（光学工程专业论文）汽车车轮定位参数测量方法的研究.pdf

哈尔滨工业大学工程硕上学位论文 摘要 汽车 二业的蓬勃兴起和飞速发展，以及汽车数量的迅猛增长刺激了汽车 检测行业的巨大发展，汽车检测设备的数量和质量都在不断地提高，正逐步 向智能化、多功能、轻量化、便于流动检测等方向发展。作为车辆检测的一 项重要内容，车轮定位参数的检测对整车性能的影响举足轻重，足保证汽车 安全行驶的重要参数，四轮定位仪是测量和校准四轮定位参数的基本检测仪 器，是高技术含量的机电一体化精密测量仪器。 本文首先对汽车车轮定位参数对汽车性能的影响做了简单介绍，并分析 国内外汽车四轮定位仪各种测量方法和检测理论以及存在的缺点。 为提高四轮定位仪的测量精度并满足设计指标要求，根据计划书进行系 统总体方案规划，设计一种全无线式红外线c c d 测量四轮定位仪，介绍了 系统的总体设计原理以及车轮定位参数的测量方法，为提高系统的抗干扰能 力，对c c d 传感器做了背景光补偿的处理。 完全由几何关系推导出前束的数学模型，消除了计算原理上的误差：应 用多刚体系统动力学的基本知识，建立了更精确的转向系相对运动关系的数 学模型，且通过理论估算验证了主销倾角传统公式存在1 1 以上的理论误差。 四轮定位仪作为一种测量仪器，介绍了它的零点校准以及对车轮轮辋的 偏位补偿。最后对整个系统的测量方法、测量精度进行了验证。 本课题采用国际上最先进最流行的c c d 光电传感器作为测量元件，设 计出一种新型的智能化的高精度汽车四轮定位仪，对汽车车轮主要的定位参 数采用合理优化的测量方法，实现对车轮前束、外倾角、主销后倾、主销内 倾等定位参数的测量。 关键词车轮定位；测试参数；数学模型；测量方法 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yd e v e l o p sv e r yf a s ti nr e c e n ty e a r sa n di ts i m u l a t e s t h en e e df o ra u t o m o b i l ed e t e c t i n gd e v i c e sg r e a t l y t h eq u a n t i t ya n dq u a l i t yo f d e t e c t i n g d e v i c ei n c r e a s e g r a d u a l l y a n d t h e y a r e g e r i n g m o r e i n t e l l i g e n t ， m u l t i f u n c t i o n a l ，l i g h t e ra n de a s ym o v a b l et o d a y t h ew h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r s h a v ea s t r o n ga f f e c t o nt h e p e r f o r m a n c eo fv e h i c l e a st h e b a s i cd e v i c ef o r d e t e c t i n gw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r , w h i c hi sf u l lo fh i g ht e c h n o l o g yi n t e g r a t e d c i r c u i tf o rp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t ，t h ew h e e la l i g n m e n td e v i c ei sv e r yi m p o r t a n t t ot h es a f e t yo ft h ev e h i c l e a tf i r s tt h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dh o wa u t o m o b i l ew h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r s a f f e c ta u t o m o b i l ep e r f o r m a n c e ，a n a l y z e da l lk i n d so ft h em e a s u r i n gm e t h o d ，t h e t e s t i n gt h e o r ya sw e l la st h ee x i s t i n gd e f e c t s s e c o n d l y ，i no r d e rt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o no f t h ee q u i p m e n t ， t om e e tt h ed e s i g n i n gt a r g e t ，w ep r o c e s st h et o t a lp r o j e c t ，d e s i g nac o m p l e t e l y w i r e l e s si n f r a r e dc c dw h e e la l i g n m e n td e v i c e t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h eg e n e r a l d e s i g np r i n c i p l ea n dt h em e a s u r i n gm e t h o d i no r d e rt or a i s et h ea n t i j a m m i n g p e r f o r m a n c e ，t h ec c d s e n s o rh a sb e e nh a n d l e dw i t hb a c k l i g h tc o m p e n s a t i o n t h i r d l y , t h e a r t i c l ed e d u c e dt o em a t hm a t r i xf r o m g e o m e t r yr e l a t i o n ； a p p l y i n gt h eb a s i ck n o w l e d g eo fm u l t i r i g i db o d ys y s t e md y n a m i c s ，e s t a b l i s h e d a c c u r a t em a t hm a t r i xf o rs t e e r s y s t e mc o m p a r a t i v e l ym o v e m e n tr e l a t i o n ，a n d t h r o u g h t h et h e o r ye s t i m a t i o n v a l i d a t e dt h a tt h et r a d i t i o n a lf o r m u l ai s11 e r r o r f i n a l l yw ei n t r o d u c e dt h ee q u i p m e n t sz e r op o i n tc a l i b r a t i n ga n dr i mo f t h e w h e e lo f f s e tc o m p e n s a t i o n ，v a l i d a t e dt h ew h o l es y s t e m sm e a s u r i n gm e t h o da n d m e a s u r i n ga c c u r a c y t h ea r t i c l e a d o p t e d a d v a n c e d p o p u l a rc c da sm e a s u r i n gc o m p o n e n t d e s i g n e da n e w i n t e l l i g e n th i g ha c c u r a c ya u t o m o b i l ew h e e la l i g n m e n te q u i p m e n t ， o p t i m i z e dm e a s u r i n gm e t h o d f o rt h e p r i m a r ya l i g n m e n tp a r a m e t e r s ，r e a l i z e d e x a c tm e a s u r e m e n tt ot o e c a m b e r , c a s t e r , k p ia n ds oo n k e y w o r d sw h e e l a l i g n m e n t ，m e a s u r i n gp a r a m e t e r , m a t h e m a t i cm o d e l ，m e a s u r i n g m e t h o d - i i 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于交通部西部交通建设科技项目，主要研究基于计算机技 术、无线通讯技术和光电测量技术的新型智能化汽车定位参数的综合测量仪 器。 1 2 课题研究的目的及意义 当今社会汽车已经进入了千家万户，每个驾驶汽车的人都希望自己的汽 车拥有最佳舒适性和操纵稳定性的同时，还具有最可靠的安全性，而在汽车 的结构中能够提供此保障的主要部件之一就是汽车的车轮和悬挂。在现代汽 车中，为了使汽车直线行驶、转向轻便、受控力好，并减少轮胎及相关部件 的磨损，在轮胎安装和前、后轮的悬挂系统均设置车轮定位角度：前后轮前 束、前后轮外倾、主销后倾角、主销内倾角( 各汽车生产厂家根据不同车型设 置不同数据) i 卅。由于更换轮胎或减震器、机械磨损、机件在剧烈颠簸中疲 劳变形或车架和机件在碰撞和变形，都会导致车轮定位参数发生变化，特别 是转向轮的定位失准，将直接产生以下四类问题【4 】【5 】： ( 1 ) 轮胎的异常磨损在正常的使用条件下，轮胎可使用1 5 万公里以上， 当车轮定位失准后，严重者会在两前轮之间产生作用力的侧向力高达1 5 0 0 n 时，一千公里可使崭新的轮胎磨损漏线而报废，这是由于前轮定位角己由标 准值变到严重内倾，或由于前轮、下摆臂及整车受撞致使车轮的前束角失准 所造成的，通过车轮定位仪的检测和调整，可解决车轮异常磨损故障。 ( 2 ) 行驶跑偏外倾角不准不仅引起轮胎异常单边磨损，而且还将导致汽 车跑偏，丧失保持直线行驶的能力，操纵困难，增加驾驶员的疲劳强度，容 易导致交通事故。另外，主销倾角不一致，两轮胎气压不一致，两胎工作半 径不一致，两胎偏磨不一致，后轮轴与汽车的纵向轴线的垂直程度等都影响 汽车的跑偏。 ( 3 ) 前轮摆振汽车转向轮的摆振现象是非常有害的，直接影响汽车的操 纵性及舒适性，对行车有极大的危险，影响运输效率。由于车轮振动时要消 耗能量，行驶阻力增加，因此油耗也增加，整车燃油经济性变差。同时使汽 车的操纵稳定性变坏，增加有关零件的动载荷，从而减低行驶的安全可靠性， 减少了使用寿命。摆振严重时还会影响到汽车的平顺性。影响前轮摆振的主 要原因是车轮失衡和车轮定位失准。特别是车轮的皂激摆振主要是由于主销 后倾角过大等定位参数失准的结果。 f 4 ) 转向沉重汽车行驶时驾驶员向左右转动方向盘时感觉沉重吃力，无 回正感。当汽车以极低的车速转弯行驶或掉头时，转动方向盘非常吃力，甚 至打不动。造成这种现象的原因是多方面的，车架、前梁变形或前轮定位失 准，转向轮主销内倾角、后倾角变大或前束不符合要求，轮胎气压不足，转 向节衬套与主销配合过紧，方向机垂臂轴与衬套配合太紧，转向节止推轴承 中缺油或损坏等都会导致转向沉重。其中，由于车轮定位参数失准所造成的 转向沉重概率较高，如不借助于先进的定位仪器，故障原因难于判断。 以上几类故障问题都可能是由于车轮定位参数失准所造成，其直接影响 汽车的操纵稳定性，并导致轮胎的不正常磨损，行驶阻力上升，动力性下降， 经济性变差，同时还影响汽车的机动性。资料统计表明，车轮定位故障占整 车故障的3 0 左右，因此诊断和排除车轮定位系统的故障是一个既新又老的 课题旧“j 。尤其是现代汽车车速的不断提高，车轮定位变得更为重要。所以 经常检测车轮定位参数，使其处于合理的范围内，对提高汽车操纵稳定性、安 全性以及经济性有着重要的意义1 9 “”。目前一些发达国家己将车轮定位法定 为汽车年检三大参数( 车轮定位、制动、排放) 之一。在一些发达国家的大汽 车厂，在汽车总线后紧接着的长达一百多米的质量检测线上，就包括车轮定 位检测这一项。现在我们国家也越来越重视汽车定位参数的测量，根据中华 人民共和国国家标准汽车维修业开业条件的要求，一类汽车维修企业必 须配备汽车四轮定位仪，二类汽车维修企业必须配备转向轮定位仪，这是最 基本的要求。就目前情况来看，二类、三类汽车维修企业也在纷纷配备汽车 四轮定位仪，这样一来，随着汽车定位市场日益火爆，为了提高维修水平， 争取更多的客户，并获得更好的经济效益，汽车四轮定位仪的测量精度如何， 引起了众多维修企业关注【l ”j 。伴随着最新车辆多点悬挂技术的产生，各个 车轮的定位参数的精度对整个车辆的综合性能的影响也显得更为敏感【l “。顺 应这一技术的发展，四轮定位仪则应运而生。但目前国内此类产品的测量程 序和测量精度均难以满足车辆先进悬挂技术的要求i y j 。为了满足这种最新 技术所有需要，由此产生了现代定位设备，使用先进的计算机控制技术，对 各个车轮的定位参数进行精确测量。本课题研究的主要目的在于通过对车轮 定位参数测量方法的分析及研究，找出更加精确合理的测量方法及数学模型， 只有这样结合具有先进的计算机控制技术和电子技术的四轮定位仪系统，才 能更加准确快速地检测出汽车的定位参数，提高四轮定位仪产品的测量精度。 从而保证汽车维修站投资物有所值，更增加车轮定位工作的质量和效率，使 得整体维修素质得以很大的提高。 1 3 国内外汽车检测技术的发展概况 从1 8 8 6 年第一辆汽车诞生到2 0 世纪4 0 年代，汽车检测与诊断技术经 历了从无到有的发展过程，起初的检测主要靠耳听、眼视、手摸、拼体力劳 动等人工经验方法，后来逐渐发展到以故障诊断和性能测试为主的单项检测 技术 2 0 1 2j 】。早在5 0 年代一些工业发达国家就形成以故障诊断和性能调试为 主的单项检测技术并生产一些单项检测设备。6 0 年代初期进入我国的汽车检 测试验设备有美国的发动机分析仪、英国的发动机点火系故障诊断仪和汽车 道路试验速度分析仪等，这些都是国外早期发展的汽车检测设备。6 0 年代后 期，车外汽车检测诊断技术发展很快，并且大量应用电子、光学、物理、化 学与机械相结合的光机电、理化机电一体化检测技术。例如：非接触式车速 仪、前照灯检测仪、车轮定位仪、排气分析仪等都是光机电、理化机电一体 化的检测设备。进入7 0 年代以来，随着计算机技术的发展，出现了汽车检测 诊断、数据采集处理自动化、检测结果直接打印等功能的汽车性能检测仪器 和设备。在此基础上，为了加强汽车管理，各工业发达国家相继建立汽车检 测站和检测线，使汽车检测制度化。 概括地讲，工业发达国家的汽车检测在管理上已实现了“制度化”，在 检测基础技术方面，已实现了“标准化”，在检测技术上向“智能化、自动化 检测”方向发展。 我国6 0 年代开始研究汽车检测技术，为满足汽车维修的需要，当时交 通部主持进行了气缸漏气量检测仪、点火正时灯等检测仪器的研究、开发。 7 0 年代，我国大力发展了汽车检测技术，其中汽车不解体检测技术及设备被 列为国家科委的开发应用项目。由交通部主持研制开发了反力式汽车制动试 验台，惯性式汽车制动试验台，发动机综合检测仪，汽车性能综合检验台( 具 有制动性能检测、底盘测功、速度测试等功能) 。进入8 0 年代以来，我国的 汽车诊断和检测技术得到了很大的发展。交通部主持研制开发了汽车制动试 验台、侧滑试验台、轴重仪、速度试验台、灯光检测仪、发动机综合分析仪、 底盘测功机等【2 2 j 。国家在“六五”期间重点推广了汽车检测与诊断技术。与 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 此同时，国家开始有计划地在全国筹建汽车检测站。到目前为止，全国己建 成数千条汽车检测线。目前，全国生产汽车检测设备的厂家已达到6 0 多个， 除交通部门外，机械、城建、高等院校等部门也进入汽车检测设备研制、开 发、生产、销售领域。我国已能自己生产全套汽车检测设备，如大型技术复 杂的汽车底盘测功机、发动机综合分析仪、四轮定位仪、悬架检测仪、尾气 分析仪、前照灯检测仪等【2 ”。为了配合汽车检测工作，国内已发布实施了有 关汽车检测的国家标准、行业标准、计量检定规程等1 0 0 多项。从汽车综合 性能检测站建站到汽车检测的具体检测项目都基本做到了有法可依。 1 4 汽车四轮定位检测技术发展概况 国外针对车轮定位检测技术的研究较早，5 0 年代就研制了相应的检测诊 断设备。如美国、德国、荷兰、日本以及意大利等。发展至今其自动化程度、 精确度都有了很大的提高。我国在这方面的研究起步较晚，从6 0 年代开始引 进这类设备到自行研制开发出该类设备经历了2 0 多年的时间，而至今能普及 使用的、精度较高的国产自动化设备非常少。造成这种局面的主要原因有： 在汽车检测领域的科研人员对先进的电子、激光、红外以及计算机技术了解 较少，而这方面的科研人员又对汽车检测理论认识不够，再加上没有专门的 企业或规模较大的科研机构来组织科技人员进行协作，这样使最先进的检测 技术在我国无法及时地应用于汽车检测诊断领域，从而造成了进口产品独占 国内市场的局面 2 4 1 。9 0 年代末，国内才涌现出多家开发此类产品的厂家，如 营口玄豹的s d h 3 0 0 0 ，烟台海德的h c 4 8 0 0 ，北京车安的a s 8 8 8 ，营口黎明 的神龙2 0 0 0 等，但都处于探索阶段，推出的产品大都不太成熟。所以目前迫 切需要在检测理论上进行深入研究，并充分利用最新的电子、激光以及计算 机技术开发出新型的汽车检测设备。现在，国内外使用的车轮定位检测设备 主要有以下两种： ( 1 ) 车轮定位静态检验设备车轮定位静态检测是指汽车在停止或近似状 态对车轮定位进行几何角度的测量。车轮定位静态检测的主要项目有：前后 轮前束、前后轮外倾、主销内倾、主销后倾、转向前张角、推力角等。目前 使用的这类检测设备按其检测原理与方法有水准式前轮定位仪、光学式、电 子拉线式、激光式、红外线式等。水准式车轮定位仪体积小、携带方便，但 无法测量前束，而且其精度低且安装不便，前驱动小轿车无法安装，仅适用 于非独立悬架的货车前轮检测：光学式定位仪体积较大，功能多，如日本 9 0 0 a ，w a t 2 0 0 0 ，国产的g c d i ，g c d i i 等：电子拉线式采用角位移传感 器，并用单片机或微机对信号进行处理计算出各定位参数。激光式和红外线 式是用激光或红外线和c c d 传感器代替角位移传感器，通过激光或红外线 在c c d 传感器上的位置来计算各定位参数，分无线测量有线传输式和全无 线式两种【25 1 。无线测量有线传输式四轮定位仪与拉线式的主要区别是水平面 内各角度的测量方式不同，通常采用光学非接触式测量，取消了拉线，但主 机与传感器之间还通过信号线来传递信息。全无线式的特点是采用光学非接 触式测量，主机与传感器之间采用无线信息传输，测量精度高，使用方便，目 前正在逐渐取代，成为国内市场上的主流产品。这种全无线式四轮定位仪无 论进口还是国产的，大多采用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 电荷耦合器件图 像传感器和p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 位置敏感探测器技术，测量水平 面内车轮定位参数【3 州”。在激光式和红外线式的四轮定位仪中，还具有汽车 定位参数数据库管理、辅助诊断、调整帮助等功能。目前该类型的四轮定位 仪几乎占领了全部国内检测设备市场，比如美国的大熊、战车，德国的百斯 巴特等。因此，开发我们自己的四轮定位仪既有社会效益，又有巨大的经济 效益【2 8 30 1 。 从其定位型式来分大概有三种：几何中心线定位、推力线定位和完全四 轮定位。几何中心线定位是指车轮的前束以几何中心线作为参考直线来依次 调整到规定值。这种定位方式已经沿用了许多年。当后轮位置准确且推力线 与几何中心线重合时，定位效果比较好。当后轮位置不准确或推力线与几何 中心线不重合时，就会发生转向问题。推力线定位是指以后轮总前束角的平 分线( 推力线) 作为参考直线来对前轮前束进行调节。当推力线作为参考直线 而不与几何中心线重合时，前、后轮都不与几何中心线平行。在这种情况下， 车辆直线行驶时四只车轮都偏离正前方，这就会导致轮胎表面羽毛状磨损。 完全四轮定位是指推力线的位置相对于几何中心线的测量。这样调节后的推 力线应与几何中心线重合 3 7 】【3 8 】。可以通过测量推力角来做到这一点，前轮前 束的调节用重合的推力线和几何中心线作为参考。当四轮定位完成时，四只 车轮都应与几何中心线平行，而且在直线行驶时，转向盘处于中心位置【26 】【2 ”。 ( 2 ) 车轮定位动态检测设备车轮定位动态检测主要是采用平板式侧滑台 来检测车轮前束和外倾的综合作用，并对引起侧滑的主要因素进行诊断。当 车轮滚过侧滑台滑板时，滑板向里或向外移动，通过位移传感器或力传感器 来检测侧滑量和侧滑力，从而反应出前束和外倾的配合情况【3 l 】p ”。8 0 年代 之前，我国使用的侧滑台大部分依靠国外进口，后来，在我国科技人员的努 力下，自主开发了倒滑试验台。并且由原来的指针式发展至今天的具有数字 显示、打印、数字通讯接口的侧滑试验台。由原吉林工业大学开发的智能型 侧滑试验台不仅可以双板连动而且还可以单板分动，独立测量出每个车轮的 侧滑量，它还能测出侧向力，另外它还具有诊断功能，可以指出引起侧滑的 主要原因。 另一种是滚筒式车轮定位动态检测设备：它通过检测车轮外倾和前束共 同作用在滚筒上的力，直接或间接的测出前轮定位值。试验台有单滚筒、双 滚筒和三滚筒。单滚筒式仅用于汽车制造厂，因为它要求车轴固定，而固定 车轴的机械是专用的，适用于单一车型。双滚筒式适用于各种车型，但由于 支撑方式不同，使测量结果产生误差。这种检验台目前也常用于汽车厂检测 线。三滚筒式试验台的前后滚筒用于支撑车轮的外倾推力和前束推力，外倾 推力经支架作用在随动阀上，在油缸的作用下，使滚筒轴线跟踪车轮轴线而 摆动，最终停止在车轮轴线平行线上，滚筒轴在垂直地面平面内的摆动角即 车轮外倾角。前束推力控制随动阀操纵油缸，使中间滚筒轴线偏转，并停止 在水平面的车轮轴线上，所偏转的角度就是前束角 3 3 3 6 。此种试验台国内尚 未引进。我国在1 9 8 6 年研制成功的d d i 型动态汽车前轮定位全部参数检验 台就是这种类型的检测设备。车轮定位动态检测设备应用于汽车生产厂的检 测线，而大多数汽车维修企业采用的多为静态车轮定位检测设备。本文的内 容主要是针对静态法检测四轮定位方面的研究。 随着汽车设计、制造技术的进步，新式车辆对车轮定位参数的要求已经 不仅仅停留在传统的前轮四个参数，而是完全四轮多参数的测量和调整，由 计算机进行管理和控制，设备不但显示所测量的各种角度，而且还能指出调 整方法和调整量，同时要求测量精度进一步提高，系统的响应性和稳定性进 一步加强。这就要求不仅要从下位机的传感器、夹具、标定设备等系统硬件 上下工夫，又要从上位机控制软件中的参数数学模型及标定补偿算法上动心 思，为此类产品的开发与研制提出了新的课题。本课题正是基于此背景，致 力于测量方法的研究、数学模型的优化、仪器的补偿和标定等方面来提高仪 器的测量精度。 1 5 本文主要研究内容 尽管光束式四轮定位仪作为车轮定位的静态检测在国外已经成为非常 成熟的技术，但目前我国还没有完全掌握这项技术，在参数数学模型的建立 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 和背景光干扰的处理以及测量精度方面还有很大的差距。为了改善我国四轮 定位仪长期依靠进口的局面，提高国产设备的检测质量，本文在测量方法上 做了大量的探讨和研究，主要内容如下： ( 1 ) 通过对当前四轮定位仪的结构与测量原理的研究，分析当前四轮定位 仪对各定位参数的测量原理、方法及存在的缺点； ( 2 ) 根据系统功能特点及测量精度要求，给出更优化的车轮定位参数的测 量方法，应用多刚体系统动力学，建立精确的符合实际的测量主销倾角的数 学模型，消除测量理论误差；优化车轮前束数学模型，解决没有车型数据即 在没有轴距和轮距的情况下就不能进行定位参数测量的问题； ( 3 ) 为提高四轮定位仪的测量精度，给出最合理的传感器零点的标定方法 和轮圈偏位的补偿方法： ( 4 ) 对系统的零点标定方法以及重要参数模型建立的合理性及准确性进 行实验验证，并对具体车辆进行实际测试和调整，以证明四轮定位仪的测试 精度和准确度。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第2 章汽车四轮定位的检测理论与方法 2 1 汽车四轮定位各参数对汽车性能的影响 汽车的四轮定位检测的主要参数包括：前后轮前束、前后轮外倾角、主 销后倾角、主销内倾角、推力角、转向前张角、最大转向角。 在介绍这几个定位参数之前，本文先解释有关的参考基准点和参考基准 线。 2 1 1 汽车四轮定位检测参考基准 ( 1 ) 车轮中心线是车轮纵向对称面与水平地面上相交所成的直线，如图 2 1 中l 线，2 为车轮接地点。 ( 2 ) 推力线是两后轮中心线夹角的角平分线，它是前轮测量的基准轴线， 如图2 一l 中a 线( 当两后轮中心线平行时，它为过后轴中点并与后轮中心线平 行的直线) 。 ( 3 ) 汽车纵向中心平面是过前后轴中点的铅垂平面，如图2 2 中b 面。 ( 4 ) 正前方位置是两前轮中心线与汽车纵向中心平面之间的夹角相等时， 方向盘所处的位置。 图2 - 1 车轮中心线与推力线 图2 - 2 汽车纵向中心平面 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 1 2 车轮外倾角 车轮外倾角是指车轮中心平面与汽车垂直平面的夹角，如图2 3 所示。 当车轮顶部向汽车外部倾斜时角度为正，反之为负。车轮外倾角主要作用是 使车轮与地面的动态承载中心得到合理的分配，从而达到提高机械零件的使 用寿命，减少轮胎的磨损等效果。若车轮外倾角不正确，轮胎会出现异常的 磨损，汽车在行驶时也会发生偏驶的现象。当车轮具有内倾角时( 小车) ，可 减少汽车高速转向行驶时的转向盘操纵力，增加汽车直线行驶时车轮轴承的 轴向靠紧力，提高行车安全性。 2 1 3 前束 车轮前束是指汽车车轮在水平投影的前端向内收缩，当汽车车轮在水平 投影的前端向外张开时称其为车轮前张，如图2 - 4 所示。 ( 1 ) 单个前轮前束角就是前轮中心线与推力线之间的夹角。 ( 2 ) 单个后轮前束角是指后轮中心线与汽车纵向中心平面之间的夹角。 ( 3 ) 总前柬角是单个前轮前束角或单个后轮前束角的代数和。 前束( 前张) 的作用是消除车轮外( 内) 倾角造成轮胎偏磨的不良后果。由于 车轮外( 内) 倾角使前轮有向两侧滚开( 向中间靠拢) 的趋势，由于受车桥约束， 不能向外( 向内) 滚开，导致车轮边滚边滑，增加了磨损，有了前束角后可使 车轮在每瞬间的滚动方向都接近于正前方，减轻了轮毂外轴承的压力和轮胎 的磨损。 驱纵向中心平面藏力线 图2 - 3 车轮外倾角图2 4 车轮前束 ， ，竺查堡三些查兰三堡竺圭兰堡篓圣， 。，；， 2 1 4 主销后倾角 主销后倾角是指从汽车的侧面观察，悬架上球头或支柱顶端与上球头的 连线与铅垂线的夹角。即在纵向平面内，主销向后倾斜的一个角度。如图2 - 5 ( a ) 所示，上球头在铅垂线的后方为正，反之为负。主销后倾角的主要作用是当 汽车行驶时转向轮形成可自动回正的力矩，使汽车保持直线行驶。因此主销 后倾角会影响汽车转向稳定性和方向盘的自动回正作用。见图2 5 ( a ) ，稳定 力矩等于路面对车轮侧向反作用力y 乘以力臂l 。由于现代汽车车速提高， 当汽车转向轮偶然偏转时，汽车离心力加大，从而加大了侧向反作用力y 。 又因为现代汽车轮胎气压较低( 有的采用超低压子午线扁平轮胎) ，使轮胎弹 性增加，车轮着地点后移，使力臂l 增加，所以汽车的高速化和轮胎的低压 化已自然地加大了稳定力矩，主销后倾角使汽车自动回正的作用已不在主要。 现代汽车的主销后倾角有越来越变小的趋势，有的甚至是负后倾。 2 1 5 主销内倾角 主销内倾角是指从汽车的正面观察，悬架上球头或支柱顶端与上球头的 连线( 称为主销，汽车在转向时车轮绕其旋转) 与铅垂线的夹角。即在横向平 面内，主销向内倾斜的一个角度。如图2 - 5 ( b ) 所示，上球头向内为正，反之 为负。合理的主销内倾角可使汽车转向行驶时转向轻便，减少路面通过转向 轮传导到方向盘的冲击力，同时也具有一定的自动回正作用。主销内倾是指 主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。角度越大， 前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大：反之， 角度越小，前轮自动回正的作用就越弱，因此这个主销内倾角都有一个范围。 主销内倾角一般在前轴制造时形成。 r 一前进方向 ( a ) 主销后倾角 2 1 6 转向前展角 ， 矿蚕 黧尹塌雾 ( b ) 主销内倾角 图2 - 5 主销后倾角与内倾角 转向前展角是指汽车在转向时，内侧前轮和外侧前轮所转角度之差。如 图2 - 6 所示角a ，它主要用来检测转向梯形是否变形。转向梯形的变形会造 成汽车在转向行驶过程中前轮异常磨损，操纵性变差并间接影响汽车的动力 性和燃油经济性。 图2 - 6 转向前展角 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 1 7 推力角 汽车纵向中心平面与推力线之间的夹角。以上这些车轮定位参数如果失 准以后，将会影响到汽车的性能，表2 1 列出了汽车常见故障与四轮定角度 之间的关系。 表2 - 1 汽车故障与四轮定位角度关系表 四轮定位角度原因故障情况 轮胎外缘羽毛状磨损 轮胎外缘快速磨损 前束太大 方向盘飘浮不定 前柬角( t o e ) 轮胎内缘羽毛球状磨损 轮胎内缘快速磨损 前张太大 方向盘飘浮不定 轮胎外缘磨损 太大 悬挂配件磨损 轮胎内缘磨损 外倾角( c a m b e r ) 太小 悬挂配件磨损 不等直行时车子往大外倾角一边跑 太大转向时方向盘太重 太小 直行时方向摇摆不定 主销后倾角( c a s t e r ) 转向后方向盘不能自动回正 不等直行时车子往小后倾角一边跑 2 2 当前四轮定位仪检测原理与检测方法 目前，常用的四轮定位仪有拉线式、光学投影式、光束式等三种。它们 的测量原理是一致的，只是采用的测量方法( 或使用的传感器的类型) 及数据 记录与传输的方式不同。 车轮前束角和车轮外倾角这两个测量参数都可通过各种传感器直接测 得，丽主销后倾角和主销内倾角不能直接测出，需要通过车轮左右转动一定 角度，根据测定点相对主销的几何变化间接测得。 2 2 1 主销后倾角的测量原理 为了容易理解测量原理，不妨先从感性上来认识。以两根杆为例，先将 杆1 ( 此杆为主销) 垂直立于桌面，如图2 7 所示，杆2 与视线垂直并使杆2 保 持水平，此杆即为枢轴( 转向节轴) 。将杆1 下端向自己面前偏转一个角度y ， 即形成主销后倾角，然后由此位置绕杆1 轴线分别向里、向外各转动0 角， 这时就会发现杆2 绕水平面分别向上、向下偏转了1 3 角。 从汽车左侧看左前轮 从汽车正前方，向后看左前轮 ( a ) 直行时，转向节水平 ( b ) 汽车向里或扁3 # 1 - 转时，转向节向下 或向上旋转了一个角度 图2 7 主销后倾角的测量原理 主销后倾角y 与实际测量角aa 之间的关系经过推导可得：当车轮向左 或向右转动0 ( 通常o = 2 0 。) 角时，主销后倾角y 为实际测量角aa 的1 4 6 1 倍，这样，用1 4 6 1 倍的关系标定仪器，就可以直接读主销后倾角y 。 2 2 2 主销内倾角的测量原理 主销内倾角的测量原理如图2 - 8 所示，在杆2 头部系上一杆3 ，杆3 与 杆2 垂直。将杆l 垂直立于桌面，使杆3 持水平位置并与视线垂直，再将杆 1 向里偏转一个角度b ，即形成主销内倾角( 相当于从左前轮外侧看) ，然后由 此位置绕杆1 轴线分别向左、向右各转0 角，这时又会发现杆3 分别沿逆时 针、顺时针方向各转动了一个。角。 从汽车左侧看左前轮 从汽车正前方，向后看左前轮 汽车前进方向 董兰一 ( a ) 直行时，附加杆水平 向里转 向外转 ( b ) 汽车向里或向外转时，附加杆顺时 针或逆时针旋转了一个角度 图2 - 8 主销内倾角的测量原理 主销内倾角1 3 与实际测量角。之间的关系同理经过推导可得：当车轮 向左或向右转动0 ( 通常o = 2 0 。) 角时，主销内倾角b 为实际测量角。的 1 4 6 1 倍，这样，用1 4 6 1 倍的关系标定仪器，就可以直接读主销后倾角b 。 2 2 3 车轮前束和推力角的测量原理 在测量前束时，必须保证车体摆正且方向盘位于中间位置，为了提高车 轮前束值的测量精度，无论是拉线式、：光学式还是电脑式的四轮定位仪，在 检测车轮前束之前，常通过拉线或光线照射或反射的方式形成一个封闭的直 角四边形如图2 - 9 所示。将待检车辆置于此四边形中，通过安装在车轮上的 光学镜面或传感器不仅可以检测前轮前束、后轮前束，还可以检测出左右车 轮的同轴度( 即同一车轴上的左右车轮的同轴度) 及推力角。因为四轮定位仪 系统采用的传感器不同，测量方法亦有所不同。 图2 - 9 八束光线形成封闭的四边形 光 光束式四轮定位仪测量前束角和推力角时，测量原理与拉线式四轮定位 仪基本相同，只是用激光或红外光束来代替拉线而已。然后通过测量激光束 或红外光束的回转角度来测量各种角度。有的四轮定位仪采用激光束与光敏 二极管相配合，有的采用红外线与光敏= 极管，后来，又用p s d 或c c d 传感 器代替光敏二极管，采用这种传感器的四轮定位仪已得到广泛应用。光束式 四轮定位仪每个检测头上有两套光束发射和接收装置。当汽车具有零前束时， 每个车轮上的检测头发出的光束与对面检测头照射过来的光束完全重合，此 时，光束在接收装置中的位置定为零点。当汽车具有车轮前束不为零时，检 测头外壳随车轮转过一个角度，从而使其在接收装置中的投影点发生偏移， 由此偏移距离即可测出检测头转过的角度。 就拿p s d 来说，四轮定位仪采用的是对红外线敏感的一维p s d ，光源为 红外发光二极管。p s d 是一块半导体的感光板，上面有三根电极，一根连在 他的背面，另外两根连在两头。当一个点形状的光照在那个板上面，连在板两 头的电极上就会流出电流来，这个电流和哪个光点照在板上的位置有关系， 测量这两个电极上流出的电流，就知道哪个光点的位置。这就是p s d 测量位 置的原理。目前，汽车四轮定位仪根据所用的p s d 传感器数的不同，可分为6 束和8 束四轮定位仪，它们分别采用了6 个和8 个p s d 传感器。8 束四轮定位仪 的测量精度要高于6 束，是目前国内市场上的主流产品。整个定位测量系统由 一个上位机和四个下位机组成。上位机为p c 微型计算机，其主要负责对下位 机的测量过程控制、读取下位机所采集的数据、数据处理与计算以及结果显 示、存储、打印及管理等。下位机由单片机系统组成，它们分别位于左前、左 后、右前和右后机头的壳体内，机头与夹具相连，测量时机头通过夹具分别固 定到汽车四个车轮的轮辋边缘上。8 束四轮定位仪p s d 传感器的布置情况如 图2 1 0 所示( 图中只给出了一侧的布置情况) 。每个p s d 传感器组件包括红外 发光二极管、透镜和p s d 传感器，透镜位于p s d 的前部。测量时，发光二极管 所发出的红外光经透镜聚焦到一维p s d 上，根据p s d 上入射红外光的位置或 p s d 两电极的输出，便可计算出后轮相对于前轮的角度。8 个p s d 传感器的测 量光源形成一个封闭的四边形，据此可测出水平面内前束、轴偏等各种定位参 数。采用c c d 传感器的四轮定位仪测量原理与此类同。 1 、2 、3 、4 、p s d 传感器组件5 、发光二极管 6 、前轮7 、后轮8 、机头 图2 1 0p s d 传感器的位置 2 2 4 车轮外倾角的测量原理 4 由车轮外倾角的定义不难看出，它不同于主销内倾角和主销后倾角，可 采用角度传感器在汽车处于正前打直方向时直接测出，是一种直接测量形式。 一般的角度传感器有光电编码器、光电电位器式、电感式倾斜传感器、小型 双轴斜度传感器和电位器式传感器。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 2 5 转向2 0 。时前展角的测量原理 汽车使用时，由于前轮的碰撞冲击，长期在凸凹不平的路面上行驶和经 常采用紧急刹车等，对车辆的冲击作用都可能引起转向梯形的变形。因此会 造成汽车在转向行驶过程中前轮异常磨损，操纵性变差并间接影响汽车的动 力性和燃料的经济性。 为了检测汽车的转向梯形臂与各连杆是否发生了变形，就需要检测转向 2 0 。时前展角。其测量方法为：让被检汽车前轮停在转盘中心处，右轮沿直 线行驶方向向右转动2 0 。，读取左前轮下的转盘读数x ，则2 0 减去x 即为向 右转2 0 。时的转向前展角；然后再让左轮向左转动2 0 。，读取右前轮下的转 盘读数x ，则2 0 减去x 即为向左转2 0 。时的转向前展角。一般汽车在出厂 时都已给出转向前展角的合格范围，将测量值与出厂标准进行比较即可检测 出车轮的转向梯形臂与各连杆是否发生了变形，如果超出标准值或左右转向 前展角不一致，则说明该车的转向梯形臂与各连杆已发生了变形，需要进行 校正、调整或更换梯形臂和各连杆。 2 2 6 不同测量方法缺点分析 通过对以上四轮定位参数测量原理、方法分析以及走访调查市面四轮定 位仪产品的使用情况发现： 1 、拉线式四轮定位仪产品采用电位计式传感器，且通过弹性线将传感 器相互连接，以确定它们之间的相互位置，从而测出水平面内前束等角度。 这种四轮定位仪的缺点是操作不方便，风力吹拂或由于机械原因造成的卡滞 将造成测量误差，目前已基本被淘汰。 2 、激光式的四轮定位仪一是对眼睛不好，二是凡是使用激光机器的技 术都很老，国外已经有十几年没有出使用激光的设备。因为激光是一种很特 殊的光，它的能量很强，是有危险的。所以国际上根据激光的强度把它分成 了很多级别，且对每级的安全性都严格的规定。 3 、使用p s d 的机器没有固定测量数值，使得四轮定位的测量重复性很 差。因为p s d 随着外面的温度会飘，即使是温度没有变化，它测量到的位置 的数值也会慢慢的随着时间在飘动，这是这种传感器的特性决定的。四轮定 位属于移动式测量仪器，和自动化机器还不一样，它使用的环境( 不同的汽车， 温度变化，光线变化) 是变化的，这点是p s d 的杀手。同时p s d 要求高稳定的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 电源，特别是它需要的电压很高( c c d 只要5 伏而且根本没有特别的要求， 而p s d 却要求是越高越好，有的高达7 0 伏) ，而且这个电源直接决定了p s d 的测量精度。 4 、有的四轮定位仪虽然采用了国际上主流的线阵c c d ，但由于电路设 计的缺陷，对使用环境要求特别苛刻。不能在光线复杂的地方使用，不能有 强电磁场，温度不能有太大的变化，不能有大的电机在附近，中午工作时要 将车间的门帘拉下一半。所有这些，给四轮定位仪的使用带来很大不便，严 重影响国轮定位参数的测量质量。 2 3 本章小结 本章主要介绍了汽车四轮定位各参数对汽车性能的影响以及各主要参 数的测量原理和测量方法，并分析了常见几种测量方法的优缺点。 皇堡堡三些查茎三堡至圭兰堡篁兰 。：一。， ! ，。 第3 章系统总体设计与测量方法 3 1 系统总体设计 我们设计的四轮定位仪是一款全无线的集计算机测控技术、通信技术、 光学技术、传感技术、机械技术等于一体的高精度产品。从其测量原理来归 类依然是一种光束式红外线四轮定位仪，但它不同于采用p s d 或面阵c c d 传感器的测量，增强了设备对测量环境的抗干扰能力，测量精度有了很大的 提高。同时，为了满足系统的精度要求又从定位参数的数学模型角度做了进 一步优化。 3 1 i 系统主要功能及特点 车轮定位仪采用8 光束定位测量原理，8 条光束形成了封闭的测量范围， 使得测量精度大为提高，并且机器随时监控系统的工作状态，如有异常，故 障信息将显示在屏幕上，提醒用户；在定位系统中，采用了高精度的倾角传 感器和线阵c c d 光电耦合式传感器，在传感器之间和传感器与主机之间采 用了无线传输数据的方式，完全避免了数据电缆对传输信号的影响，并使测 量场所对定位仪的限制减少到最小。测量快速，一次性完成汽车四轮前束、 外倾、主销后倾、主销内倾、转向前展角、最大转向角等定位参数测量，并 实现了在线测量，在线调整。具有轮稠补偿功能，该功能可以对因轮辋变形、 夹具位置不正而引起的前束、外倾角测量误差进行补偿。直观易用的中文视 窗操作系统，人机对话友好，只须进行简单培训，用户即会进行操作。计算 机内包含一万余种车型定位参数数据库，数据库维护简单，可方便添加、删 除和编辑车型数据，测量结果和数据库标准数据比较后可以通过数据颜色变 化直观显示。 3 1 2 系统测量精度要求 根据交通部、中国汽车维修行业协会设计任务书，我们开发的基于计算 机技术、光电测量技术以及无线通讯技术的新型智能化汽车定位参数的综合 测量仪，其测试精度应达到如表3 1 要求。 表3 1四轮定位仪测量精度技术指标 测量参数测量精度( 分)测量范围( 分) 车轮总前束 土4士1 5 单独车轮前束 土2土1 5 外倾角 士4 士1 0 前 主销后倾角 士4 士18 主销内倾角 士4 士1 8 转角差 士5士2 0 轴 包容角 士5士1 8 车轮偏位 士5+ 1 0 最大转向角( 左) 土5土6 0 最大转向角( 右) 士5士6 0 车轮总前束 士4 士1 5 单独车轮前束 土2土1 5 后 外倾角 1