ABS齒圈節距誤差與超差齒定位測試系統＊

周良杰趙治國

（1.萬向錢潮（上海）汽車系統有限公司；2.同濟大學）

ABS齒圈節距誤差與超差齒定位測試系統＊

周良杰1趙治國2

（1.萬向錢潮（上海）汽車系統有限公司；2.同濟大學）

建立了ABS齒圈節距數學方程，通過分析節距誤差產生的原因，提出將齒圈節距測量轉化為脈沖電信號進行測量的方法，并設計了ABS齒圈節距誤差與超差齒定位的測試系統。介紹了測試系統的結構、數據采集及軟件設計等，分析了不同測試參數對測試精度的影響。試驗結果表明，該測試方法解決了機械與投影等方法無法對ABS齒圈進行準確測量的問題，利用該測試系統可準確得到ABS齒圈單齒誤差與累計誤差，同時可對超差齒位置進行定位。

1 前言

ABS齒圈多采用機加工或粉末冶金燒結工藝生產，其中加工順序、模具尺寸、工藝參數（如燒結溫度）、時間等因素都會造成其節距產生誤差。工業中，采用齒輪節距測量方法如機械法與投影法等測量ABS齒圈節距誤差時，存在無法準確取點、重復性差等缺陷。相關文獻[1，2]介紹了ABS齒圈結合輪速傳感器一同工作時齒圈對信號的影響，但未提出使用輪速傳感器對ABS齒圈進行節距誤差檢測。為此，設計了一種ABS齒圈節距誤差計算與超差齒定位的測試系統，可用于試驗室或生產線上進行在線測試，為ABS齒圈行業提供統一的檢測與判斷標準參考。

2 測試系統設計

2.1 方案設計

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

圖1為測試系統的測試原理。由圖1可看出，齒圈旋轉時，當點1接近輪速傳感器內部霍爾感應芯片時，穿過芯片的磁場強度增加，這時傳感器輸出電流由低變高，對應于圖2中輪速傳感器輸出電流信號1；當點2接近霍爾感應芯片時，穿過芯片的磁場強度減弱，輸出電流由高變低，對應于圖2中輪速傳感器輸出電流信號2。

圖1 中，金屬觸發器安裝在ABS齒圈齒頂處，與ABS齒圈同速轉動，當其靠近接近開關時產生脈沖信號（圖2）。

2.2 系統功能設計

圖3為測試系統功能框圖。

如圖3所示，電機帶動ABS齒圈以恒定速度旋轉，光電編碼器檢測電機轉速的穩定程度；霍爾輪速傳感器將ABS齒圈旋轉引起的磁通量變化轉化為方波脈沖；ABS齒圈旋轉360°，接近開關產生1個脈沖輸出；數據采集系統采集與存儲霍爾輪速傳感器輸出的方波信號、接近開關輸出的脈沖信號和光電編碼器輸出的電機轉速信號；數據處理部分進行節距誤差計算以及超差齒定位，并通過人機界面顯示計算結果。

3 數學方程分析

3.1 建立單齒節距誤差數學方程

ABS齒圈旋轉與輪速傳感器輸出信號關系如圖4所示。

建立第i齒對應的節距數學方程：

式中，ω為ABS齒圈轉速；r為節圓半徑；Di為第i齒的節距；ti為輪速傳感器周期Ti對應起始時間；ti+1為Ti結束時間，t為物理時間。

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。根據齒圈結構參數不同，最大氣隙一般為1.5 mm以上；為防止齒圈因圓跳動誤差在轉動時與傳感器機械干涉，最小氣隙一般為0.3 mm，在氣隙范圍內傳感器均能正常工作。表1為在氣隙為0.5 mm和1.0 mm時霍爾輪速傳感器輸出方波信號的高電平時間與周期。由此可知，氣隙大小僅影響信號占空比且影響不大，而對信號周期無影響，即對齒圈的節距無影響。

表1 在氣隙范圍內傳感器輸出高電平時間與周期

因此，齒圈節圓半徑r的誤差對系統不會產生影響，可將r作為常量r0，則式（1）變為：

測試系統中要求ω為恒定速度ω0，將其波動記為Δω，則式（2）可寫為：

式（3）中第1項積分可寫為代數式，則則ABS齒圈每個齒的節距誤差Pi為：

當Δω相對ω0可忽略不計時，式（5）積分項均可忽略，則

從式（6）可知，Pi即為輪速傳感器信號輸出周期Ti的誤差。

3.2 系統參數分析

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

因此，當Δω一定時，提高測試穩定轉速ω0可提高齒圈每個齒節距誤差精度。但轉速的提高一方面受電機額定轉速與穩定性的限制，另一方面當采集系統的采樣頻率一定時，轉速的提高會降低輪速傳感器信號周期Ti的采集精度，因此轉速不能無限增大，應將其控制在與電機和采樣系統匹配的范圍內。

影響Δω的因素較多，除受電機本身特性影響外，其還與傳動機構設計、負載變化等因素有關。在測試系統設計和電機選擇時，應盡量降低Δω。本文采用直流電機，電機供電電壓使用穩壓裝置，同時利用電機減速器將Δω成倍數降低。

由于Δω與ω0對測試系統存在影響，因此系統設計時必須對Δω與ω0的比值進行監控，當其不能忽略時不可采用式（6）進行近似計算，必須利用式（5）進行積分運算。

在實際應用中，積分運算耗時較長不適用于生產線在線測試，通常對Δω與ω0之商設定限值，在小于該限值的情況下利用式（6）進行近似運算。限值的確定可給定初值，由近似運算與積分計算結果的差確定。

3.3 超差齒定位

超差齒在輪速傳感器輸出的方波信號中反映為超差脈沖，超差脈沖位置是根據接近開關輸出脈沖到超差脈沖之間的脈沖個數來確定。

由數據采集系統得到的信號如圖5所示，接近開關輸出的2個相鄰脈沖之間距離即為ABS齒圈旋轉一周所用時間。ABS齒圈齒數為n，在輪速傳感器信號輸出中對應為n個脈沖方波。

在圖5所示傳感器輸出信號中，根據前述方法，利用式（5）可判斷出超差齒編號為3。結合實際安裝中金屬觸發點對應齒的真實編號與旋轉方向，即可確定ABS齒圈超差齒實際位置。根據超差齒的實際位置，ABS齒圈生產廠家可針對超差齒的超差幅度與位置分布，采取修改模具、調整熱處理溫度和刀具加工順序等工藝措施。

4 系統軟件流程設計

測試系統軟件流程設計如圖6所示，軟件控制ABS齒圈以預定轉速ω0旋轉，數據采集系統將輪速傳感器、光電編碼器與接近開關輸出波形進行記錄。

在接近開關輸出的脈沖信號中，取2個相鄰脈沖之間的時間間隔作為ABS齒圈旋轉1圈所用時間，輪速傳感器在這段時間內n個齒對應產生n個脈沖信號周期Ti。測試中，由光電編碼器與接近開關確定該段時間內Δω和ω0，判斷其是否在限制范圍內。如果在限制范圍內，則采用式（6）計算每個齒節距誤差Pi，否則采用積分計算Pi，最后可得到ABS齒圈單齒誤差SP與累計誤差TP。

5 測試系統試驗

根據圖3設計了如圖7所示的測試系統，采用的主要設備見表2。

表2 主要設備

將前述計算公式與測試流程通過軟件Labview進行編程開發，圖形化顯示傳感器采集波形信號與單齒誤差和累計誤差結果。

試驗中，將數據采集卡采樣頻率固定在250kHz，在不同齒圈轉速下，通過軟件分別利用式（5）和式（6）計算ABS齒圈單齒節距誤差SP，結果如表3所列。

表3 單齒節距誤差SP計算結果

對同一待測樣件，不同測試員采用投影法對齒圈投影進行3次尺寸測量，經計算的單齒節距誤差SP如表4所列。

表4 投影法單齒節距誤差SP計算結果

由表3可知，在齒圈轉速較低或較高情況下，測試系統的測試精度均有所下降，在中等轉速（900 r/ min）時，電機轉速波動與采樣偏差對系統產生的綜合影響達到最低，此時近似計算與積分計算結果一致，這與前述分析結果吻合。由表4可知，采用投影法對同一齒圈樣件測試時，測量結果受人為因素影響較大，無法準確測量。

對比表3與表4測試數據可知，所設計的測試方法穩定性好、精度高，可作為ABS齒圈大批量生產時合格與否的判斷手段。

6 結束語

ABS齒圈節距誤差是車輛防抱死系統中輪速計算的主要誤差來源之一，其誤差評判的準確性是保證ABS正確控制的前提條件。通過建立ABS齒圈節距數學方程，分析齒圈節距誤差形成原因，提出將齒圈節距測量轉化為脈沖電信號進行測量的方法，可準確計算單齒節距誤差與累計誤差。試驗結果表明，該測試方法穩定可靠、精度高，可替代機械法與投影法為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研究.南京:南京林業大學，2011.

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

3陳彥夫.ABS輪速傳感器的性能試驗研究.合肥:合肥工業大學，2008.

4羅文發.ABS齒圈和傳感器的應用技術.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處理.汽車科技，2006（4）:23～28.

（責任編輯文楫）

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齒圈節距誤差超差齒定位測試方法

U467.3

：A文獻標識碼：1000-3703（2014）02-0040-04

國家重大儀器專項資助（編號：2012YQ15025603）。