CN101532899B - 方向盘转动惯量测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提出一种结构简单、成本低、使用和维护方便的方向盘转动惯量测量装置及其测量方法。该测量装置包括一个刚性基座，基座上刚性固定有一个端部可固定待测方向盘的钢管，所述钢管贴有至少一片直角应变片，所述直角应变片中的每片应变片都与钢管轴线成45度角，所述直角应变片与带有应变测量模块的数据采集单元相连。上述测量装置的测量方法的关键在于包括标定钢管的扭转刚度和测量待测方向盘的转动惯量两个步骤。上述测量装置结构简单、成本低，故障率低，使用和维护都很方便；本发明的方向盘转动惯量测量装置的测量方法简单、操作方便、测量准确，可以代替现有相关的复杂测量装置，有效提高产品的测量、研发速度。
Description
技术领域
本发明属于汽车制造技术领域，特别涉及到一种测量汽车方向盘转动惯量的测量装置及其测量方法。
背景技术
方向盘的转动惯量是汽车转向系设计中一个很重要的参数，它对车辆的转向特别是回正性能，以及NVH性能都有较大的影响，因此在对转向系统的建模仿真中，方向盘的转动惯量是必不可少的参数之一。在研发阶段，研发人员需要对一种甚至多种方向盘的转动惯量进行多次测量，以改进方向盘及汽车的性能，但是国内目前尚无专门的针对方向盘转动惯量的测量装置，现有的一些通用的测量转动惯量的装置，例如200620093657.8专利公开的一种转动惯量测定仪，它包括定盘、动盘、对称安装的一对滑轮支架、光电门、挡光片、数字毫秒计，其特征在于所述的动盘为平台式载体动盘，所述的滑轮支架为套筒式变向滑轮架。还有01253438.2专利公开的一种测定异形物体转动惯量的装置，由线弹性刚度系数扭杆、两均质圆盘及支座构成，一均质圆盘固定于扭杆下端，另一均质圆盘由支座固定，与圆盘同轴且位于同一水平面上，此圆盘由底盘及沿底盘外围突起的环形体构成，环形体内侧壁设有透光孔，透光孔内装有光敏时间测定仪，沿底盘上与环形体底部的接合部或环形体侧壁设有刻度，固定于扭杆下端的圆盘外侧壁上与透光孔相对应位置设有激光发射器。上述这些测量装置因为要测量各种形状的物体的转动惯量，因此其结构都比较复杂、成本较高、使用和维护都不方便。
发明内容
本发明的第一个目的是提出一种结构简单、成本低、使用和维护方便的方向盘转动惯量测量装置。
本发明的方向盘转动惯量测量装置包括一个刚性基座，基座上刚性固定有一个端部可固定待测方向盘的钢管，所述钢管贴有至少一片直角应变片，所述直角应变片中的每片应变片都与钢管轴线成45度角，所述直角应变片与带有应变测量模块的数据采集单元相连，所述基座具有一刚性水平支架，所述钢管垂直固定于水平支架。
本发明的测量原理如下：待测方向盘和钢管构成了一个质量---弹簧系统，当给该质量---弹簧系统施加一个脉冲力时，将会激励起该系统在整个频率范围内的响应，由于该质量---弹簧系统具有一个固定的自然频率，因此将在这个频率点上出现一个共振峰值，这个频率峰值可以从快速傅立叶变换的处理结果(即频响曲线)上直接读出来，由于钢管的k值可以通过标定得到，因此利用公式
即可求出方向盘的转动惯量m。
钢管与基座的连接端是固定的，不会转动的，但是钢管固定待测方向盘的一端是可以做微小转动的，此时钢管相当于一个扭转弹簧，有一定的扭转刚度，并且在弹性范围内此刚度为一个常数。当钢管端部的待测方向盘在切向脉冲力的作用下转动时，钢管上每一点都会产生微小的变形，钢管上贴有的应变片可以测量到这个微小的变形，并将测得的结果传输到数据采集单元进行处理。由于钢管扭转时产生剪切应变的方向为斜45度，因此应变片必须成直角布置，并且要与钢管轴线成45度角。
将钢管垂直设置，测量时钢管所受的扭矩力就完全来自于测量人员施加给待测方向盘的切向脉冲力，而不受待测方向盘的重力的影响，因此可以减少因待测方向盘质量分布不均匀而造成的测量偏差，保证测量精度。
为保证测量数据的准确性，所述钢管最好贴有两片位置相对的直角应变片，当两片直角应变片测得的数据在误差范围内时，就说明测量装置工作正常，测量结果准确可信。
所述直角应变片贴在钢管靠近基座的位置处，这样可以减少钢管因受待测方向盘施加的径向力而产生形变的影响，使应变片仅受切向力的影响，保证测量结果精确。
所述基座由互相垂直的水平支架和安装支架固定连接而构成，所述钢管垂直安装在水平支架下方，所述安装支架设置有用于固定基座的安装孔，安装支架与水平支架之间设置有加强筋。上述基座可以通过安装孔固定在墙上，结构简单、稳固，固定方便，可以有效减少因为基座振动而对测量结果产生的影响。
所述钢管的上端焊接有法兰盘，钢管上端通过螺栓与水平支架刚性连接；所述钢管的下端设置有螺纹，钢管下端通过螺母与待测方向盘刚性连接。钢管与基座、待测方向盘之间连接方便、可靠。
本发明的第二个目的是提出上述方向盘转动惯量测量装置的测量方法，该方法关键在于包括如下步骤：
A、标定钢管的扭转刚度：a、将标定盘装在钢管端部；b、向标定盘施加切向方向的脉冲力，利用数据采集单元采集钢管的扭转应变信号；c、计算钢管的扭转刚度，所述钢管的扭转刚度k由公式
得出，其中m1为标定盘的转动惯量，f1为利用数据采集单元采集到的标定盘与钢管所组成系统的共振频率；
B、测量待测方向盘的转动惯量：a、卸下标定盘，将待测方向盘装在钢管端部；b、向待测方向盘施加切向方向的脉冲力，利用数据采集单元采集钢管的扭转应变信号；c、计算待测方向盘的转动惯量，所述待测方向盘的转动惯量m2由公式
计算得出，其中k为A步骤中得出的钢管的扭转刚度，f2为利用数据采集单元采集到的待测方向盘与钢管所组成系统的共振频率。
上述标定盘是经过机械加工，具有规则外形和均匀质量的铁盘，由于其形状规则且质量均匀，因此其转动惯量m1可通过公式计算出来，然后再用计算出来的标定盘的转动惯量来求钢管的实际扭转刚度k，得到钢管的实际扭转刚度k之后即可来测量待测方向盘的转动惯量m2了。
上述施加给标定盘(或待测方向盘)切向方向的脉冲力使标定盘(或待测方向盘)产生自由振荡，在数据采集单元端即可得到比较长时间的连续的振荡曲线，在施加切向力时应注意使冲击力沿标定盘(或待测方向盘)径向的分量尽可能小，否则将使钢管的弯曲变形振动叠加在扭转振动中，影响峰值的辨识。
本发明的方向盘转动惯量测量装置结构简单、成本低，因为其电气元件较少，因此故障率低，使用和维护都很方便；本发明的方向盘转动惯量测量装置的测量方法简单、操作方便、测量准确，可以代替现有相关的复杂测量装置，有效提高产品的测量、研发速度。
附图说明
图1是实施例1的方向盘转动惯量测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图来详细说明本发明。
实施例1：
如图1所示，本实施例的方向盘转动惯量测量装置包括一个由互相垂直的水平支架11和安装支架12固定连接而构成的刚性基座1，水平支架11的下方刚性固定有一个端部可固定待测方向盘的钢管2；所述安装支架12设置有用于固定基座1的安装孔14，安装支架12与水平支架11之间设置有斜向的加强筋13；所述钢管2在靠近水平支架11的位置处贴有两片位置相对的直角应变片3(另一片直角应变片在图中未画出)，所述直角应变片3中的每片应变片都与钢管2的轴线成45度角；所述直角应变片3与带有应变测量模块的数据采集单元相连(数据采集单元在图中未画出)；所述钢管2的上端焊接有法兰盘21，钢管2上端通过螺栓与水平支架11刚性连接；所述钢管2的下端设置有螺纹，钢管2下端通过螺母与及待测方向盘刚性连接。
在测量时，基座1通过螺栓固定在墙上，以减少因为基座1振动而对测量结果产生的影响。
上述方向盘转动惯量测量装置的测量方法包括如下步骤：
A、标定钢管的扭转刚度：a、将标定盘装在钢管端部；b、向标定盘施加切向方向的脉冲力，利用数据采集单元采集钢管的扭转应变信号；c、计算钢管的扭转刚度，所述钢管的扭转刚度k由公式
得出，其中m1为标定盘的转动惯量，f1为利用数据采集单元采集到的标定盘与钢管所组成系统的共振频率；
B、测量待测方向盘的转动惯量：a、卸下标定盘，将待测方向盘装在钢管端部；b、向待测方向盘施加切向方向的脉冲力，利用数据采集单元采集钢管的扭转应变信号；c、计算待测方向盘的转动惯量，所述待测方向盘的转动惯量m2由公式
计算得出，其中k为A步骤中得出的钢管的扭转刚度，f2为利用数据采集单元采集到的待测方向盘与钢管所组成系统的共振频率。
Claims (6)
1.一种方向盘转动惯量测量装置，其特征在于该装置包括一个刚性基座，基座上刚性固定有一个端部可固定待测方向盘的钢管，所述钢管贴有至少一片直角应变片，所述直角应变片中的每片应变片都与钢管轴线成45度角，所述直角应变片与带有应变测量模块的数据采集单元相连，所述基座具有一刚性水平支架，所述钢管垂直固定于水平支架。
2.根据权利要求1所述的方向盘转动惯量测量装置，其特征在于所述钢管贴有两片位置相对的直角应变片。
3.根据权利要求2所述的方向盘转动惯量测量装置，其特征在于所述直角应变片贴在钢管靠近基座的位置处。
4.根据权利要求1所述的方向盘转动惯量测量装置，其特征在于所述基座由互相垂直的水平支架和安装支架固定连接而构成，所述钢管垂直安装在水平支架下方，所述安装支架设置有用于固定基座的安装孔，安装支架与水平支架之间设置有加强筋。
5.根据权利要求1或4所述的方向盘转动惯量测量装置，其特征在于所述钢管的上端焊接有法兰盘，钢管上端通过螺栓与水平支架刚性连接；所述钢管的下端设置有螺纹，钢管下端通过螺母与待测方向盘刚性连接。
6.根据权利要求1所述的方向盘转动惯量测量装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
A、标定钢管的扭转刚度：a、将标定盘装在钢管端部；b、向标定盘施加切向方向的脉冲力，利用数据采集单元采集钢管的扭转应变信号；c、计算钢管的扭转刚度，所述钢管的扭转刚度k由公式得出，其中m1为标定盘的转动惯量，f1为利用数据采集单元采集到的标定盘与钢管所组成系统的共振频率；
B、测量待测方向盘的转动惯量：a、卸下标定盘，将待测方向盘装在钢管端部；b、向待测方向盘施加切向方向的脉冲力，利用数据采集单元采集钢管的扭转应变信号；c、计算待测方向盘的转动惯量，所述待测方向盘的转动惯量m2由公式
计算得出，其中k为A步骤中得出的钢管的扭转刚度，f2为利用数据采集单元采集到的待测方向盘与钢管所组成系统的共振频率。
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