

驾驶员用双手操作转向盘力矩转角传感器时施加在传感器上的是一个力偶矩。力偶对任一点的矩都等于力偶矩M（F，F），而且与矩心位置无关。所以施加在传感器转动中心和原车方向盘转动中心是一样的。

图5力偶M（F，F）对原车方向盘转动中心的矩

在上述结果中可以看出，在左半周误差最大的角度不是出现在θ1=90°时，而是出现在略小于90°的位置。

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，表中参数均使用AO=508mm计算。

表格数据导入Excel，得到最大角度误差和偏心量的关系曲线，如图9所示。从曲线上可以明显的看出，最大角度误差和偏心量成正比。

假设偏心量为10mm，则角度基准杆变化量和角度之间的关系如图11所示：5结论

1）方向盘力矩转角传感器和原车方向盘偏心安装时对转向盘转矩测量没有影响;

2）偏心安装对转向盘转角和转向角速度测量有影响，偏心量越大，平均角度误差和最大角度误差都越大;

3）方向盘力矩转角传感器安装时确保同轴度偏差越小越好;

4）拆掉原车方向盘，可以彻底避免偏心安装带来的误差。