一種對車輛轉向性能進行靜態檢驗的系統

潘少猷 黃 煜 時 鳴 楊 東 馮 浩

(1.司法鑒定科學研究院，上海 200063；2.上海交通大學機械與動力工程學院振動、沖擊、噪聲研究所，上海 200240；3.上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805)

1 研究背景

我國目前交通事故中機動車安全技術檢驗與鑒定，都是依據我國公共安全行業標準之中的事故車輛安全技術鑒定(編號：GA/T642-2006)來開展的。根據該標準，針對交通事故車輛而開展的安全技術鑒定，指的是對交通事故安全狀況進行的技術檢驗、分析和判斷。按照其形態可分為3類：靜態鑒定、動態鑒定、零部件性能鑒定。其中靜態檢驗鑒定，被定義為在靜止狀況之下對發生事故車輛進行的技術檢驗以及鑒定。依據該標準，“失去行駛能力的事故車輛”，意味著汽車在事故前或事故中出現故障同時造成車輛某零部件損壞，且致使車輛無行駛能力[1]。關于失去行駛能力事故車，根據上述安全檢定標準，檢驗鑒定項目主要包括制動系、行駛系、轉向系、發動機、車身附件、傳動系等八大項目。作為影響轉向性的重中之重，轉向系的檢驗內容包括傳動、助力裝置、操作機構以及轉向器這四個檢驗項目。而轉向傳動模塊又包括轉向拉桿及其球銷、梯形臂、左右一共兩個轉向節。在上述零部件中只要有一個出現問題，就極可能導致汽車轉向系產生故障，從而大大增加行車途中引發事故的可能性。

往往受事故影響嚴重的事故車，以現有車況來看多數根本不具備正常行駛能力。在檢驗這一類無行駛能力車輛時，技術人員首先要全面了解車輛參數，然后通過部分總成的相關參數及工況檢驗，加之以零部件拆解測量分析，對系統以及零部件的基本狀況產生一個基本判斷。在了解事故車各大總成和安全條件是否滿足這一前提下，再綜合其余外部因素得出最終鑒定結論[2]。

轉向異常是交通事故的重要成因之一，但是目前缺乏系統的鑒定方法對這一異常進行鑒定[3]。即便采用僅有的少數靜態檢驗系統來鑒定事故車轉向性能，也只能夠確認車輛在構造方面是否有故障存在，如連接是否完好、是否有斷裂現象。至于鑒定出轉向性能存在異常與否，以目前的靜態檢驗系統極難做到[4]。

2 轉向性能靜態檢驗系統的構建

2.1 總體設計思路

為了實現對轉向性能進行靜態檢驗的目標，首先要確定測量的變量。轉向系統主要的功能就是將轉向盤的轉角輸入，轉換為轉向輪的偏轉。根據其功能特性來分析，待測變量設定為2個，一個是轉向盤的轉角，另一個是轉向輪的偏轉角。測量轉向盤轉角與車輪偏轉角之間比值，其意義主要在于和轉向傳動比進行比較。而設備儀器的量程要求預設如表1所示。

表1 儀器量程的預設要求

從表1中可以看出，實際實驗過程中，要使地轉向盤轉角達到最大(即通常說的“打到底”)，需要向一個方向打兩圈多一點。車輪偏轉角一般不超過60°[5]。這樣的標準設定，特別是轉向盤旋轉角與車輪旋轉之間的比值，是符合一般車輛的轉向傳動比的(一般小型車轉向傳動比約等于12～20)。

2.2 車輪側支架部分

2.2.1 支架的基本結構

為實現對車輛轉向系統中車輪偏轉角度的檢驗，設計開發了一款測角度裝置——車輪矢量傳感器支架。針對車輪矢量傳感器支架開展建模，并對已建立的支架模型進行標注與簡化，如圖1所示。

圖1 支架標注圖

支架各關節標號已經完成。令車輪實際偏轉角度等于α。考慮通常在測試前，C點的夾角已經被調整好，BC、CD兩根桿具備簡化條件，所以將BC(長度l30)、CD(長度l4)兩桿合二為一進行數學計算，新桿長為l3。同樣考慮吸盤處的O點，它與A點的相對位置也是在測試前就已被調整好的[6]。故而在測試過程中O、A二點無相對運動，在數學計算中不必考慮，桿長l1的影響也無關緊要。

車輪轉向中心點不在輪轂也不在大法蘭上。轉動半徑取l5，則車輪轉動角度α導致水平位移l5×sinα。如此簡化后，問題變為兩桿問題，僅需在豎直平面內建立理論模型[7]。該模型如圖2所示。

圖2 支架簡化圖

黑色粗體的AB、BD為兩根連桿，DE為車輪轉動α度角產生的水平位移l5×sinα。

首先進行力學分析。規定X軸方向向下，Y軸方向向右。在桿長不變情況下，變量有α、β、γ。需要分析AB桿、BD桿受力。利用達朗貝爾原理，考慮慣性力、慣性力矩，把AB桿、BD桿受到的慣性力Fx2、Fy2、Fx3、Fy3和慣性力矩M2、M3都納入受力分析范圍[8]。

若在電壓下降沿合閘，將產生負向的暫態直流偏置磁鏈，若此時剩磁方向為正，將抵消掉部分變壓器A相工作磁鏈的正向偏移，進而減小勵磁涌流；若剩磁方向為負，將加劇合閘后變壓器A相工作磁鏈的正向偏移，引起勵磁涌流的增加。

其中，a2等于γ二階導數，a3等于β二階導數。

首先分析AB桿。AB桿中，慣性力F2和慣性力矩M2如下：

(1)

(2)

M2=J×a=J2a2

(3)

其次分析BD桿。先用加速度分解法求出ac3在X、Y上的分量，并求得在BD桿慣性力F3和慣性力矩M3如下：

(4)

(5)

F3x=m3ac3x

(6)

F3y=m3ac3y

(7)

M3=J×a=J3a3

(8)

再分析力矩。首先從A點出發，分析AB、BD兩桿整體。繞點A合力矩必為零。方程如下：

(9)

再從B點出發，分析BD一根桿。繞點B合力矩必為零。方程如下：

(10)

根據選取的不銹鋼材料密度，并預設連桿的直徑均為12 mm，計算可得桿l2質量約為300克，桿l3質量約400克。按照根據F=ma牛頓第二定律，得出桿受力最大值為F2=0.3×0.367=0.11 N，F3=0.4×0.634=0.253 6 N，都遠小于連桿鋼材(材質不銹鋼304)能承受的最大力1.75 N，所以安全性沒有問題，完全可以確保工作正常[9]。

2.3 車輪轉向傳感器

在車輪側通過安裝編碼器的方式，來實現對車輪偏轉角的測量。其測量角度的原理：在編碼器中央的孔中，穿插一根短軸。若短軸相對編碼器整體不是完全相對靜止，勢必會有角度旋轉。這一相對旋轉的角度，就是編碼器的讀數。同時，短軸相對于編碼器的角度旋轉值，正是車輪偏轉角[10]。運用轉換法，把車輪偏轉角轉變成短軸和編碼器的相對運動，以此達到使測量原理清晰，簡化所測物理量關系的效果。

本系統所用的車輪轉向傳感器是一款增量型編碼器，符合工業標準，故而能夠承受測角度時可能受到的沖擊或力矩。高達每轉25 000個脈沖數，IP67的防護等級，在保證其采樣的精度的同時，也確保該編碼器能夠在實際測量環境下正常工作。同時，該編碼器重量只有0.25 kg，所以對支架、連桿運動不會造成很大影響。抗沖擊性、抗振動性良好，能有效地抵御外界沖擊。因此，其特性符合實地測量要求，可確保能在實際測量環境下正常工作。

2.4 轉向盤組件

為了對轉向盤的轉角進行測量，就要在轉向盤上安裝轉角脈沖傳感器。但轉向盤的外形構造不便于直接安裝傳感器，就需要專門設計一塊安裝底板。經過加工，完成的底板安裝在轉向盤上的實物照片如圖3所示。該底板采用三點式對心方式，保證傳感器中心軸線與轉向盤轉動軸線具有較好的重合性。

圖3 轉向盤轉角傳感器安裝底板

在轉向盤上安裝的轉角脈沖傳感器能將轉向盤的轉動量實時轉換為脈沖信號。該傳感器具有良好的抗沖擊性，高達每轉4 096個脈沖的精度，IP67的防護等級，在保證其采樣的精度的同時，也確保該編碼器能夠在實際測量環境下正常工作。

2.5 數據采集器。

最終，通過數據采集器將車輪偏轉角傳感器及轉向盤轉角傳感器采集到的模擬信號統一轉換為數字信號后，經USB接口傳輸至計算機。

3 實車實驗

3.1 檢驗系統的安裝

為了驗證構建的靜態轉向性能檢驗系統是否可以滿足需求，將該檢驗系統安裝到一輛貨車上，并進行了數據采集。

在車內安裝轉向盤轉角測量裝置，并且在車外分別在左、右前輪上安裝上車輪偏轉角測量裝置。其中，測轉向盤轉角裝置必須裝在轉向盤正上方并保持中心對齊，并用吸盤把整套裝置固定在前擋風玻璃上，如圖4所示。由于前擋風玻璃面積大，而且表面平坦，因此將吸盤吸附在前擋風玻璃上并不難。

圖4 轉向盤轉角測量裝置

安裝車輪偏轉角裝置時，首先將整套裝置綁定車輛輪轂確保其不會出現偏移，然后利用鋼絲繩(4 mm直徑)分別依次穿過法蘭上的孔、法蘭上的凹槽、車輪轂的孔洞[11]。待支架安裝完成后，操作人員可適當用手觸摸或輕微搖晃支架，檢驗吸盤是否會脫落或存在搖晃過于劇烈的現象，以確保正式測量過程中的設備工作正常以及測試準確性，如圖5所示。

圖5 車輪偏轉角測量裝置

3.2 檢驗方法

實驗前，保證車輛不受外力干擾。首先，將車輪對準轉向盤中心。隨后，接通儀器電源，開始預熱，等它升溫至正常工作溫度。接著，讓操作人員坐上駕駛座，勻速轉轉向盤(轉速約為30 °/s)。轉向盤轉到底之后，反方向回轉。記錄下轉向盤旋轉角，以及車輪轉過角度。轉向盤回正，即回到零位置。實驗完成后，測試數據均已傳輸至計算機，供后續分析使用。

3.3 檢驗數據

用研制完成的檢驗系統測量了3種不同類型、8輛正常汽車以及2輛轉向性能異常車輛的轉向盤以及車輪偏轉角數據，基于這8組正常車輛數據以及汽車轉向系統傳動結構的本身特點分析特征值的選取[12]。

數據測量過程一共測得8輛轉向正常車輛以及2輛轉向異常車輛的轉向盤轉角以及左、右車輪偏轉角，按照汽車分類的國標GB/T3730.1—2001，可將這10輛車分為三個類型：普通乘用車、高級乘用車以及普通貨車，現將其種類和車型列舉如表2所示。

表2 實驗測量用車種類車型情況統計表

分別將這8輛正常車輛轉向盤轉角與車輪偏轉角在實驗中隨時間變化的曲線展示如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 8輛正常車輛轉向盤轉角隨測試時間變化圖

圖7 8輛正常車輛左輪偏轉角隨測試時間變化圖

圖8 8輛正常車輛右輪偏轉角隨測試時間變化圖

在測試的8輛車中，由于測試的3輛上汽大眾Polo車型相同，且實驗條件基本保持不變，因此polo-1、polo-2、polo-3的曲線重合在了一起，其余車輛變化曲線在圖上都可以明顯得觀察出來。大通g20測試時開始一段時間沒有轉動，推測開始實驗時還在調試設備，并非異常數據[13]。此外還可以觀察到N33和威鈴Ⅱ的轉向盤最大轉角明顯大于其余乘用車，數據符合客觀規律。

每次實驗都是轉向盤從中間位置開始轉動，一直到轉向盤打死，也就是圖中最低點的位置，然后向反方向轉動轉向盤到轉向盤打死，即圖中最高點的位置，最終回到中間位置。由于每次測試中測試人員轉動轉向盤的速度不同，導致每次實驗結束時間基本不同，但是可以發現轉向盤轉角與左、右車輪偏轉角的變化趨勢基本保持一致，符合之前所做的推測。

為了進一步研究車輛轉向盤轉角與車輪偏轉角的關系，本文分別將8輛車的轉向盤轉角數據以及左、右輪偏轉角數據放入Matlab軟件中使用corrcoef(,)函數進行相關性分析[14]。以第一輛車即g10-1轉向盤與左輪偏轉角的計算結果為例，得到一個2×2矩陣：

將每一組相關性系數列舉如表3所示。

表3 正常車輛左、右輪與轉向盤轉角的相關性分析統計表

經過相關性的分析，正常車輛的轉向盤轉角與左、右車輪偏轉角存在強的相關性，這為繼續研究轉向傳動比作為判定車輛轉向性能異常的數據表征提供了一定的依據。轉向傳動比為轉向盤的轉角與車輪偏轉角的比值，車輛轉向系統機械傳動機構本身的構造再加上測量數據的佐證，將其確定為判定車輛靜態條件下轉向性能異常的特征量，對于開展車輛轉向性能靜態鑒定具有實際意義。

4 討論與總結

本文的這款車輪偏轉角靜態檢驗系統以量化數據為基礎，可改變目前傳統靜態轉向檢驗僅能確認是否連接完好但不能判斷轉向異常現象存在與否的狀況。總體而言，該檢驗系統可實現性高。首先支架材料304不銹鋼容易獲取，成本不高，且支架加工制造容易；其次各個傳感器，其精確度均符合測試環境要求，適用于幾乎所有實地測試環境；再者，測試結果可以數據量化形式呈現，科學性及說服力更高。后續仍存在待以解決的問題，如系統誤差精度的評價及其優化改進方法、何種安裝方式才能最大程度上減少其裝配誤差等。

在司法化程度不斷提升的今天，司法鑒定在交通事故處理領域發揮的作用越來越被重視，需求不斷上升，這勢必推動事故車輛鑒定技術的不斷更新發展。轉向異常是交通事故的重要成因之一，但是目前缺乏系統的鑒定方法對這一異常進行鑒定。即使有測車輪偏轉角的方法也適用性不強，無法針對無行駛能力事故車開展靜態測試。而本文的這款車輪偏轉角靜態檢驗系統可以解決車輛靜態檢驗轉向性能的問題，同時其測得的轉向盤轉角與左、右車輪偏轉角存在強的相關性，對表征轉向性能異常具有實際意義。因此，借助矢量傳感器支架結合數據量化分析，對事故車輛轉向性能進行靜態鑒定是兼具創新意義與現實意義的。