【摘 要】 乘用车轮速传感器头部安装在轮边，实际用车过程中，传感器所处环境多变，传感器头部既要保证安装定位可靠，避免气隙变化影响轮速信号准确输出，也要保证密封措施良好，避免因头部磁性零件吸附异物，影响轮速信号准确输出。本文通过研究与ABS齿圈配合的轮速传感器头部定位及密封方式的关系，阐述其对轮速传感器信号稳定的影响，提高轮速传感器信号稳定性。
【关键词】 轮速传感器 轮速信号 气隙 定位方式 密封方式 信号稳定性
前言
随着国内汽车行业发展，特别是智能驾驶等新功能普及应用，整车对轮速传感器信号的要求越来越高，既有提高信号精度方面的要求，也有提升信号稳定性方面的要求，还有保证信号可靠性的要求。轮速传感器作为识别车轮转动速度和方向的关键零件之一，其在乘用车轮边安装及密封环境，直接影响轮速信号准确性，为了满足整车相关系统对轮速信号的要求，有必要研究轮速传感器头部定位和密封方式的关系。本文将对乘用车使用较广的带磁性轮速传感器与ABS齿圈配合使用的传感器头部安装定位和密封方式进行探讨、分析。
1 基本定义
1.1轮速传感器
轮速传感器是识别车轮转动速度的传感器，属于转速传感器【1】的一种，带磁的轮速传感器头部，与含铁的ABS齿圈配合安装使用，当车轮转动带动ABS齿圈的齿顶和齿底交替经过传感器头部，切割传感器头部磁铁形成的磁通线，传感器芯片识别到磁通量交替变化，把正弦波转为方波进行轮速信号输出。
1.1.1轮速信号与齿圈
轮速传感器信号原始电信号是正弦波信号，经过芯片处理后，转换成方波信号输出，某型号轮速方波信号示意图如图（1）。对于相同的轮速芯片及磁铁，通过注塑成型的轮速传感器头部，其磁通量强弱是确定的，当与之配合的ABS齿圈大小和齿形有差别，齿圈的齿顶和齿底经过轮速传感器头部影响磁通量的程度自然不同，齿槽越宽，齿越高，产生的轮速信号准确度自然更高，然而，乘用车实车在轮边的轮速传感器头部可用空间不是无限大的，ABS齿圈可用空间也是受限制的，且齿圈最少齿数也有要求，齿圈做得越大，重量和成本也会增加，所以，ABS齿圈应当有一个合适的大小，齿形特征如图（2），齿圈大小dk、齿距t、齿高h在一个平台车型，往往是相同的。
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图（1）某型号轮速输出信号示意图 图（2）齿形特征示意图
1.1.2轮速传感器的气隙
某款轮速传感器头部芯片所在感应面与ABS齿圈齿顶的距离，变化范围满足轮速信号输出的要求，则该距离范围为该组产品的轮速传感器安装气隙。目前，乘用车轮速传感器和ABS齿圈的通用化做得较广，在通用化方面的考虑较全面，当一个平台车型轮速传感器头部及ABS齿圈选型一旦确定，想通过增加齿圈齿槽宽或齿高的方法提升轮速信号稳定性，往往受到布置空间和增加额外资源投入的约束。这个时候，通过合理的轮速传感器头部定位方式与密封方式选择及设计，可以有效提高该组轮速与齿圈配对的产品的最大允许气隙，提升产品信号稳定性和准确度。
1.2定位方式与密封方式
1.2.1定位方式分类
轮速传感器应用在轮边，一般在前轴和后轮毂上，因布置空间限制，传感器芯片一般在传感器头部顶部或侧边，故而定位方式主要分两大类，当轮速传感器芯片注塑在传感器头部顶部时，ABS齿圈在传感器头部顶部转动，轮速传感器产生轮速信号，这种是端读式结构，参见图（3）示意图。
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图（3）端读式结构轮速示意图 图（4）侧读式结构轮速示意图
当轮速传感器芯片注塑在传感器头部侧边时，ABS齿圈在传感器侧边转动，轮速传感器产生轮速信号，这种是侧读式结构，参见图（4）示意图。
1.2.2密封方式分类
轮速传感器头部内有磁铁，当传感器长期在实车轮边使用过程中，需要一个密封的环境，不然磁铁容易吸附异物导致轮速信号不稳定。一般把轮速传感器头部和ABS齿圈密封在一个腔体内，密封方式简单分为轴向密封和径向密封两种，即密封圈被压装到位后，密封圈被压变形面法线与传感器头部同轴时，为轴线密封。法线与传感器头部轴线垂直时，为径向密封。
不管是哪种方式密封，压装后密封圈都产生变形，自然就会存在回弹力，且变形越大，回弹力越大，需要考虑其对轮速传感器气隙的影响。
2 传感器头部的安装定位及密封的关系
22.1机械气隙
传感器头部芯片所在感应面与ABS齿圈的齿顶距离，即传感器气隙，气隙越小，轮速传感器信号越不容易失真，但是过小，就有碰上的可能，如传感器头部与ABS齿圈碰上，车轮转动过程中，ABS齿圈会把传感器头部损坏，使信号失效。当距离过大，距离达到一定值后，轮速信号就会在ABS齿圈转动过程中，无法准确识别出每一个齿顶和齿底影响磁通线的差异，导致轮速传感器信号不满足要求，当距离刚好达到轮速信号不满足要求时，对应的距离为最大允许气隙，本文简称机械气隙。
当一个轮速传感器头部、ABS齿圈是确定的，那么，机械气隙随即确定，针对具体的一组传感器头部和ABS齿圈，占用相同的布置空间时，机械气隙越大，对实际应用越有利。
2.2组合分析
乘用车的轮速传感器与ABS齿圈组合应用，机械气隙在0.9mm至1.5mm的较常见。当然，增强磁通强度或增大齿距，会获得更大的机械气隙，但需要更大的布置空间和更多资源投入。另外，单纯提高轮速传感器头部和ABS齿圈生产和装配的精度，虽能获得更稳定的信号品质，但也会涉及更多生产资源投入，并不划算。通过研究轮速传感器头部安装方式及密封方式的关系，获得更稳定的机械气隙，是一种有效方法。
2.2.1端读式结构气隙尺寸链分析
端读式结构的轮速传感器头部，如图（5）所示，气隙的尺寸链在传感器头部的轴向方向上。以安装面A作为基准面，在ABS齿圈组件组装时，可以通过测量调整消除上一级零件累积误差，那么需要计算ABS齿圈齿顶到面A的距离偏差a1；在传感器头部生产制造时，是一次注塑成型，需要计算传感器头部顶部感应面到安装面A的距离偏差b1；传感器头部和ABS齿圈均安装到基体零件后，气隙偏差为a1+b1。
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图（5）端读式结构气隙尺寸链示意图 图（6）侧读式结构气隙尺寸链示意图
2.2.2侧读式结构气隙尺寸链分析
侧读式结构的轮速传感器头部，如图（6）所示，气隙的尺寸链在传感器头部径向方向上。以传感器头部安装孔轴线为基准B，在ABS齿圈与基体组装时，可以通过测量调整消除上一级零件累积误差，那么，需要计算ABS齿圈齿顶到轴线基准B的距离的偏差a2；在传感器头部一次注塑成型过程中，通过模具及工艺保证轮速芯片所在感应面与基准轴线B的距离，许计算制造偏差b2；传感器头部与其安装孔安装时，一般通过三个及以上筋与孔壁过渡配合实现定位，筋条拟合成的圆柱的轴线，与安装孔轴线有同轴度偏差c2；当传感器头部安装到基件与ABS齿圈配合的偏差为a2+b2+c2。显然，侧读式结构轮速传感器头部定位方式，气隙的尺寸链比端读式的多一个影响因素。
2.2.3关系分析
轮速传感器头部安装密封时，一般采用轴向密封或径向密封，轴向密封是密封圈在轴向变形，形成密封面；径向密封是密封圈在径向变形，形成密封面。
密封圈被压装后，在被压方向产生挤压变形，即被压方向尺寸变小，自由方向尺寸变大。被挤压的密封圈，同时对轮速传感器挤压接触面有一个反弹力，当传感器头部与密封圈接触面，在实际使用过程中，受环境温度波动、振动等影响，潜在被密封圈回弹力影响而产生离空的风险，直接影响气隙，进而使轮速信号在某些时候，产生信号的连续的失真，导致轮速信号间隙性故障或信号中断。
针对端读式结构轮速，当气隙的尺寸链在轴向方向时，如采用轴向密封，那么密封圈变形回弹的方向和气隙尺寸链在一个方向上，需要研究其影响程度。如采用径向密封，密封圈变形回弹的方向和气隙的尺寸链方向垂直，避免了密封圈回弹对气隙的影响。反之，侧读式结构轮速传感器，也应避免密封圈回弹方向与气隙尺寸链所在方向相同。
综合考虑，端读式结构的轮速传感器，密封圈宜采用径向密封的密封方式。反之，侧端式结构的轮速传感器头部，密封圈宜采用轴向密封方式，可以避免相互影响。如因布置空间结构限制，端读式轮速传感器头部结构只能和轴向密封方式配合使用，会产生以上所述缺点，那么，这个影响有多大呢？以下通过试验测试，来分析这个影响。
3 测试验证
33.1试验分组
传感器压装到基体部件后，密封圈被挤压变形，产生密封贴合面，由于密封圈是软体材料，被挤压的部位的材料往不被限制的方向变形，形成不规则形状。为研究的准确性，减少与本试验无关的影响因素，仅针对轮速传感器头部与ABS齿圈配合的以下结构进行分析，判断方案组合的优缺点。针对定位方式与密封方式的组合差异设定以下四组测试，如表（1）。
表（1）测试数据组合
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3.2试验测试
针对以上四种组合，制造相应的试验样品，进行试验。
3.2.1试验前
如简图（7），将传感器头部样品按照实际装车使用力矩及状态分别装到基体零件上，分别测量传感器芯片所在的感应面到基准面A、B的距离，记录数据。①号：1.35mm；②号：1.36mm；③号：1.46mm；④号：1.51mm。
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图（7）试验样品与基体固定示意图
3.2.2模拟试验
将四组样品一起进行试验。高温存放：将试验样品放进温度箱内，进行高温试验，温度150正负2℃，持续24h；低温存放：将试验样品放进温度箱内，进行低温试验，温度-40正负2℃，持续24h；湿热循环：进行湿热循环持续试验【2】；振动冲击试验：进行振动冲击试验【3】；自由跌落测试：跌落高度1.2米，硬质地板，自由跌落1次。机械冲击：冲击加速度50g，冲击持续时间6ms，冲击形式半正弦500次。液体接触：放进汽车冷却液中10秒湿润，然后放进80℃恒温箱存贮24h，完成后，介质换分别换成汽油、轴承润滑脂、制动液DOT4，进行一次循环试验。温度快速变化：高温150℃与低温-40℃之间，按40秒温度转换时间，40分钟最低、最高温度停留时间，循环150次。
试验完成后，重新测量四组样品的数据，数据如下： ①号：1.35mm；②号：1.36mm；③号：1.46mm；④号：1.51mm。
3.3试验数据分析
端读式结构的轮速传感器头部，采用轴向密封方式时，当传感器头部及密封圈在模拟使用环境长时间变化后，传感器头部芯片所在感应面与基准面距离变小约14.4%，参见表（2）。而采用径向密封方式的结构时，该变化几乎可以忽略。
表（2）数据变化对比：气隙基准按0.9mm分析
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侧读式结构的轮速传感器头部，采用轴向或径向密封方式装配后，经过模拟使用环境的长时间试验，传感器头部侧边感应面与基准面距离变化几乎可以忽略，分析原因为侧读式的轮速传感器头部安装定位结构，密封圈在径向是均匀变形，且对同轴度影响很小，所以试验测试的距离变化很小。
4小结
4 1、端读式结构轮速传感器头部，与ABS齿圈配合的气隙在轴向方向，该结构的轮速传感器，宜采用径向密封圈布置结构，有利于消除密封圈长时间热胀冷缩变形回弹对气隙的影响。
2、侧读式轮速传感器头部，采用轴向或径向密封方式，对气隙的影响均很小。
3、侧读式结构的轮速传感器头部，生产安装时，气隙的尺寸链上偏差受到同轴度影响，且传感器头部安装，与安装孔是过渡配合，过盈配合时，需要考虑拆装便利性，间隙配合时，需要考虑传感器头部摆动，故在布置空间允许的情况下，采用端读式结构优于侧读式结构。
5
[参考文献]
【1】GB/T7665－2005 传感器通用术语。
【2】GB/T2423.34－2012 环境试验 第2部分：试验方法 温度/湿度组合循环试验
【3】GB/T28046.3－2011 道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验第3部分：机械负荷