ABS齒圈節(jié)距誤差與超差齒定位測試系統(tǒng)＊

周良杰趙治國

（1.萬向錢潮（上海）汽車系統(tǒng)有限公司；2.同濟(jì)大學(xué)）

ABS齒圈節(jié)距誤差與超差齒定位測試系統(tǒng)＊

周良杰1趙治國2

（1.萬向錢潮（上海）汽車系統(tǒng)有限公司；2.同濟(jì)大學(xué)）

建立了ABS齒圈節(jié)距數(shù)學(xué)方程，通過分析節(jié)距誤差產(chǎn)生的原因，提出將齒圈節(jié)距測量轉(zhuǎn)化為脈沖電信號(hào)進(jìn)行測量的方法，并設(shè)計(jì)了ABS齒圈節(jié)距誤差與超差齒定位的測試系統(tǒng)。介紹了測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集及軟件設(shè)計(jì)等，分析了不同測試參數(shù)對(duì)測試精度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，該測試方法解決了機(jī)械與投影等方法無法對(duì)ABS齒圈進(jìn)行準(zhǔn)確測量的問題，利用該測試系統(tǒng)可準(zhǔn)確得到ABS齒圈單齒誤差與累計(jì)誤差，同時(shí)可對(duì)超差齒位置進(jìn)行定位。

1 前言

ABS齒圈多采用機(jī)加工或粉末冶金燒結(jié)工藝生產(chǎn)，其中加工順序、模具尺寸、工藝參數(shù)（如燒結(jié)溫度）、時(shí)間等因素都會(huì)造成其節(jié)距產(chǎn)生誤差。工業(yè)中，采用齒輪節(jié)距測量方法如機(jī)械法與投影法等測量ABS齒圈節(jié)距誤差時(shí)，存在無法準(zhǔn)確取點(diǎn)、重復(fù)性差等缺陷。相關(guān)文獻(xiàn)[1，2]介紹了ABS齒圈結(jié)合輪速傳感器一同工作時(shí)齒圈對(duì)信號(hào)的影響，但未提出使用輪速傳感器對(duì)ABS齒圈進(jìn)行節(jié)距誤差檢測。為此，設(shè)計(jì)了一種ABS齒圈節(jié)距誤差計(jì)算與超差齒定位的測試系統(tǒng)，可用于試驗(yàn)室或生產(chǎn)線上進(jìn)行在線測試，為ABS齒圈行業(yè)提供統(tǒng)一的檢測與判斷標(biāo)準(zhǔn)參考。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

由于無法準(zhǔn)確直接測量ABS齒圈節(jié)距誤差，所以必須進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理。根據(jù)ABS齒圈工作方式，使用霍爾式輪速傳感器將每個(gè)齒的節(jié)距長度轉(zhuǎn)化為方波脈沖周期長度輸出。每個(gè)齒對(duì)應(yīng)的節(jié)距誤差中最大值即為齒圈單齒節(jié)距誤差SP，每個(gè)齒對(duì)應(yīng)的節(jié)距誤差依次累計(jì)相加后最大值與最小值之差即為ABS齒圈累計(jì)誤差TP。ABS要求SP和TP均≤4%。由于TP的準(zhǔn)確性取決于每個(gè)齒節(jié)距誤差，因此本文主要討論每個(gè)齒節(jié)距誤齒測量與SP的計(jì)算。

圖1為測試系統(tǒng)的測試原理。由圖1可看出，齒圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)點(diǎn)1接近輪速傳感器內(nèi)部霍爾感應(yīng)芯片時(shí)，穿過芯片的磁場強(qiáng)度增加，這時(shí)傳感器輸出電流由低變高，對(duì)應(yīng)于圖2中輪速傳感器輸出電流信號(hào)1；當(dāng)點(diǎn)2接近霍爾感應(yīng)芯片時(shí)，穿過芯片的磁場強(qiáng)度減弱，輸出電流由高變低，對(duì)應(yīng)于圖2中輪速傳感器輸出電流信號(hào)2。

圖1 中，金屬觸發(fā)器安裝在ABS齒圈齒頂處，與ABS齒圈同速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)其靠近接近開關(guān)時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)（圖2）。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

圖3為測試系統(tǒng)功能框圖。

如圖3所示，電機(jī)帶動(dòng)ABS齒圈以恒定速度旋轉(zhuǎn)，光電編碼器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度；霍爾輪速傳感器將ABS齒圈旋轉(zhuǎn)引起的磁通量變化轉(zhuǎn)化為方波脈沖；ABS齒圈旋轉(zhuǎn)360°，接近開關(guān)產(chǎn)生1個(gè)脈沖輸出；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集與存儲(chǔ)霍爾輪速傳感器輸出的方波信號(hào)、接近開關(guān)輸出的脈沖信號(hào)和光電編碼器輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)；數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行節(jié)距誤差計(jì)算以及超差齒定位，并通過人機(jī)界面顯示計(jì)算結(jié)果。

3 數(shù)學(xué)方程分析

3.1 建立單齒節(jié)距誤差數(shù)學(xué)方程

ABS齒圈旋轉(zhuǎn)與輪速傳感器輸出信號(hào)關(guān)系如圖4所示。

建立第i齒對(duì)應(yīng)的節(jié)距數(shù)學(xué)方程：

式中，ω為ABS齒圈轉(zhuǎn)速；r為節(jié)圓半徑；Di為第i齒的節(jié)距；ti為輪速傳感器周期Ti對(duì)應(yīng)起始時(shí)間；ti+1為Ti結(jié)束時(shí)間，t為物理時(shí)間。

霍爾輪速傳感器在工作過程中要求傳感器頭部到齒圈之間的距離在允許的氣隙范圍內(nèi)。根據(jù)齒圈結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，最大氣隙一般為1.5 mm以上；為防止齒圈因圓跳動(dòng)誤差在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與傳感器機(jī)械干涉，最小氣隙一般為0.3 mm，在氣隙范圍內(nèi)傳感器均能正常工作。表1為在氣隙為0.5 mm和1.0 mm時(shí)霍爾輪速傳感器輸出方波信號(hào)的高電平時(shí)間與周期。由此可知，氣隙大小僅影響信號(hào)占空比且影響不大，而對(duì)信號(hào)周期無影響，即對(duì)齒圈的節(jié)距無影響。

表1 在氣隙范圍內(nèi)傳感器輸出高電平時(shí)間與周期

因此，齒圈節(jié)圓半徑r的誤差對(duì)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生影響，可將r作為常量r0，則式（1）變?yōu)椋?/p>

測試系統(tǒng)中要求ω為恒定速度ω0，將其波動(dòng)記為Δω，則式（2）可寫為：

式（3）中第1項(xiàng)積分可寫為代數(shù)式，則則ABS齒圈每個(gè)齒的節(jié)距誤差Pi為：

當(dāng)Δω相對(duì)ω0可忽略不計(jì)時(shí)，式（5）積分項(xiàng)均可忽略，則

從式（6）可知，Pi即為輪速傳感器信號(hào)輸出周期Ti的誤差。

3.2 系統(tǒng)參數(shù)分析

由式（5）可知，每個(gè)齒的節(jié)距誤差Pi的計(jì)算不受ABS齒圈尺寸r的影響，但受Δω和ω0的影響。當(dāng)采用式（6）近似計(jì)算每個(gè)齒的節(jié)距誤差Pi時(shí)，要求Δω與ω0之商接近零。

因此，當(dāng)Δω一定時(shí)，提高測試穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ω0可提高齒圈每個(gè)齒節(jié)距誤差精度。但轉(zhuǎn)速的提高一方面受電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與穩(wěn)定性的限制，另一方面當(dāng)采集系統(tǒng)的采樣頻率一定時(shí)，轉(zhuǎn)速的提高會(huì)降低輪速傳感器信號(hào)周期Ti的采集精度，因此轉(zhuǎn)速不能無限增大，應(yīng)將其控制在與電機(jī)和采樣系統(tǒng)匹配的范圍內(nèi)。

影響Δω的因素較多，除受電機(jī)本身特性影響外，其還與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、負(fù)載變化等因素有關(guān)。在測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電機(jī)選擇時(shí)，應(yīng)盡量降低Δω。本文采用直流電機(jī)，電機(jī)供電電壓使用穩(wěn)壓裝置，同時(shí)利用電機(jī)減速器將Δω成倍數(shù)降低。

由于Δω與ω0對(duì)測試系統(tǒng)存在影響，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)Δω與ω0的比值進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)其不能忽略時(shí)不可采用式（6）進(jìn)行近似計(jì)算，必須利用式（5）進(jìn)行積分運(yùn)算。

在實(shí)際應(yīng)用中，積分運(yùn)算耗時(shí)較長不適用于生產(chǎn)線在線測試，通常對(duì)Δω與ω0之商設(shè)定限值，在小于該限值的情況下利用式（6）進(jìn)行近似運(yùn)算。限值的確定可給定初值，由近似運(yùn)算與積分計(jì)算結(jié)果的差確定。

3.3 超差齒定位

超差齒在輪速傳感器輸出的方波信號(hào)中反映為超差脈沖，超差脈沖位置是根據(jù)接近開關(guān)輸出脈沖到超差脈沖之間的脈沖個(gè)數(shù)來確定。

由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的信號(hào)如圖5所示，接近開關(guān)輸出的2個(gè)相鄰脈沖之間距離即為ABS齒圈旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間。ABS齒圈齒數(shù)為n，在輪速傳感器信號(hào)輸出中對(duì)應(yīng)為n個(gè)脈沖方波。

在圖5所示傳感器輸出信號(hào)中，根據(jù)前述方法，利用式（5）可判斷出超差齒編號(hào)為3。結(jié)合實(shí)際安裝中金屬觸發(fā)點(diǎn)對(duì)應(yīng)齒的真實(shí)編號(hào)與旋轉(zhuǎn)方向，即可確定ABS齒圈超差齒實(shí)際位置。根據(jù)超差齒的實(shí)際位置，ABS齒圈生產(chǎn)廠家可針對(duì)超差齒的超差幅度與位置分布，采取修改模具、調(diào)整熱處理溫度和刀具加工順序等工藝措施。

4 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)如圖6所示，軟件控制ABS齒圈以預(yù)定轉(zhuǎn)速ω0旋轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將輪速傳感器、光電編碼器與接近開關(guān)輸出波形進(jìn)行記錄。

在接近開關(guān)輸出的脈沖信號(hào)中，取2個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔作為ABS齒圈旋轉(zhuǎn)1圈所用時(shí)間，輪速傳感器在這段時(shí)間內(nèi)n個(gè)齒對(duì)應(yīng)產(chǎn)生n個(gè)脈沖信號(hào)周期Ti。測試中，由光電編碼器與接近開關(guān)確定該段時(shí)間內(nèi)Δω和ω0，判斷其是否在限制范圍內(nèi)。如果在限制范圍內(nèi)，則采用式（6）計(jì)算每個(gè)齒節(jié)距誤差Pi，否則采用積分計(jì)算Pi，最后可得到ABS齒圈單齒誤差SP與累計(jì)誤差TP。

5 測試系統(tǒng)試驗(yàn)

根據(jù)圖3設(shè)計(jì)了如圖7所示的測試系統(tǒng)，采用的主要設(shè)備見表2。

表2 主要設(shè)備

將前述計(jì)算公式與測試流程通過軟件Labview進(jìn)行編程開發(fā)，圖形化顯示傳感器采集波形信號(hào)與單齒誤差和累計(jì)誤差結(jié)果。

試驗(yàn)中，將數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率固定在250kHz，在不同齒圈轉(zhuǎn)速下，通過軟件分別利用式（5）和式（6）計(jì)算ABS齒圈單齒節(jié)距誤差SP，結(jié)果如表3所列。

表3 單齒節(jié)距誤差SP計(jì)算結(jié)果

對(duì)同一待測樣件，不同測試員采用投影法對(duì)齒圈投影進(jìn)行3次尺寸測量，經(jīng)計(jì)算的單齒節(jié)距誤差SP如表4所列。

表4 投影法單齒節(jié)距誤差SP計(jì)算結(jié)果

由表3可知，在齒圈轉(zhuǎn)速較低或較高情況下，測試系統(tǒng)的測試精度均有所下降，在中等轉(zhuǎn)速（900 r/ min）時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)與采樣偏差對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的綜合影響達(dá)到最低，此時(shí)近似計(jì)算與積分計(jì)算結(jié)果一致，這與前述分析結(jié)果吻合。由表4可知，采用投影法對(duì)同一齒圈樣件測試時(shí)，測量結(jié)果受人為因素影響較大，無法準(zhǔn)確測量。

對(duì)比表3與表4測試數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計(jì)的測試方法穩(wěn)定性好、精度高，可作為ABS齒圈大批量生產(chǎn)時(shí)合格與否的判斷手段。

6 結(jié)束語

ABS齒圈節(jié)距誤差是車輛防抱死系統(tǒng)中輪速計(jì)算的主要誤差來源之一，其誤差評(píng)判的準(zhǔn)確性是保證ABS正確控制的前提條件。通過建立ABS齒圈節(jié)距數(shù)學(xué)方程，分析齒圈節(jié)距誤差形成原因，提出將齒圈節(jié)距測量轉(zhuǎn)化為脈沖電信號(hào)進(jìn)行測量的方法，可準(zhǔn)確計(jì)算單齒節(jié)距誤差與累計(jì)誤差。試驗(yàn)結(jié)果表明，該測試方法穩(wěn)定可靠、精度高，可替代機(jī)械法與投影法為ABS齒圈提供精確測量。

1周菊.ABS霍爾式輪速傳感器磁體測試技術(shù)研究.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2011.

2羅雍惠.ABS齒圈和傳感器的應(yīng)用與研究.中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（24）:15～16.

3陳彥夫.ABS輪速傳感器的性能試驗(yàn)研究.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

4羅文發(fā).ABS齒圈和傳感器的應(yīng)用技術(shù).汽車電器，2008（12）:28～32.

5汪知望，方錫邦，陳燕.汽車ABS輪速傳感器及其信號(hào)處理.汽車科技，2006（4）:23～28.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年9月3日。

ABS Ring Gear Pitch Error and Out-of-tolerance Teeth Positioning Test system

Zhou Liangjie1，Zhao Zhiguo2
（1.Wan Xiang Qian Chao（Shanghai）Automotive Systems Co.，Ltd;2.TongJi University）

We built ABS ring gear pitch mathematic equations，analyzed the cause of error and proposed the method to convert ring gear pitch measurement into electric pulse signal for measurement，designed a test system for ABS ring gear pitch error and out-of-tolerance positioning.The structure，data acquisition and software design are described in the paper，which analyzes the effect of different test parameters on the test precision.Test results show that this test method solved the deficiency of unable to measure ABS ring gear accurately with methods like mechanical and projection method.By using this test system，the single pitch error and total error can be calculated accurately and the out-oftolerance teeth can be positioned.

ABS ring gear pitch error,Out-of-tolerance teeth positioning,Test method

ABS齒圈節(jié)距誤差超差齒定位測試方法

U467.3

：A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1000-3703（2014）02-0040-04

國家重大儀器專項(xiàng)資助（編號(hào)：2012YQ15025603）。