转向系统的性能是汽车安全驾驶的重要考察项目之一。转向系统的重要指标包括自由行程、转向角和转向力等。根据GB 7258—2017 《机动车运行安全技术条件》的规定：最大设计车速大于或等于100km/h机动车的方向盘最大自由转动量应小于或等于15°；三轮汽车方向盘的最大自由转动量应小于或等于35°；其他机动车方向盘的最大自由转动量应小于或等于25°；施加于转向盘外缘的最大切向力应小于或等于245N。

     采用汽车转向盘转向参数测试仪可以快速测试机动车辆转向系统的性能。按照测试原理，转向参数测试仪可以分为：以光电角度传感器和力矩传感器为感知单元的检测仪（见图1），参数输出主要是扭矩和角度；以力传感器和角速度传感器（陀螺仪）为感知单元的检测仪（见图2），参数输出主要是转向力和角度的变化。

1、 校准要求

     JJF 1196—2008 《机动车方向盘转向力-转向角检测仪》对转向参数的规定如表1所示。GB/T 34592—2017 《汽车转向盘转向力-转向角检测仪》对转向参数的规定如表2所示。由表1，2可知：GB/T 34592—2017较JJF 1196—2008的要求高。

2、 校准方法

     采用两种方法进行校准，具体过程如表3所示。采用砝码校准转向力、力矩，该方法的优点是精度高、数据稳定、不受干扰、重复性好等，缺点是结构体积大、自动加载控制复杂等。采用光栅式、光栅尺编码器校准转向角的重复性为0.1%，允许误差为0.01%，灵敏度为0.1%，满足标准要求。

3、 校准装置

     采用砝码加载机构逐级加载的方式来校准力和力矩，采用伺服电机带动减速机蜗轮转动来校准分度盘，进行不同角度变化的校准。校准装置由力加载模块、转角驱动模块、工装旋转模块、电气控制模块、数据采集模块及控制软件等组成（见图3）。

3.1 转向力校准结构

    采用砝码吊挂结构，5个质量为2kg 的砝码，4个质量为10kg的砝码，其中力F的计算方法如式（1）所示。

     砝码挂具上部的设计为半圆弧反向架结构，砝码自由下垂，无靠擦情况，砝码依靠上部的升降机构来实现自动加载，依靠下部升降机逐级加载（见图4）。

     为了实现左右方向转向力的校准，设计了工装旋转装置，由于砝码加载结构不能改变方向，故使用工装旋转装置机构转动的方式来切换力的加载方向。该工装旋转装置由伺服电动控制，在一个方向校准结束后，自动转向另一个方向进行校准（见图5）。

     该工装旋转装置采用伺服机构控制，在软件中设定相应的程序后，可以根据使用者的需要在任意角度下对检测仪进行校准，该装置适用性广，可以对市场上不同类型、不同型号的检测仪进行校准。在使用过程中，检测仪因刚性不够易发生变形，旋转装置可以调整到水平位置，使砝码加载方向始终位于切向方向。

3.2 转向角校准结构

     为了实现转向角度变化的精确控制，同时结合方向盘检测仪的结构形式，采用圆盘式设计。为了贴合被检试样，市场上方向盘转向角检测仪具有支撑架，呈120°均匀分布，因此在方向盘上开有间隔120°的凹槽，凹槽里面设计长通孔，对圆盘式检测仪的3个支撑架进行定位（见图6）。圆盘上设计有扇形排布的螺纹孔，方便固定各种类型的检测仪，例如直线型的检测仪也可以通过螺栓及配套夹具固定到圆盘上。

     为了使检测仪转动到圆盘的圆心位置，采用自动对中机构实现检测仪转角中心与圆盘校准中心的重合。同时，该转向角校准机构能实现0°~90°垂直方向上的任意角度旋转。同时，还可以对便携式制动性能测试仪进行校准。

3.3 电气控制系统

     在装置中主要闭环控制两个动作机构，一个是控制加载砝码的升降机，根据升降机提升的不同高度逐级加载砝码，另一个是控制驱动圆盘转动的伺服电机。该系统采用可编辑逻辑控制器（PLC）控制信号，在操作软件中设定相应程序后，PLC发出指令到伺服控制器，再以脉冲信号的形式传递给升降机的伺服电机，根据基准点的设置将串联的砝码下降一定距离，并将砝码加载到挂钩上，实现对方向盘的加载。在校准转角时，系统将指令输送到PLC，PLC控制伺服电机驱动圆盘并带动转向检测仪转动。数据采集系统采集位移传感器与角度编码器测得的位置信号和转角数据信号，再将信号传送给计算机，软件对数据信号进行记录和处理。将得到的反馈信号与程序设定值进行对比，当数据信号达到设定值后，停止伺服电机工作。

     软件通过R232接口与检测仪进行通讯，采集记录检测仪的转向力、转向力矩和转向角，利用软件将采集的数据与标准值进行比较，按照公式计算得到检测仪的校准误差。

3.4 系统软件

     该软件采用NI数据采集卡开发系统，以LabVIEW为系统开发环境，以工业组态为控制系统，该软件具有良好的操控性及稳定性，且控制界面友好，可以避免试验时的人为误操作。

    软件为模块化设计，便于管理与操作，单元可分为参数设定模块、力值校准与转角校准模块、参数校正模块等，同时增设手动控制模块，方便对单个加载点进行校准。

     软件具有R232和标准网络接口，可以通过计算机和网络进行远程控制和数据传输。按用户需求设定采集通道、采集时间、采集周期的界面设定。主界面为监视界面，在自动校准和手动校准时可以清晰地观察到砝码的加载位移和圆盘转角的实时角度。

4 、方案验证与试验

     校准方案如表4所示。采用研制的校准仪器分别对力值型和扭矩型参数检测仪进行校准，结果如表5，6所示。

     由表5，6 可知：设备符合标准要求，校准装置对检测仪进行校准的结果准确，且该装置操作方便。

5、 结语

     设计了一种全新结构的静重式机动车转向参数检测仪的校准装置，该装置解决了国内转向参数检测仪校准的难题。该装置利用程序自动控制校准，避免了人为操作产生的误差。独特的夹具设计为市场上各类不同规格的检测仪提供了良好的固定方案。预留了R232接口与标准网络接口，系统可以与检测仪通讯，直接生成示值误差与重复性误差。对于没有接口的检测仪，增设了图像识别处理技术，直接通过摄像头读取被检仪器的读数，并生成检定原始数据。计算机自动完成加载控制，可实现对机动车转向力和转向角各个量程的全自动校准，按照用户的设定自动完成测试。该装置通过提高砝码的精度与编码器的精度、分辨率，提高了校准的精度。

作者：姚武 1，钱烈辉 2，陶泽成 2，张倬 1，邓秋希 1

单位：1.湖南省计量检测研究院；

2.昆山市创新科技检测仪器有限公司

来源：《理化检验-物理分册》2024年第7期