周良杰赵治国

（1.万向钱潮（上海）汽车系统有限公司；2.同济大学）

ABS齿圈节距误差与超差齿定位测试系统＊

周良杰1赵治国2

（1.万向钱潮（上海）汽车系统有限公司；2.同济大学）

建立了ABS齿圈节距数学方程，通过分析节距误差产生的原因，提出将齿圈节距测量转化为脉冲电信号进行测量的方法，并设计了ABS齿圈节距误差与超差齿定位的测试系统。介绍了测试系统的结构、数据采集及软件设计等，分析了不同测试参数对测试精度的影响。试验结果表明，该测试方法解决了机械与投影等方法无法对ABS齿圈进行准确测量的问题，利用该测试系统可准确得到ABS齿圈单齿误差与累计误差，同时可对超差齿位置进行定位。

1 前言

ABS齿圈多采用机加工或粉末冶金烧结工艺生产，其中加工顺序、模具尺寸、工艺参数（如烧结温度）、时间等因素都会造成其节距产生误差。工业中，采用齿轮节距测量方法如机械法与投影法等测量ABS齿圈节距误差时，存在无法准确取点、重复性差等缺陷。相关文献[1，2]介绍了ABS齿圈结合轮速传感器一同工作时齿圈对信号的影响，但未提出使用轮速传感器对ABS齿圈进行节距误差检测。为此，设计了一种ABS齿圈节距误差计算与超差齿定位的测试系统，可用于试验室或生产线上进行在线测试，为ABS齿圈行业提供统一的检测与判断标准参考。

2 测试系统设计

2.1 方案设计

由于无法准确直接测量ABS齿圈节距误差，所以必须进行转化处理。根据ABS齿圈工作方式，使用霍尔式轮速传感器将每个齿的节距长度转化为方波脉冲周期长度输出。每个齿对应的节距误差中最大值即为齿圈单齿节距误差SP，每个齿对应的节距误差依次累计相加后最大值与最小值之差即为ABS齿圈累计误差TP。ABS要求SP和TP均≤4%。由于TP的准确性取决于每个齿节距误差，因此本文主要讨论每个齿节距误齿测量与SP的计算。

图1为测试系统的测试原理。由图1可看出，齿圈旋转时，当点1接近轮速传感器内部霍尔感应芯片时，穿过芯片的磁场强度增加，这时传感器输出电流由低变高，对应于图2中轮速传感器输出电流信号1；当点2接近霍尔感应芯片时，穿过芯片的磁场强度减弱，输出电流由高变低，对应于图2中轮速传感器输出电流信号2。

图1 中，金属触发器安装在ABS齿圈齿顶处，与ABS齿圈同速转动，当其靠近接近开关时产生脉冲信号（图2）。

2.2 系统功能设计

图3为测试系统功能框图。

如图3所示，电机带动ABS齿圈以恒定速度旋转，光电编码器检测电机转速的稳定程度；霍尔轮速传感器将ABS齿圈旋转引起的磁通量变化转化为方波脉冲；ABS齿圈旋转360°，接近开关产生1个脉冲输出；数据采集系统采集与存储霍尔轮速传感器输出的方波信号、接近开关输出的脉冲信号和光电编码器输出的电机转速信号；数据处理部分进行节距误差计算以及超差齿定位，并通过人机界面显示计算结果。

3 数学方程分析

3.1 建立单齿节距误差数学方程

ABS齿圈旋转与轮速传感器输出信号关系如图4所示。

建立第i齿对应的节距数学方程：

式中，ω为ABS齿圈转速；r为节圆半径；Di为第i齿的节距；ti为轮速传感器周期Ti对应起始时间；ti+1为Ti结束时间，t为物理时间。

霍尔轮速传感器在工作过程中要求传感器头部到齿圈之间的距离在允许的气隙范围内。根据齿圈结构参数不同，最大气隙一般为1.5 mm以上；为防止齿圈因圆跳动误差在转动时与传感器机械干涉，最小气隙一般为0.3 mm，在气隙范围内传感器均能正常工作。表1为在气隙为0.5 mm和1.0 mm时霍尔轮速传感器输出方波信号的高电平时间与周期。由此可知，气隙大小仅影响信号占空比且影响不大，而对信号周期无影响，即对齿圈的节距无影响。

表1 在气隙范围内传感器输出高电平时间与周期

因此，齿圈节圆半径r的误差对系统不会产生影响，可将r作为常量r0，则式（1）变为：

测试系统中要求ω为恒定速度ω0，将其波动记为Δω，则式（2）可写为：

式（3）中第1项积分可写为代数式，则则ABS齿圈每个齿的节距误差Pi为：

当Δω相对ω0可忽略不计时，式（5）积分项均可忽略，则

从式（6）可知，Pi即为轮速传感器信号输出周期Ti的误差。

3.2 系统参数分析

由式（5）可知，每个齿的节距误差Pi的计算不受ABS齿圈尺寸r的影响，但受Δω和ω0的影响。当采用式（6）近似计算每个齿的节距误差Pi时，要求Δω与ω0之商接近零。

因此，当Δω一定时，提高测试稳定转速ω0可提高齿圈每个齿节距误差精度。但转速的提高一方面受电机额定转速与稳定性的限制，另一方面当采集系统的采样频率一定时，转速的提高会降低轮速传感器信号周期Ti的采集精度，因此转速不能无限增大，应将其控制在与电机和采样系统匹配的范围内。

影响Δω的因素较多，除受电机本身特性影响外，其还与传动机构设计、负载变化等因素有关。在测试系统设计和电机选择时，应尽量降低Δω。本文采用直流电机，电机供电电压使用稳压装置，同时利用电机减速器将Δω成倍数降低。

由于Δω与ω0对测试系统存在影响，因此系统设计时必须对Δω与ω0的比值进行监控，当其不能忽略时不可采用式（6）进行近似计算，必须利用式（5）进行积分运算。

在实际应用中，积分运算耗时较长不适用于生产线在线测试，通常对Δω与ω0之商设定限值，在小于该限值的情况下利用式（6）进行近似运算。限值的确定可给定初值，由近似运算与积分计算结果的差确定。

3.3 超差齿定位

超差齿在轮速传感器输出的方波信号中反映为超差脉冲，超差脉冲位置是根据接近开关输出脉冲到超差脉冲之间的脉冲个数来确定。

由数据采集系统得到的信号如图5所示，接近开关输出的2个相邻脉冲之间距离即为ABS齿圈旋转一周所用时间。ABS齿圈齿数为n，在轮速传感器信号输出中对应为n个脉冲方波。

在图5所示传感器输出信号中，根据前述方法，利用式（5）可判断出超差齿编号为3。结合实际安装中金属触发点对应齿的真实编号与旋转方向，即可确定ABS齿圈超差齿实际位置。根据超差齿的实际位置，ABS齿圈生产厂家可针对超差齿的超差幅度与位置分布，采取修改模具、调整热处理温度和刀具加工顺序等工艺措施。

4 系统软件流程设计

测试系统软件流程设计如图6所示，软件控制ABS齿圈以预定转速ω0旋转，数据采集系统将轮速传感器、光电编码器与接近开关输出波形进行记录。

在接近开关输出的脉冲信号中，取2个相邻脉冲之间的时间间隔作为ABS齿圈旋转1圈所用时间，轮速传感器在这段时间内n个齿对应产生n个脉冲信号周期Ti。测试中，由光电编码器与接近开关确定该段时间内Δω和ω0，判断其是否在限制范围内。如果在限制范围内，则采用式（6）计算每个齿节距误差Pi，否则采用积分计算Pi，最后可得到ABS齿圈单齿误差SP与累计误差TP。

5 测试系统试验

根据图3设计了如图7所示的测试系统，采用的主要设备见表2。

表2 主要设备

将前述计算公式与测试流程通过软件Labview进行编程开发，图形化显示传感器采集波形信号与单齿误差和累计误差结果。

试验中，将数据采集卡采样频率固定在250kHz，在不同齿圈转速下，通过软件分别利用式（5）和式（6）计算ABS齿圈单齿节距误差SP，结果如表3所列。

表3 单齿节距误差SP计算结果

对同一待测样件，不同测试员采用投影法对齿圈投影进行3次尺寸测量，经计算的单齿节距误差SP如表4所列。

表4 投影法单齿节距误差SP计算结果

由表3可知，在齿圈转速较低或较高情况下，测试系统的测试精度均有所下降，在中等转速（900 r/ min）时，电机转速波动与采样偏差对系统产生的综合影响达到最低，此时近似计算与积分计算结果一致，这与前述分析结果吻合。由表4可知，采用投影法对同一齿圈样件测试时，测量结果受人为因素影响较大，无法准确测量。

对比表3与表4测试数据可知，所设计的测试方法稳定性好、精度高，可作为ABS齿圈大批量生产时合格与否的判断手段。

6 结束语

ABS齿圈节距误差是车辆防抱死系统中轮速计算的主要误差来源之一，其误差评判的准确性是保证ABS正确控制的前提条件。通过建立ABS齿圈节距数学方程，分析齿圈节距误差形成原因，提出将齿圈节距测量转化为脉冲电信号进行测量的方法，可准确计算单齿节距误差与累计误差。试验结果表明，该测试方法稳定可靠、精度高，可替代机械法与投影法为ABS齿圈提供精确测量。

1周菊.ABS霍尔式轮速传感器磁体测试技术研究.南京:南京林业大学，2011.

2罗雍惠.ABS齿圈和传感器的应用与研究.中国高新技术企业，2010（24）:15～16.

3陈彦夫.ABS轮速传感器的性能试验研究.合肥:合肥工业大学，2008.

4罗文发.ABS齿圈和传感器的应用技术.汽车电器，2008（12）:28～32.

5汪知望，方锡邦，陈燕.汽车ABS轮速传感器及其信号处理.汽车科技，2006（4）:23～28.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为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齿圈节距误差超差齿定位测试方法

U467.3

：A文献标识码：1000-3703（2014）02-0040-04

国家重大仪器专项资助（编号：2012YQ15025603）。