CN101644629B - 测量小动态振幅下转向柱的扭转动力学特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量小动态振幅下转向柱的扭转动力学特性的方法，提供一种用于测量转向柱的低振幅动态特性的方法，包括将该转向柱安装到测试夹具中并且执行测试运行。该测试运行包括使该转向柱的输入端受到输入激励并且测量输出状况，该输出状况包括加速度、速度和位置中的至少一个，以及确定该输出状况是否在预定输出范围之内。输入激励可以包括具有选定频率范围、转矩或位移的正弦激励，或颤振激励。使用开环计算从该输出状况确定该选定转矩或位移，从而获得目标加速度。对数据进行解释从而确定转向柱的固有频率或轮缘增益，将它们与预定可允许范围进行比较。方向盘轮缘增益最大可允许水平可以大约等于1除以该方向盘的极惯性矩。

Description

测量小动态振幅下转向柱的扭转动力学特性的方法

技术领域

本发明涉及用于测试转向柱的动态特性的方法。

背景技术

当车辆在道路上操作时，路面的凹凸不平会引起车辆轮胎的运动。这些运动随后会经过车辆悬架传递给车辆内部。在有些情况下，这些运动会从道路传递给方向盘，从而是驾驶员可感受到的讨厌的振动。

此外，位于车辆拐角处的转动部件会有不规则性，例如轮胎、车轮和制动盘的不平衡、不圆和偏心。这些不规则性还会引起产生运动的车辆内部力，这些运动传递给车辆内部。在平路上，这些运动在乘客附近作为振动为最为显著，对于这种情况，外部运动源不明显。由转动部件的不规则性引起的这些振动在随后的拐弯转动时重复出现；并且可称之为周期性的。一种特定类型的周期振动包括方向盘的扭转运动并且可称之为″平路摇晃(smooth road shake)″。

发明内容

提供一种用于在低动态振幅下测量转向柱的动态特性的方法，该柱或柱组件具有输入端和输出端。该低动态振幅代表着较平坦道路上车辆的操作或者是表征平路摇晃的状况。该方法包括将转向柱安装到测试夹具中并且执行第一测试运行。该测试运行包括使转向柱的输入端受到第一组输入激励并且测量在输出端处由第一组输入激励引起的第一组输出状况。这些输出状况包括输出端的加速度、速度和位置中的至少一个。方向盘或转向柱底座可以是输出端。该方法然后可以确定第一组输出状况是否在预定或预选的输出范围之内。

而且，第一组输入激励可包括具有第一选定频率范围和/或第一选定转矩的正弦激励。可以使用开环计算从第一组输出状况确定第一选定转矩，从而获得第一目标加速度。

可以执行第二测试运行，包括使转向柱的输入端受到第二组输入激励，并且在转向柱受到第二组输入激励时测量输出端处的第二组输出状况。第二组输出状况也可以包括输出端的加速度、速度和位置中的至少一个。可以使用另一开环计算确定用于第二组输入激励的第二选定转矩，从而获得不同于第一目标加速度的第二目标加速度。

对来自第一组输入激励和输出状况的数据进行解释从而确定被测试的转向柱的固有频率，并且将该固有频率与预定的固有频率范围进行比较。第一选定频率范围可以大约为1到30赫兹，第一和第二目标加速度可以从大约1到10弧度/秒²的范围内选择。

测试数据的另一用途包括从所述第一组输出状况和所述第一组输入激励确定第一方向盘轮缘增益(rim gain)，并且确定第一方向盘轮缘增益是否低于最大可允许的水平。可以在不同于第一选定频率范围的第二选定频率范围确定方向盘轮缘增益，并且第二选定频率范围可以大约等于10到20赫兹。方向盘轮缘增益的最大可允许水平可以约等于1除以方向盘的极惯性矩。

该方法还可以包括在第一和/或第二测试运行期间使输入端受到颤振激励。另外，这些测试运行可以具有第一选定位移和频率，并且可以通过将第一组输出状况拟合成单自由度方程式来确定固有频率，该方程式包括弹簧常数、阻尼常数和极惯性矩中的至少一个。

本发明的上述特征和优点及其他特征和优点将通过对实施本发明的最佳模式及其它实施例的同时参照附图的下列详细描述变得明显。

附图说明

图1是用于测量转向柱组件的扭转动力学特性的测试夹具的示意透视图；[0022]图2是在小动态振幅下测量转向柱的扭转动力学特性的方法的流程图；和

图3是输出状况作为输入激励的函数的示例图表，在这种情况下，增益作为频率的函数。

具体实施方式

参照这些附图，其中，在这几个附图中，相同的附图标记对应于相同或相似的部件，在附图中示出了用于在低动态振幅下测试和测量转向柱的动态特性的指示性、示例性过程，该低动态振幅可以是平路摇晃的特征。这个测试可用于协助进行正确的部件设计和选择，从而使振动水平降低和降低驾驶员感知的振动。

图1示出了可与本发明一起使用的测试夹具10的示意说明的透视图。转向柱组件12通过保持轴承14的托架16安装或者以其他方式固定于测试夹具10。

转向柱组件12包括由轴承14支撑的转向轴18。通过使用与将转向柱12附接到车辆(未示出)的相同托架16，测试夹具10可以模拟转向柱组件12安装在车辆中时的实际支撑结构、安装点和运行条件。转向柱组件12可包括附加的轴承14，从而在托架16的相对端处为转向轴18提供附加支撑，并且许多实施例会包括两个这种轴承。替换性地，可以用模拟托架(未示出)来支撑转向轴18或转向轴18和轴承14。

在图1所示实施例中，测试夹具10将输入激励作用到转向柱组件12的输入端20并且测量与输入端20大体相对的输出端22处所得状况。输入和输出端20和22不需要相对于转向柱组件12固定，测试夹具10可以构造成将输入激励作用到被测试的转向柱组件12的任一端。

图1所示测试结构包括在输入端20处的附接臂24以将输入激励传递到转向柱组件12。该实施例使用两个激励装置26，例如使用支臂(stinger)27连接至转向柱组件12的电磁振动器，从而在附接臂24的相对端上施力。支臂27是细长杆，以高弯曲顺应性和低轴向(与对称机体轴线同心)顺应性为特色，这会是本领域技术人员公认的。

激励装置26构造成使附接臂24上的输入力矢量的总和为零。因而，激励装置26绕与转向轴18同轴延伸的轴线将转矩施加到转向柱组件12。

本领域技术人员将认识到，测试夹具10不需要使用与图1所示类型完全一致的激励装置26。例如，可使用转矩电动机将类似转矩施加到转向柱组件12中。在使用转矩电动机的实施例中，附接臂24不是必需的，因为转矩可以通过毂或花键(未示出)直接地(且同轴地)传递给转向轴18。另一示例可涉及使用单个激励装置26(振动器和支臂)，其连接至转向柱组件12，与转向轴18隔开一段距离，绕可转向的轴线施加转矩。

激励装置26构造成可变地使转向柱组件12经历受控周期性或振荡的输入激励(周期施力函数)。周期性激励可以模拟车辆的振动，并且可以构造成模拟平路摇晃状况下车辆的操作。在一个测试实施例中，激励装置26构造成输入具有在约1至30赫兹(Hz)之间可变的输入频率范围的周期性或振荡的激励。在整个公开和所有附图中，频率可缩写为″f″。本领域技术人员将认识到，输入激励不需要是完全周期性的，而是可以包括以不定时间间隔作用的力和位移。

另外，还可以作用颤振来响应于在表面上光滑但仍然有凹凸的道路上的运动(平路摇晃)而进一步模拟车辆中转向柱组件12的操作。就模拟发动机和传动源的激励来说，颤振激励可以包括宽带随机噪声，或者带限(band-limited)或其它方式成形的且富光谱的随机或准周期的激励。颤振还可以包含低频内容，模拟代表车辆操作的正常驾驶员转向修正(steering correction)。这些颤振激励的同时应用以及振动响应的随后分解(产生对周期性或振荡输入激励的关键、连贯的响应的表征)可导致对平路摇晃和驾驶员响应操作状况的进一步模拟。

除改变输入频率之外，激励装置26还可以改变至附接臂24的输入力或转矩(或直接输入至转向轴18)。根据所用激励装置26的类型以及控制输入激励的方法，附接臂24可以装备有受力传感器28，该受力传感器28能够测量每个激励装置26对附接臂24的力输入。

本领域技术人员将认识到用于控制和测量输入力或转矩的其它方法。激励装置26可以构造成自我监测用于施加周期性输入激励的力或转矩。在图1所示实施例中注意到，受力传感器28还可以用来计算作用于连接臂24上的转矩，将测得的力与从附接臂24的中心到施力处的距离相乘：转矩＝力×距离。

输出端22位于转向柱组件12的相对于轴承14的相对端上。方向盘30附接在转向轴18上以模仿生产车辆中的状况和生产转向柱组件的设置。

一个或多个加速度表32可附接至方向盘30的轮缘(外部)以测量在测试期间方向盘30的角加速度。替换性地，位置或速度响应式传感器(未示出)可放置在方向盘30的轮缘上以测量在测试期间方向盘30的角位置、线性位移或速度。本领域技术人员将认识到，角位移、速度和加速度也可通过测量这三个中的任一个来计算。

在一种替换性的测试结构中，用等效的杆(未示出)代替方向盘30，加速度表32将附接在该等效杆上。为了模拟生产转向柱组件12以用于测试，等效杆可以设计或构造成所具有的极惯性矩(PMI)约等于方向盘30的PMI。等效杆的PMI可以使用下面的公式计算： $\mathrm{PM}{I}_{\mathrm{eqmv}}=\frac{1}{12}m(a^2+b^2)$ 此处，m是质量(以千克为单位)，a和b分别是杆的宽度和长度(以米为单位)。

可以使用控制系统34来控制激励装置26并且测量、记录或监测来自激励装置26、受力传感器28、加速度表32的数据以及任何其它在测试过程中所监测的状况。转向柱组件12的一些实施例可包括柱电气组件(CEA)36(如虚线所示)，该柱电气组件36可以容纳方向灯操纵杆、前灯和雨刷控制器、防盗设备、类电气换向器(时钟弹簧)以及用于转向柱组件12的其他控制器和电气部件。

现在参照图2，示出了用于测试、测量和分析转向轴(例如18)和轴承(14)或转向柱组件(12)的动态特性的算法或方法100的一个实施例的示意流程图。该方法100的大部分可以用本文所述的测试夹具10的部件和元件实施但不是必须的。为了叙述的目的，参照测试夹具10的一些元件来描述方法100。

方法100从起始步骤102开始，在这一步骤，集合设备并且为正确和安全的操作做准备；初始化并校准电子设备；以及集合试件或多个试件(例如转向柱组件12)并为了测试的安全性和适合性而检查试件。在步骤104中，将试件，转向柱组件12，安装到测试夹具10上。可以通过将托架16固定到测试夹具10上或通过将轴承14直接固定到测试夹具10上，例如通过模拟的托架结构，来完成这个安装。

在步骤106和108中，激励装置26和加速度表32分别附接在输入端20和输出端22上。根据所查找的数据的不同，输入端20可以是附接臂24或方向盘30。而且，方法100可包括多次运行或重复，并且对于这些运行或重复的一部分，可以通过将激励装置26附接在方向盘30上并将加速度表32附接在附接臂24或转向柱组件12的那端上的其它部件上，来将输入端20和输出端22颠倒，从而使得测试结果包括来自转向柱组件12的两端的激励的数据。

一旦转向柱组件12正确地安装到测试夹具10上，就在步骤110中通过将目标编入控制器34，或者通过警告测试夹具10的操作者来设定第一目标输出。目标输出可以从构造成与在转向柱组件12安装在车辆中时发生的平路摇晃状况近似的范围中选择。目标输出可以是角位移、速度或加速度。另外，在步骤110中还可设定目标频率(目标f)，以该频率测量第一目标输出。在步骤112期间，多个激励装置26(或单个激励装置，例如转矩电动机)开始使输入端20受到目标频率的输入激励。

本领域技术人员将认识到周期性的施力或加载函数具备频率和振幅这两个分量。方法100显示了一种可以为测试选择振幅的方法。当转向柱组件12以目标频率加载时，步骤114改变该输入振幅，直到位置传感器或加速度表32通知控制器34或操作者输出端22已经达到步骤110中设定的第一目标输出。输入振幅可以作为角位移、速度、加速度或作为转矩被测量和控制。在图2所示实施例中，输入振幅是受控的输入转矩。

然后，在步骤116中，将步骤114中确定的输入振幅(转矩、位移、速度或加速度)用作恒幅，而输入激励在频率范围(f范围)内变化或扫过(sweep over)。例如，在通过调整来自激励装置26的转矩来控制振幅的情况下，如图2所示，第一目标输出下测量得到的转矩将保持基本上恒定，而输入频率在频率范围内变化。

在输入频率在频率范围内扫过时，在步骤118中控制器34将输出状况作为频率的函数进行记录、储存或显示(图3绘制或图示了一个例子，下文将详细描述)。本领域技术人员将认识到也可以记录或计算其它输入数据，并且方法100不局限于只比较或分析作为频率的函数的输出状况。

步骤116和118中所扫过的频率范围可以以本领域技术人员所知道的能够收集足够的数据、考虑控制器34的采样率的任何速率和方法进行变化。例如，可以使用间断正弦(sine-dwell)或正弦扫频法，但不限于此。步骤116和118中的在扫频范围内对转向柱组件12的测试和测量可以称为第一测试运行。

在完成第一测试运行之后，判定步骤120然后确定是否计划了或需要其他测试运行。可以通过检查控制器34中的预编程的测试进度来完成步骤120，该预编程的测试进行包括所需运行的总数和针对每个运行的操作条件，或者操作者可以根据步骤118中测得的输出来确定是否需要其他运行。

在方法100的一个实施例中，对于转向柱组件12的测试，至少记录三个测试运行。例如，可记录具有不同输入振幅的三个测试运行从而模拟三个不同级别的平路摇晃，但并不限于此。如果判定步骤120确定还未完成所有测试运行，则方法100移至步骤122，在该步骤122中将目标输出调整为可以不同于步骤110所设定的第一目标输出水平的第二目标输出水平。

方法100继续，在步骤112和114中确定达到第二目标输出水平所需的振幅，然后在步骤116和118中测试和测量新振幅下的转向柱组件12。如果计划了第三测试运行，则步骤122再次调整目标输出，这次调整为第三目标输出水平，并且在步骤112-118中进行加载、测试和测量。

方法100和测试夹具10的一个实施例，测量来自加速度表32的作为角加速度的输出并且控制(且记录)来自激励装置26的作为转矩的输入激励的振幅。本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求的范围内使用对上述内容的改变，例如测量方向盘30(或等效杆)的角位置或线位置或角速度或线速度作为输出，并且在激励装置的位移恒定的情况下控制输入激励的振幅，但并不限于此。在使用三个测试运行的实施例中，第一、第二和第三目标输出可以分别设定为大约：2.5、5.0和7.5弧度/秒²。

一替换性步骤(图2未示出)可包括重新设置转向柱组件12在测试夹具10中的定向。这个替换性步骤可用来对转向柱组件12的相对端作用输入激励并且获得进一步的数据。在步骤104-108中重新安装了转向柱组件12以后，方法100将继续，循环经过步骤110-120，直到对于反向的试件记录下了相似的数据。

类似地，转向柱组件12可以通过增加或去除辅助部件例如CEA 36来进行重新设置。随着步骤104-120和122基本上如上所述地运行，转向柱组件12和测试夹具10的重新设置和改变将继续，直到所有计划了或所需的测试运行和设置都已经完成(以及相关数据被收集)。

一旦所有计划或所需的测试运行(以及可能的重新设置)都已完成，判定步骤120就停止测试转向柱组件12，方法100前进到处理或解释测试数据的步骤。方法100的剩余部分被构造成确定转向柱组件12是否满足质量、性能或设计标准。

判定步骤124将测量的输出状况与最大可允许水平进行比较。本领域技术人员将认识到，最大可允许水平可以根据例如车辆的设计约束或车辆驾驶员的预定舒适程度进行设定，但并不限于此。在所记录的测量输出状况是角加速度的实施例中，可以通过用扫频范围内的测试运行的转矩除角加速度，来计算系统灵敏度或增益从而进一步处理该数据。

现在参照图3，示出了输出状况的示例性图，表示为y轴200的系统灵敏度相对于x轴202的输入频率。结果线204图解示出了在具有约0-30赫兹之间扫过的输入频率范围的测试运行期间，作为输入频率的函数的测量灵敏度。

判定步骤124可以将测量的系统灵敏度与最大可允许水平进行比较，该最大可允许水平是绝对最大值或扫频范围的特定部分上的最大值。图3示出了在约10-20赫兹的一部分扫频范围上的最大灵敏度线206。在图3所示例子中，因为结果线204低于最大灵敏度线206，所以判定步骤124回答是肯定的。

如图3所示，根据使用方法100所进行的测试的类型，判定步骤124可以多种方式执行。控制器34或随后的计算机处理可以将数据(示为结果线204)与最大可允许水平进行比较，从而确定测量的输出是否小于最大值并且警示或警告测试工程师。替换性地，并且对测试生产线上的单个零件的误差有用，结果可以用图示的方式显示在监测器(未示出)上，并且由测试夹具10的操作者从视觉上将其与最大可允许水平进行比较。

在判定步骤124中确定测量的输出状况不低于可允许的阈值水平的情况下，方法100移至步骤126并且确定该零件是不可接受的-通常是被测试的具体转向柱组件12或是转向柱组件12的设计。注意，判定步骤124可以结合来自全部测试运行的所有数据并且根据这些运行的均值或其它统计汇编做出判定，或者可单独将每次测试运行的结果与最大可允许水平做比较。

在步骤126确定了该零件不可接受之后，方法100还可包括在步骤128中采取校正行为。这种校正措施可以包括停止生产过程以发现制造误差的来源，或可以包括重新设计转向柱组件12以改变它在小振幅下的动态特性。

如果判定步骤124确定测量的输出(例如方向盘30的灵敏度)低于最大可允许水平，那么如步骤130所示，这个灵敏度是可接受的。在方法100的一些实施例中，灵敏度需求的满足可以表明已正确地设计或制造了转向柱组件12，并且在步骤136中可以检定该设计进行生产，或是检定该零件可以组装入生产车辆中。

为了进一步验证被测试的转向柱组件12的设计或性能，方法100可以包括在步骤132确定转向柱组件12(以及在测试、测试运行或重复过程中所附接的所有部件)的固有频率(f_n)。通过将从测试运行收集到的数据拟合成单自由度方程式并且解释这些拟合参数来估计固有频率： $H=\frac{-{\mathrm{\ω}}^2}{(K-I{\mathrm{\ω}}^2)+(\mathrm{C\ω}+K^{\′\′})i}$ 其中ω＝2πfH是系统灵敏度(弧度/秒²/牛顿米)f是频率(赫兹) $i=\sqrt{-1}$ I是极惯性矩K是弹簧常数或有效刚度C是粘性阻尼常数，当C＞0时K”是结构阻尼常数K”+Cω项也可代表由频率决定的结构阻尼，当C＜0时。在所有情况中，K、I和组合项K”+C_w都必须是正的参数。

步骤132中确定的固有频率可以用作进一步的质量控制或确认工具。在判定步骤134中，将固有频率与最大值进行比较。如果固有频率低于最大值，则转向柱组件12也满足这个标准并且方法100移至步骤136，在此步骤该零件可得以验证。

再次参照图3，在线208处示出由结果线204代表的测试运行的固有频率。表示为线210的最大固有频率是大约10赫兹。如图3所示的那样，该测试数据的结果表明所测的转向柱组件12的固有频率208低于最大线210，因此满足标准。因而，判定步骤134的答案是肯定的，并且将方法100移至步骤136，在此步骤该零件可得以验证。附加的测试步骤可以包括向转向柱组件12附加颤振，以及对所得数据进行后续处理以确定与输出状况标准的顺应性；例如增益、固有频率或其它测量或计算的输出状况。

尽管详细描述了实施所请求保护的发明的最佳方式和其它实施例，但熟悉本发明所涉及领域的技术人员将认识到多种替换设计和实施例，用于在所附权利要求的范围内实施本发明。

Claims (20)

1.一种用于测量具有输入端和输出端的转向柱的动态特性的方法，该转向柱在表示车辆在较平坦道路上操作的低动态振幅下被测量，该方法包括：

将该转向柱安装到测试夹具中；

执行第一测试运行，包括：

使该转向柱的该输入端受到第一组输入激励；以及

在该转向柱受到所述第一组输入激励时测量该输出端处的第一组输出状况，所述第一组输出状况包括该输出端的加速度、速度和位置中的至少一个；以及

确定所述第一组输出状况是否在预定输出范围之内。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一组输入激励包括具有第一选定频率范围的正弦激励。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述第一组输入激励还包括具有第一选定转矩的正弦激励。

4.如权利要求3所述的方法，还包括使用开环计算从所述第一组输出状况确定用于所述第一组输入激励的所述第一选定转矩，从而获得第一目标加速度。

5.如权利要求4所述的方法，还包括执行第二测试运行，包括：

使该转向柱的输入端受到第二组输入激励；以及

在该转向柱受到所述第二组输入激励时测量该输出端处的第二组输出状况，所述第二组输出状况包括该输出端的加速度、速度和位置中的至少一个。

6.如权利要求5所述的方法，还包括使用另一开环计算从所述第二组输出状况确定用于所述第二组输入激励的第二选定转矩，从而获得不同于所述第一目标加速度的第二目标加速度。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

对所述第一组输出状况和所述第一组输入激励进行解释从而确定该转向柱的固有频率；并且

确定所述固有频率是否在预定固有频率范围内。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一选定频率范围等于1到30赫兹。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一和第二目标加速度是从1到10弧度/秒²的范围内选择。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：

从所述第一组输出状况和所述第一组输入激励确定第一方向盘轮缘增益；和

确定所述第一方向盘轮缘增益是否低于最大可允许水平。

11.如权利要求10所述的方法，其中，在不同于所述第一选定频率范围的第二选定频率范围确定所述第一方向盘轮缘增益。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第二选定频率范围等于10到20赫兹。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述最大可允许水平等于1除以该方向盘的极惯性矩。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一和第二测试运行还包括使该输入端受到颤振激励。

15.一种用于测量具有输入端和输出端的转向柱的动态特性的方法，该转向柱在表示车辆在较平坦道路上操作低动态振幅下被测量，该方法包括：

将该转向柱安装到测试夹具中；

执行第一测试运行，包括：

使该转向柱的该输入端受到第一组输入激励，其中所述第一组输入激励包括具有第一选定频率范围和第一选定位移的正弦激励，和

在该转向柱受到所述第一组输入激励时测量该输出端处的第一组输出状况，其中，所述第一组输出状况包括该输出端的加速度、速度和位置中的至少一个；以及

确定所述第一组输出状况是否在预定输出范围之内。

16.如权利要求15所述的方法，其中，通过开环计算从所述第一组输出状况确定所述第一选定位移。

17.如权利要求16所述的方法，还包括：

对所述第一组输出状况和所述第一组输入激励进行解释从而确定该转向柱的固有频率；和

确定所述固有频率是否在预定的固有频率范围内。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：

从所述第一组输出状况和所述第一组输入激励确定第一方向盘轮缘增益；以及

确定所述第一方向盘轮缘增益是否低于最大可允许水平。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述最大可允许水平等于1除以该方向盘的极惯性矩。

20.如权利要求19所述的方法，其中，通过将所述第一组输出状况拟合成单自由度方程式来确定所述固有频率，该方程式包括弹簧常数、阻尼常数和极惯性矩中的至少一个。

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