四轮定位检测与调整技术研究毕业论文

1昆明理工大学毕业论文汽车四轮定位检专业气车维修工程教育年级2010学号10429323022指导老师日期目录2摘要1第一章绪论211本文研究意义212四轮定位技术的国内外发展概况213汽车四轮技术的应用现状及发展趋势414本文研究的主要内容515本章小结5第二章四轮定位的基本参数及其对汽车性能的影响621主销后倾角622主销内倾角1123前轮外倾角1124前轮前束1125其他四轮定位相关角度1226四轮定位参数间的关系1227本章小结13第三章四轮定位仪测量原理及测量精度研究1431CCD式四轮定位仪组成1432CCD式四轮定位仪的测量原理及数学模型15333D图像式四轮定位仪结构及测量原理1834本章小结21第四章四轮定位参数调整技术的研究2241现代车轮定位参数调整概述2242后轮定位参数的调整2643麦弗逊式前独立悬架定位角的调整研究2844本章小结33第五章麦弗逊前悬架结构与车轮定位参数关系分析及优化3451麦弗逊悬架仿真模型的建立3452仿真试验及结果分析3653悬架的优化及结果分析4054本章小结43结论与展望参考文献致谢3摘要近年来我国汽车工业的飞速发展，现在已经成为世界第一的汽车生产与消费大国。随着汽车保有量的增加与汽车本身技术含量的提升，给汽车检测、诊断及维修行业带来严峻的挑战。为了使汽车的检测更为准确、高效，我们需要不断的去学习、探讨、研究各种高新的检测技术，并以理论联系实际的方法将这些技术得以应用。四轮定位就是各种新技术之一，其通过专用四轮定位仪对车辆进行精确测量后，技术人员根据测量数据及综合原厂设计标准，对车辆的各定位参数进行调整，使车辆的技术指标达到原厂设计要求。保证了汽车行驶的安全性、舒适性、稳定性和经济性。本文对当前四轮定位检测与调整技术进行研究。首先介绍汽车车轮定位参数的基本理论知识，分析了各定位角对汽车性能的影响及各参数之间关系。接着针对CCD式和3D图像式两大主流的四轮定位仪产品进行研究。通过分析它们的结构，深入研究了各自的检测原理。提供了一套对四轮定位仪测量精度的评定办法，并通过实验检测了CCD式四轮定位仪的测量精度。然后，对车定位参数的调整技术进行研究。介绍了常用的四轮定位调整零件。通过对麦弗逊式前悬架结构的分析，对该种悬架中一些难以调整的定位角度提出了调整办法。最后采用ADAMS/CAR建立了麦弗逊式前悬架的仿真模型，经仿真试验进一步分析了麦弗逊悬架结构与车轮定位参数的关系。通过处理分析结果，对该麦弗逊悬架进行了优化。汽车的四轮定位在我国起步较晚，通过近十几年的快速发展，越来越多的人认识到汽车四轮定位的重要性。在汽车维修行业认为学好了四轮定位就等于学好了对底盘的维修。可见对于四轮定位检测技术的研究，不仅意义重大，并且具有很大的市场应用价值。关键词四轮定位、车轮定位参数、定位仪、麦弗逊悬架4第一章绪论11本文研究的意义2011年中国汽车产业的快速发展，实现汽车产销超过1850万辆，继续成为了世界第一汽车生产和消费大国。目前我国民用汽车保有量达到10578万辆，其中三轮汽车和低速货车1228万辆，比上一年末增长16，4，私人汽车保有量7872万辆，增长20,4，私人轿车保有量4322万辆，增长25，5。可见我国的汽车，尤其是私人轿车的保有量增加迅速。再随着我国高速公路不断建设，国道及城乡道路的不断改善，汽车的行驶速度也不断提高。相对于以前，人们开始更为关注汽车的行驶稳定性、安全性及乘坐的舒适性、操控性。特别是高速行驶时汽车的稳定性和安全性是人们购车所关注的焦点。汽车悬架机构的技术状况正是和这些人们关注的这些问题息息相关。车辆在出厂时，其悬挂系统的定位角度都是根据设计要求预先设定好的。这些定位角度共同用来保证车辆驾驶的舒适性和安全性。目前轿车前后悬架几乎都采用了独立悬架，来满足车辆行驶时操纵稳定性和平顺性的要求。然而独立悬架相对来说结构复杂，零件刚度低，抗变形能力差。在汽车行驶一定里程后，由于在不同的路况条件下长时间工作，汽车受到地面和零件间的摩擦，或受到外力的撞击，都很容易造成悬架机构零部件的磨损变形。会出现轮胎异常磨损、零件磨损加快、方向盘发沉、车辆跑偏、油耗增加等现象，这些现象都是车辆性能下降的表现。要消除这些现象，确保车辆性能的稳定，就要对汽车进行四轮定位检测，并调整车轮的定位参数使之达到标准的范围，恢复汽车的技术状况，确保汽车的正常行驶。根据资料统计表明，由车轮定位参数不准确引起的故障占整车故障的30左右。因此检测和调整车轮定位参数是一个重要项目。做四轮定位检测和调整不仅仅是为了故障的排除，更为解除汽车的安全隐患，使悬架和车轮运行时达到最好的技术状况。正确的车轮定位有利于汽车操纵的稳定性减少转向机械和悬架的磨损使汽车行驶更加平稳保证车轮在行驶时尽可能的垂直于路面，减小车轮滚动阻力，提高燃油经济性并最大限度减少车轮的滑移，减少轮胎的磨损延长轮胎寿命。有了这些保证，就大大提升了行车的安全性。目前国外许多发达国家己将车轮定位检测定为汽车年检三大参数车轮定位、制动、排放之一。汽车出厂前所做的质量检测也包括车轮定位检测这一项。一般轿车为了保证能正常行驶，一年需做2次四轮定位检测。若使用频繁，则每三个月就要进行一次检测。可见，四轮定位在保证汽车使用性能上不可缺少。做好四轮定位会给我们带来经济、效率、安全等多方面的丰收。随着中高级轿车的不断增多，人们对汽车的要求越来越高。车轮的定位也需要越来越精准。才能更好的满足人们对汽车安全性、动力性、经济性、操控稳定性、舒适性等多方面的需求。因此对现代汽车四轮定位技术及其应用分析有重要意义。512四轮定位技术的国内外发展概况121四轮定位测量技术的发展历程20世纪70年代以前，世界上绝大部分汽车是后轮驱动的。整体式的桥壳和车架是当时多数后轮驱动汽车的设计特点。这样的设计使人们无需过多的考虑使用中车辆的后轮定位问题。所以早期的车轮定位检测主要是指转向轮的定位前轮定位。然20世纪70年代后期，石油危机的爆发导致全球性的经济危机，美国提出并采用了联邦合作平均燃油经济性法案。因此，轻便、节能的前轮驱动轿车在国外许多大型汽车制造厂开始大量投入生产。这些轿车多采用承载式车身，四个车轮都分别具有独立的悬架系统。随着这些轿车大量应用，由后轮定位故障所引起的车辆转向、轮胎磨损、跑偏等问题日益增多并引起关注。仅是做前轮定位已无法维持汽车良好的技术状况，车辆的后轮定位参数也必须予以调整。前后轮同时定位的四轮定位技术便因此而生。122车轮定位的技术发展经历的三个阶段第一阶段为几何中心线定位阶段即以几何中心线为参考对前轮作定位。这是一种沿用多年的前轮定位方式。对于现代采用独立悬架的轿车，其缺点是忽略了后轮定位参数的变化。当后轮定位不准确时，车辆几何中心线与其推力线形成一定的夹角图11，就会导致车辆跑偏、转向偏离、吃胎等多种问题。图11推力线与几何中心线的夹角图12后轴侧偏当发生车轮偏迹现象时。如图12为后轴侧偏的情形，前后轮之间虽然相互平行，但明显后轴总成发生了侧向偏移，汽车的几何中心线位置改变，不再处于车辆的几何中心。此时以几何中心线为参考来定位车轮，显然不合理。后轮侧偏使得行驶时前后轮不在沿着同一轨迹，从而导致转向拉力的产生，会给行车安全带来隐患。第二阶段为推力线定位阶段即通过测量后轮，找到推力线，以推力线为参考定位前轮的两轮定位方式。这种定位方式可以使转向盘在车辆行驶时能保持在中性位置，设有考虑到力推线与车体中心偏离的问题。若两者不是平行关系图11仍以推力线为参考定位前轮,则车辆在直线行驶时,汽车的四个车轮滚动方向与汽车行驶方向不一致。不仅造成严重偏向,还会致使轮胎表面产生羽毛状磨损,加速前轮的外缘磨损。第三阶段就是完全四轮定位阶段即首先作单独后轮定位，检测出两个后轮的单独前束，如图13调节后轮前束，使推力角为0O实际操作中在士025。范围内，这样调节后的推力线应与几何中心线重合。前轮的定位用重合的推力线和几何中心线作为参考。两个后轮也要独立调整，新型轿车都设计成独立悬架的目的正是在此，从而实现了完全四轮定位。通过四轮定位后的汽车，前后轮都与6汽车几何中心线平行并且行驶时后轮运动是沿着前轮轨迹的，转向盘也保持在中性位置。使得汽车各悬架和车轮能在良好技术状况下运行。13汽车四轮定位技术的应用现状及发展趋势随着电子技术、计算机技术的发展，汽车检测技术已从依靠尺量、眼看、耳听、手摸的方式，改进成利用各种先进设备在不解体汽车的前提下全面、准确、迅速地对车辆进行检测。四轮定位仪作为众多先进检测设备的代表之一，它涉及了机械、数学模型、光学、电子、计算机软件等多个领域的知识。图13推力线与几何中心线重合目前市场上的四轮定位仪种类繁多，根据其测量传感器所采用的技术，可分为拉线式、PSD式、CCD及3D图像式等。而PSD式和CCD式在国内应用较广，其测试光源又分为两种激光式光源和红外线式光源。以下将分别进行介绍L拉线式它采用角位移传感器测量车轮定位参数。角位移传感器实质上是一个带摆臂的滑线旋转电位计，摆臂旋转一定角度时，带动电位计的电刷转动，从而改变输出电阻，最终导致传感器的输出电压发生变化。拉线式四轮定位仪使车轮定位仪进入了电子时代的先驱。但其操作繁琐、测量精度不高、不便于进行全四轮测量。所以现在应用很少。2激光激光是上世纪发现的新型光源。它具有单色性、高亮度、高方向性和高抗干扰性的特点。但用于测量的激光传感器寿命较短。测量时由于受人为误差影响，其精度也很难达到理论所述的低于01。更重要的是激光达到一定强度后，对人眼伤害作用明显。很难将其控制在安全标准。因此在发达国家此类产品早已淘汰。国内目前还有少部分使用。3红外线红外线作为测量光源，其使用寿命可高达10年，测量精度在理论上也可达到001以下。但大家知道所有物体都会散发红外线，尤其是热源和光源处。所以红外线作测量光源的四轮定位仪的一项关键技术就是去防止外界红外线对测量光线的干扰。4PSDPSD即模拟光电位置传感器，是一种模拟器件。它会根据受光面所受光照位置的不同，而使其输出电流产生相应的变化，再根据电流大小分析出准确的光照位置。从原理上可以看出它只能测量单一光点，容易受到外界光线影响。再者PSD的温度稳定性差，温度的改变可影响其输出电流的大小，造成测量失准。因此国外四轮定位仪很少应用这项技术。但PSD的这两大缺点可以通过特殊的测量取样方式进行最大限度的弥补。所以在韩国和国内的部分四轮定位仪上还有使用，并且不乏有一些好的产品。5EENEED即电荷祸合器件。这种新型的半导体集成光电器件是上世纪70年代初才开始发展起来的。它是由数以千计的独立的光敏元集成到一块硅面上。7当光照射到光敏面的感光单元上，相应的光敏元就会聚集光电子，经附加电路处理，产生光的强度及位置信息。CCD光敏面上的光敏元的排列形式有排成一行的和排成二维矩阵形式的两种，分别叫做线阵型CCD和面阵型CCD。四轮定位仪中多采用2000线至3000线的CCD。所以其光学分辨率理论上是在0015、0025，精确度接近005。CCD器件具有良好和环境适应性，不受光线、温度、磁场等的干扰。特别适合一般汽修车间的工作环境。欧美等发达国家生产的四轮定位仪广泛采用此技术，在我国目前CCD定位仪的使用比例也是最大的。63D不同于原始的二维空间四轮定位测量技术，3D图像式四轮定位技术应用高精度三维成像技术和数字图像处理技术实现非接触测量。该方法由反光板代替原来夹装在各车轮上的测量头，用安装在定位仪主机两侧的CCD摄像机采集各反光版上的图像信息，再通过图像处理技术得到车轮的定位参数，并且精度高达001。这是目前最先进的测量四轮定位参数的方式。因反光板上没有传感器和电路，所以使用时不易损坏更为耐久。3D图像式四轮定位仪在欧美己经大量应用。但其价格昂贵，对配套机械设备要求高，不适于现在国内大多数修理广使用。在我国的四轮定位仪市场只能算次主流。不过由于3D四轮定位仪技术上的优势和使用上的方便快捷，其很可能在未来几年内取代CCD四轮定位仪在国内的霸主地位，成为主流的四轮定位技术。14本文研究的主要内容L对四轮定位参数的基本理论进行说明，对各车轮定位角的作用及影响进行分析。2针对现在主流的CCD式四轮定位仪和最新的3D图像式四轮定位仪的测量原理以及数学模型进行分析与研究。并对CCD四轮定位仪的测量精度进行了实验研究。3对现代四轮定位调整技术进行研究。介绍了专业四轮定位调整零件的调节原理及使用方法。通过分析麦弗逊式前悬架的结构与特点，归纳出麦弗逊式前悬架的车轮定位角的调整的可行方案。4为便于对采用麦弗逊式前悬架车辆的前轮定位参数的研究，基于AMADS/CAR建立了该悬架的运动学模型。通过仿真试验及对试验数据的分析，总结出前轮定位参数与悬架结构的关系，并对建立模型的结构参数进行了优化。15本章小结说明了如今汽车四轮定位的必要性及重要意义介绍了四轮定位技术的发展历程阐述了目前国内外主流的四轮定位技术。对多种四轮定位仪的应用现状进行分析，说明其各自的特点及发展趋势，最后阐明本文研究主要内容。第二章四轮定位的基本参数及其对汽车性能的影响转向轮定位参数转向桥在保证汽车转向功能的同时，应使转向轮有自动回正作用，以保证汽车稳定直线行驶。即当转向轮在偶遇外力作用发生偏转时，一旦作用的外力消失8后，应能立即自动回到原来直线行驶的位置。这种自动回正作用是由转向轮的定位参数来保证的，也就是转向轮、主销和前轴之间的安装应具有一定的相对位置。转向轮的定位参数主要有主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前速。21主销后倾角主销后倾角是指在汽车纵向平面内，上球头或支柱顶端与下球头的连线假设的转向轴线，也可称主销轴线与汽车前轮中心的垂线形成的夹角图21A。后倾角以角度为单位，主销轴线向前倾称为负主销后倾角图21。，主销轴线向后倾斜称为正主销后倾角图21B。ABCA主销后倾角原理图B）正主销后倾角C）负主销后倾角图2、1主销后倾角转向轮设置正主销后倾角，一是为了在车轮转向时使车轮自动复位。二是为转向轮提供的回正力矩，可以在汽车行驶中偶遇外力作用方向产生偏移的情况下，使车轮自动回复到原来位置，从而保证汽车稳定的直线行驶川。正主销后倾角的存在，一方面提高汽车直线行驶的稳定性，并使转向轮在转向后能够自动回正。但另一方面却加大了转向时的阻力，使得方向盘变重。因此一般传统的手动转向的汽车后倾角不易太大。而配置了动力转向系统的车辆就可以采用较大的主销后倾角，即提高汽车直行的稳定性，也可使驾驶员转动方向盘时更有感觉。负的主销后倾角会使转向时的力量变轻，但转向轮的稳定性降低，高速行驶时车轮会晃动使得汽车发飘，给行车安全带来隐患。另外，如果汽车左、右两轮之主销后倾角不相等大概相差超过30时车辆会出现跑偏，汽车会被拉向后倾角较小的一侧。主销后倾角所产生回正力矩的大小与汽车行驶速度成正比。现代汽车尤其是轿车对汽车高速行驶的性能要求较高，较大的主销后倾角会使汽车高速行驶时产生较大的回正力矩，使得转向变沉，甚至出现转向轮回正过猛引起前轮摆振。因此，现代轿车一般采用主销后倾角设计23。现代高速汽车由于轮胎气压降低、弹性增加，而引起稳定力矩增大。因此，主销后倾角可以减小到接近于零，甚至为负值。22主销内倾角汽主销内倾角是指在车横向平面内，转向轴线减振器上支撑轴承与下悬臂球节之间的假想直线与地面铅垂线所形成的角度图2，2包容角即主销内倾角与车轮外倾角之和图22。摩擦半径指在地平面上，车轮中心线与地面的交点到主销内倾角延长线与9地面的交点间的距离。当主销内倾角延长线与地面的交点在车轮中心线外侧时，摩擦半径为负图22。图22主销内倾角主销内倾角与后倾角一样，具有帮助转向轮自动回正的作用。当车轮在外力作用下偏离中间位置时，车轮最低点将陷入路面以下。但一般路面比轮胎坚硬，轮胎不会陷入地下，只会将汽车前部向上略微抬起，这样转向过后汽车本身的重力有使车轮回复到中间位置的效应。内倾角还会影响汽车的转向操纵力和直线行驶的稳定性。由于主销内倾的趋势使车轮的摩擦半径变小，即转向力臂减小，进而使转向所需的操纵力减小。主销内倾角越大摩擦半径越小，转向也越轻便。但主销内倾角过大就会出现摩擦半径为零甚至负摩擦半径的情况。摩擦半径为零时，汽车转向达到最轻的效果。过大的负摩擦半径则会使轮胎向内侧滑动，加速了轮胎的磨损。主销内倾角提供的转向轮回正作用与车速无关。它可在汽车处于急加速、急刹车、急转弯等工况下仍然保持可靠的前轮回正作用。面对复杂的交通环境，主销内倾角的存在，很大程度上提高了汽车行驶的安全性。所以现代汽车的主销内倾角不大于8，距离摩擦半径一般为4060。23前轮外倾角车轮外倾角即车轮的中心平面与地面的铅垂线所形成的夹角。如图2310图23轮胎顶部向外倾斜时，车轮中心线在铅垂线外侧，此时外倾角为正外倾角图24侧中。轮胎顶部向内倾斜时，车轮中心线在铅垂线内侧，此时顷角为负外倾角图24右。轮胎完全与地面垂直时，车轮中心线与铅垂线重合。此时外倾角为零外倾角图24左。图24正、负外倾角与零外倾角1在汽车重载时，防止由于载荷而产生的不需要的外倾角，以减小轮胎的磨损。当大量载荷作用在车辆时，会导致悬架的一些部件和相关衬套变形。致使车轮顶部有向内倾斜的倾向。正外倾角使得载重后的车轮不至于产生过大负外倾角，这样轮胎面能更好的与地面接触，减少不必要的磨损。2减小转向操纵力，使转向更为轻便。汽车转向时车轮的转动是以转向轴线为中心，以车轮偏距为半径的。即车轮偏距越小，产生的转向力矩就越小，所需的转向操纵力也越小。车轮的正外倾角让轮胎接地点向内缩，从而减小偏距，转向也因此变得轻便。3减轻轮毅外轴承负荷，防止车轮脱滑。正外倾角的存在，使得路面垂直作用在车轮上的反作用力产生一个迫使车轮沿轴线向内的分力，有助于防止车轮脱滑。而负外倾角会使得这个分力方向沿车轮轴线向外，进而增大轮毅外轴承负荷，减少轴头螺母的寿命。一定的正外倾角可以有效防止车辆满载后的车轮内倾，减轻轮毅外轴承负荷。114正外倾角还可以减小转向节上的负荷，防止转向节弯曲。由于正外倾角的这些作用，现在大多数的客车和轻型卡车都采用正外倾角的设计。然而随着道路条件的改善，轿车的普及，人们对汽车高速行驶时的性能更加注重，再者是轿车的负载不高。所以如今大量高性能的轿车都采用了负外倾角的设计。负外倾角可以使高速行驶的车辆具有更好平顺性，并改善转弯时的车辆稳定性。轿车高速转向时，由于离心力的作用，车身会向外倾斜。此时若为正外倾角设计的汽车，则其正外倾的角度会增大，加大外侧悬架的负荷和外侧车轮的变形与磨损，降低车辆转向性能。而负外倾角设计的汽车，转向时车身向外倾斜，使车轮外倾角减少，成为零外倾角或较小的正外倾角，从而降低了车辆的倾斜度，减小外侧车轮的磨损，更是提高了转向时的稳定性。另外，零外倾角的设计，可以保证汽车直线行驶时车轮内外受力均匀且具有相同的转动半径，使得磨损均匀，增加轮胎寿命。所以，现代不少汽车也采用了零外倾角的设计。24前轮前束车轮正外倾角的存在，使车辆向前行驶时，车轮有向外滚动的趋势，再由于车桥的约束，车轮不可能滚向外侧，这势必导致车轮在地面上打滑，造成轮胎的磨损。前束的设置正是为了消除由车轮外倾角带来的轮胎侧滑现象。车轮前束即左右车轮前轮或者后轮中心线其后端与前端距离之差，也叫总前束。前束可用毫米、英寸、角度等单位表示。总前束数值上等于左轮前束和右轮前束之和。总前束LTOC十RTOE图25车轮前束如图25前束也分为零前束、正前束、负前束后束。零前束左右车轮相12互平行，其轮胎中心线前端与后端距离相等。正前束左右车轮前端指向内侧，其轮胎中心线前端距离小于后端距离。负前束左右车轮前端指向外侧，其轮胎心线前端中距离大于后端距离。前束的作用主要是消除外倾角带来的副作用。但在车辆行驶时，刚性的悬架不断受到来自不同方向的作用力，后轮驱动车辆的前轮有后束的趋势。所以一些车轮采用零外倾角设计的车型，其前轮也具有较小的正前束。同理，前轮驱动的车辆，其前轮通常设有较小的负前束。这也是为了补偿转向杆系和转向轮在汽车行驶过程中产生的变化。图26前束的变化图26所示为转向机构的杆件对车轮前束的影响。汽车行驶时，转向机构的杆件末端会随着悬挂系统的压缩和拉伸，进行上下运动。若杆件的长度或安装角度不符合标准，汽车在不平整的路面行驶时，转向臂就会受到杆件的推拉作用，将车轮转向一边，致使车轮前束变化，转向发生抖动。使用不同类型的轮胎对车轮前束的设计也有影响。比如斜线轮胎采用的车轮前束要比子午线轮胎采用的车轮前束大。因为斜线轮胎的胎面和胎肩容易产生较大的变形，这样就产生了较大的外倾推进。同零外倾角一样，零前束的车轮，轮胎指向正前方，这时轮胎向前滚动的磨损最小。无论是正前束还是负前束的设计的汽车，都是使车辆在行驶时的车轮前束能趋近于零前束，从而提高汽车性能，减少轮胎的磨损。正前束或负前束过大都将引起轮胎胎纹的羽毛状磨损。正前束过大轮胎胎面外侧花纹被磨损，内侧边缘花纹被羽状化。负前束过大时造成的磨损正好相反。汽车前轮外倾角与前束之间相互制约，其目的就是使汽车行驶时车轮的侧向滑移和轮胎的磨损减到最小。不同类型、不同用途的车型的前轮外倾角与前束都13拥有各自的匹配关系。车轮外倾角与前束同时也是四轮定位中后轮的定位参数。后轮外倾角与前轮外倾角作用类似，都使得转向轻便，提高汽车转向稳定性，减少轮胎磨损。也正为此，通常前轮驱动的轿车后轮都采用较小的负外倾角，但一般较前轮外倾角大1倍左右。后轮前束的除了抵消后轮外倾角的副作用，重要的是确保后轮推力线与汽车几何中心线重合，并以此为基准对四个车轮进行定位。左右后轮前束定位不一致，也就无法正确的定位其他的车轮定位参数，形成的推力角还会导致车辆的跑偏。25其他四轮定位相关角度251推力角后轮总前束的平分线称为推力线。推力线指向汽车前进方向。推力角就是推力线与汽车几何中心线的夹角图27。汽车直线行驶时，汽车真正的行驶方向是与推力线方向一致的。如果推力线不与汽车几何中心线重合，即推力角不等于零时，车子的行进方向无法与其几何中心平行，行驶轨迹偏斜。这时驾驶员必须调整转向盘，使其处于偏斜的状态才能保证车辆的直线行驶。因此，推力角的理想值是零。推力角可通过调整后轮前束来进行调整。调整推力角为零，再以推力线为基准对汽车进行车轮定位，是现代汽车四轮定位的首要步骤。图27推力角图28车轴偏角252车轴偏角14车轴偏角表示同一车轴左右两车轮的平行度图28，即一侧车轮相对于另一侧车轮延迟。车轴偏角会造成方向跑偏，使操纵不稳。因主销后倾角的不当调整会导致前轮车轴偏角的产生。碰撞事故的发生也是车轴偏角产生的主要原因。测量车轴偏角时，应先校正车轮前束，以确保前束正确。否则会产生错误的车轴偏角读数车轴偏角的大小应不超过1253转向前展转向前展即转向角，也称为爱克曼角表示在车辆转弯时两前轮的相对位置图29。汽车直线行驶时，两前轮要保持平行，这样可减小阻力和轮胎的磨损。而当汽车转向时，则一定的转向前展是必须的。否则转向角度相同的两前轮的转动中心不在同一点上，外侧车轮会产生拖滑，造成轮胎磨损，转向也失去稳定性。通过转向梯形可使汽车在转向时，外侧车轮的转向角略小于内侧车轮。两轮转向臂中心线的延长线与后轮轮轴中心线的延长线交与一点。这时两前轮以共同的转动中心，分别以不同的转弯半径，沿各自的轨迹滚动着转弯。消除了车轮的侧滑现象，使转向平稳。图29转向前展254行驶高度行驶高度虽然不是一个定位参数，但是它会影响到其它的定位参数，主要是车轮外倾角和主销后倾角。因此许多汽车制造厂规定了行驶高度的测量位置及标准。在对车辆进行四轮定位前，需检测并调整车高至厂家规定的范围内26四轮定位参数间的关系汽车的车轮是通过底盘复杂的机械结构相连接的。当调整车轮其中一个定位参数时，由于各个机构的相互联动，就很可能会同时改变另一个或几个定位参数。各参数间大致关系有以下几点1调整前束会引起外倾角的改变。因为在调整前束时，车轮会围绕转向轴转动，转向轴有后倾角的存在使得车轮转动后外倾角随着改变。而且主销后倾角越15大，改变前束后，外倾角的改变越大。2改变主销后倾角可能会影响到车轮偏角。当调整主销后倾角大小时，转向轴上支点和下支点都是可以向前或向后移动。加大或减小主销后倾角会使前轮向前或向后滑动，这样即使后倾角校正正确，也会使车轴偏角改变。所以为了使调整时前轮自由的前后滑动，使用的转盘也必须具有可前后滑动的功能。3调整车轮外倾角会同时引起主销内倾角的变动，同理调整主销内倾角时车轮外倾角也随之变动。车轮外倾角的调整根据悬架结构的不同方法也不一样。如果是通过左右移动转向轴上支架点和下支架点，就会同时改变外倾角、主销内倾角。这时即使外倾角调整正确，但可能由于内倾角的改变，引起车辆操纵不顺。在解决故障同时可能也在制造另一个故障。4后轮前束角的调整关系到前轮单轮前束角的大小。因为后轮前束决定着后轮推力线的方向，前轮前束的测量是以推力线为基准的，改变了后轮前束会引起推力线的变化。此时虽然前轮的总前束不受影响，但由于前轮单轮前束角的基准线发生了位移，从而前轮单轮前束角也就随之改变。27本章小结对汽车的四轮定位参数外倾角、前束、主销后倾角、主销内倾角、包容角、摩擦半径、推力角、转向前展、车轴偏角等，进行介绍。对各种定位参数与车轮、车轴的关系进行说明。通过分析四轮定位参数的作用及其对汽车性能的影响，指出了现代汽车各定位角的变化趋势。简要说明了各种定位参数的关系，为解决在应用中遇到的一些车轮定位问题，提供了理论依据。第三章四轮定位仪测量原理及测量精度研究汽车车轮定位参数的检测有两种方式，即动态检测和静态检测。动态检测是在汽车低速行驶经过检测设备时，测量车轮作用在测量设备上的侧向力和此时车轮的侧滑量，并以此来确定车轮定位参数。现在的车轮动态检测16设备有汽车侧滑检验台和滚筒式车轮定位检测台。前者结构简单，但只能通过检测汽车转向轮侧滑量，来确定前轮定位参数的匹配关系是否影响汽车的行驶性能。而不是精确测得前轮各定位参数。后者可以快速准确的检测出汽车前轮侧滑量、前束和外倾角。但其价格昂贵，测试用的旋转滚筒安装复杂。动态检测方法无论是应用哪种设备都只能测量转向轮的定位参数。因此动态测量只是二轮定位，无法满足现代高性能轿车完全四轮定位的需求。静态检测就是在汽车静止不动状态下，根据各车轮定位参数的定义及其相互关系，用几何的方法精确检测出各车轮定位参数。静态检测的设备称为车轮定位仪。现代的车轮定位仪能同时测量汽车前轮与后轮的定位参数，对汽车进行完全四轮定位，因此叫做四轮定位仪。前面己经介绍过，现在我国主流的四轮定位仪有CCD式和3D图像式两种。下面将分别对它们的构成和测量原理进行研究。31CCD式四轮定位仪组成CCD式四轮定位仪由上位机、下位机和定位平台组成。其中上位机又是由箱体、电脑主机、显示器、打印机、主程序软件、通讯系统组成。下位机则指测量头、夹具、转角盘和其他附件。汽车四轮定位检测及调整都是在定位平台上进行的。定位平台分为地沟式和举升平台两种。地沟式顾名思义就是需要在地上挖坑，操作人员作车轮定位调整时要在地坑中进行。而举升平台就较为方便人员操作，但举升平台的跑台长期使用后，可能会出现变形，使平台不再水平。所以一般每使用半年就需要进行校准，避免其影响测量结果。上位机部分可以说是四轮定位仪的大脑。主程序软件可提供给操纵人员各种车型的四轮定位参数及相关的操作提示，引导用户进行四轮定位的检测操作。再由通讯系统接受由测量头和转角盘测得的信息。计算机对其进行分析处理，通过事先标定好的数学公式进行计算直接得出最终测量结果，并在显示器上显示或由打印机输出。四轮定位仪通讯方式历经几个发展历程。从八十年代用电缆，到九十年代用红外、高频无线电，现在二十一世纪又出现了蓝牙。技术的不断的升级和创新，带来的是更多的方便和快捷。下位机部分如四轮定位仪的四肢，去接触并感应汽车各车轮的定位角度信息。夹具是车轮的直接接触者。测量头安装在夹具的轴销上。因此夹具安装的正确与否直接影响测量结果。转角盘是测量汽车主销倾角和转向角的必要工具。转角盘结构如图31所示，由固定盘、活动盘、游标指针、刻度尺、滚珠和锁止销等构成。转角盘可以使静止的汽车转向轮转向更为方便，并可通过指针读出车轮转过的角度。转角盘不仅能保证转向轮在其上转向时的灵活轻便，更能保证转向轮的横向和纵向位移。所以在调整主销倾角时要用锁止销将活动盘锁死，防止调整时前轮发生位移使车轮偏角增大。171固定盘；2活动盘；3滚珠；4指针；5刻度尺；图31转角盘的结构有些举升平台的跑台上还装有长后滑板。其作用是在调整独立悬架的后轮定位参数时，可以使后轮自由转动。测量头内集成了两个CCD光学测量装置、两个倾角传感器及单片机处理系统，其结构如图32。两个倾角传感器即外倾角传感器和内倾角传感器，用于测量外倾角和主销倾角。他们互成90排列在测量头大箱体内。CCD光学装置中安装有光源和CCD器件，分别用来发射和接受光信号。CCD装置在大、小箱体中各安置了一个，用于测量前束角、横角和推进角。图32CCD式四轮定位仪测量头的组成32CCD式四轮定位仪的测量原理及数学模型321轮辆补偿轮辆补偿是在测量汽车四轮定位参数前，必须进行的一项操作。汽车经过长时间使用后，轮惘钢圈可能发生变形。在轮辆转动时，其端面左右偏摆，从而引起摆差。这时夹在车轮上的夹具，其轴销不是垂直于车轮旋转平面，而是形成了一定夹角。这个角度对测量结果的影响不能小视，因为车轮外倾角1至2和前束角5至40本身是很微小的值。小小的角度误差就会导致错误测量结18果的产生。由于这个夹角是根据夹具安装在轮惘上位置的不同而随机变化，所以这个角度的大小并不能预测或凭经验推断。因此只能通过对轮辆补偿来测出这个补偿值。轮辆补偿的方法是在车轮上安装好夹具与测量头后，固定好转向盘，再用举升机将汽车升起一定高度使车轮悬空。然后分别测量车轮逆时针旋转0、90、180、270时的车轮外倾角值，然后通过计算得到偏摆补偿量。图3，3A为一汽车右前轮外倾角的偏摆补偿原理图。图中0为该车轮本来具有的外倾角。0实为外倾角传感器在车轮转动0时，实际测得的外倾角的值。可见由于此时测量头的侧平面AB与车轮中性面CD不是平行的。其向外倾斜了一个角度，造成了测量的误差。令这个角度为CK1，则0实一CK1，31式31中0是一个未知的固定值，而CK1，是一个未知的随机值，它的大小根据夹具在轮惘上的安装位置的不同而改变。因此，要测得CK1，的值，就不能改变夹具与轮惘的相对位置。具体方法是图33B将车轮连同夹具一起绕车轮轴逆时针旋转180，然后再装上测量头测得此时车轮的外倾角，记为180实。则由图33B可得如下式子0180实CKL32再由31式和32式相减得CK1180实一0实/233式33即为车轮外倾角的补偿公式。图33轮惘补偿原理图前束的补偿原理与外倾角一样，区别在于前束的补偿值是通过分别测量车轮逆时针旋转90和270时的外倾角来求得。设CK2为其补偿角度，则补偿公式如下CK2（270实一90实）/234由于CCD式四轮定位仪为提高测量准确度，必须要做轮惘补偿。这使得检测过程延长，车轮定位总时间大大增加。因此，CCD式定位仪很少应用在汽车检测线上，而在汽车维修业的应用却非常广泛。19322车轮外倾角、前束、推力角和车轴偏角的测量原理车轮的外倾角可通过测量头里的外倾角传感器直接测得。该传感器可测量夹具轴销与水平面的夹角。根据几何知识该角度刚好等于车轮中心平面与地面铅垂线的夹角，即车轮外倾角。前束的测量原理，以8光束的CCD式四轮定位仪为例。如图34所示，通过夹具固定在车轮上的4个测量头共发出8条光束。这8条光束将被测车辆围在一个矩形的测量场中。前束测量CCD和横角测量CCD互相向对面的CCD测量装置发出光束，同时测量来自对面CCD装置的光束位置。以此来确定车轮的前束及车轴偏角。图34CCD式四轮定位仪的测量场图35车轮前束角的测量当车轮不存在前束时，其测量头内的前束测量CCD所发出的光束，应该照射20在其接受装置的零点位置。当车轮有一定的前束角时，（如图35）为汽车前轮前束的测量原理图。可见前轮的CCD测量装置发出的光束没有照在其接受装置的零点位置，而是发生了一定的偏移。前束角的大小和方向就可以通过这个偏移的距离和位置来表示。CCD传感器会记下这个偏移的位置，经处理将信息传给主机，计算机通过该位置距零点位置的距离来计算出车轮的前束角。后轮前束的测量原理与前轮一样。前面已经介绍过通过后轮前束可以确定汽车推力线的方向。推力角的测量问题自然就迎刃而解。同理，车轴偏角的测量就是看由左、右车轮横角测量CCD发出的两条横向光束位置。如果车轴偏角很小小于1，则这两条光束近似重合。若存在较大的车轴偏角，就会出现两条光束明显错开的现象。此时可通过两光束在左、右CCD传感器上的偏移量，计算出车轴偏角的大小。323转向前展的测量转向前展的测量是为了确定汽车转向梯形和各连杆是否完好。其主要是测量汽车转向时，内侧车轮转动20时，外侧车轮此时的转动的角度X。这时汽车的转向前展为20一X。分别测量汽车左前轮左转20和右前轮右转20时的转向前展，然后与汽车厂家规定标准进行对比，就可检验出汽车转向梯形及各连杆是否有损坏。333D图像式四轮定位仪结构及测量原理3313D图像式四轮定位仪的构成图37为3D图像式四轮定位仪构成可见3D图像式四轮定位仪与CCD四轮定位仪是有相同点的，它也具有转角盘、举升机、夹具及其它辅助附件等。且这些设备的结构也大体相同，但与3D21图像式四轮定位仪匹配的举升机和转角盘必须具有较高的机械精度。这也是3D图像式四轮定位仪无法在我国汽车修理厂广泛应用的原因之一。3D图像式四轮定位仪不同于传统定位仪的特点是在于它没有测量头，即不是通过那些精密的电子传感器来测量车轮倾角和前束。于之替代的是四个分别固定在各车轮上的反光板。还有四台CCD摄像机，它们分别安装在主机两侧的一对立柱上。反光板的制作材料是有机玻璃。由于里面没有精密的电子设备，所以在存放、搬运和使用时也不易损坏。这是3D四轮定位仪相对于传统四轮定位仪的优势之一。反光板上有许多大小不一的圆形反光斑。这些反光斑都是按规定大小和位置排列在反光板上。当车轮运动时反光板也随着运动。CCD摄像机就会拍摄到运动中各圆形反光斑的位置和角度变化情况，通过电脑主机采集有用的信息，直接检测出车轮转向轴的状态。CCD摄像机主要由CCD面阵图像传感器和发光二极管组成。CCD面阵图像传感器的分辨率的大小直接影响到测量的精度。所以必须使用高性能、高分辨率的CCD摄像机。这也就是3D图像式四轮定位仪价格较为昂贵的原因之一。四台CCD摄像机内的发光二级管分别向四个车轮上的反光板发射固定频率的红外线。由于柱面镜的拉伸效果，射出的红外线形成一个光平面照在反光板上。光线经反光板反射回CCD摄像机，然后被CCD摄像机拍摄成像。因此在测量时应注意防止外界红外线光源对反光板和CCD摄像机的干扰。3323D图像式四轮定位仪的测量原理（1）、透视与透视缩短原理透视学研究的是物体的形状、图形，在一定的视觉空间范围内的产生机理及变化规律等问题。3D图像式定位仪正是运用了透视和透视缩短的原理。如图38A所示，为一个圆从正面逐渐靠近时，视觉效果的变化规律。由透视原理可知，物体由远及近时，其视觉尺寸会有变大的趋势。就是说物体的成像规律是近大远小。如果己知物体的原始尺寸和其成所像的大小，通过合理计算即可知道此物理距成像点的准确距离。同样，如果物体在一定的视觉空间范围内做有规则的旋转运动，其图形变化也是有规律的。图38B所示为圆分别沿横轴和纵轴旋转时，其图形的变化。图38透视和透视缩短原理图可见圆沿后轴旋转时，其纵向的外观尺寸会变得越来越小，直到最后图形完全变22成一条横向的线段。且线段长度等于圆的直径。当圆继续旋转时，其纵向外观尺寸又会从零慢慢恢复到原来的大小即圆的直径。因此可知，圆在沿横轴旋转时，其沿旋转轴方向的外观尺寸保持不变，而纵向的外观尺寸会随着圆转动角度的不同有规律的变化。所以，若己知圆纵向外观尺寸的大小，就可计算出圆此时沿横轴转过的角度。圆沿纵轴方向旋转时，也是同样可通过其横向的外观尺寸来求出其沿纵轴旋转的角度。如果将圆沿横轴和沿纵轴的旋转效果进行合成，那么圆在空间任意方向旋转的角度都可以通过以上原理计算，并且圆的旋转轴的空间位置也可以确定。（2）、3D图像式四轮定位仪定位参数的测量由上文可知，3D技术是运用了透视学的原理来测量车轮定位参数。这就可以解释为什么反光板上的反光斑的形状都是圆形的。因为圆既是轴对称，又是中心对称的特殊图形。通过圆的空间位置变化来计算相关的几何参数是最适合不过的了。3D图像式四轮定位仪测量时，是以3个互相垂直的平面为定位基准的。这3个平面分别是主销后倾角的基准面轮轴平面前束、车轮外倾角及主销内倾角的基准面车轮平面整车的基准平面车身平面9。定位基准面由每个车轮的转动轴线来确定的。在进行前束角及车轮外倾角测量时，要前后移动汽车。车轮上的反光板随车轮一起前后转动。通过CCD摄像机拍摄的反光板上圆形反光斑变化情况，来计算车轮前束角及外倾角。前束角的大小是通过分析和计算圆形反光斑沿纵轴旋转的变化情况得出的。因为外倾角的存在，所以在车轮前后转动过程中，反光板的对称线会形成一组矢量曲面。转动前反光板的对称线与转动后反光板的对称线也会形成一个夹角，称之为矢量角。外倾角的大小既可以通过对矢量角的检测来得到图39。图39车轮定位参数的测量示意图主销倾角的测量时的操作方法与CCD式四轮定位仪类似。都是在汽车静止时，将车轮向左和向右转动相同角度，然后测量出主销倾角的大小。但两者运用的原理是不同的。3D图像式四轮定位仪是通过测量车轮转动轴线的位置，直接算出主销倾角的大小。其中通过分析车轮左、右转动时，圆形反光斑沿纵轴旋转的情况可测得主销内倾角的大小。而分析圆形反光斑沿横轴旋转的情况，就可得出主销后倾角的相关状况。总的来说，3D图像式四轮定位仪有如下特点L运用透视学的原理，原理上相对简单，计算过程简捷方便，提高了计算的23准确度。但对反光板图案形状及CCD摄像机的分辨率有严格的要求。2检测快速，准确、有很高的工作效率。3真正的无线。反光板制作材料为有机玻璃，上面没有精密的电子元件，不易损坏，使用前也不用做水平校准。对反光板的安装准确度也没有很高的要求，其不会影响测量的精度。4采用三维空间定位技术，四车轮可单独进行定位。举升机不水平对测量结果也不会有影响。即无需定期标定定位平台。5直接测量车轮的转向轴在空间位置，并以此确定车轮定位参数。因此无需做钢圈补偿。6调整车轮定位角时，无需将转向轮停放在转角盘上。34本章小结别介绍了CCD式和3D图像式四轮定仪的结构及测量原理。第四章四轮定位参数调整技术的研究2441现代车轮定位参数调整概述汽车四轮定位先要对汽车的车轮定位参数进行精确的测量，在得出测量结果后，就需要对不符合标准的定位参数进行校准。这个校准是通过对汽车悬架的调整来实现的。四轮定位的调整是汽车四轮定位中重要步骤之一。现代汽车四轮定位仪都具有用户引导功能通过在显示器上显示的文字、图形及三维动画等引导操作人员进行定位操作。在对车辆进行定位参数调整时，有些定位仪甚至可根据汽车的年限和型号来指导用户在何处及如何进行四轮定位调整。这使得四轮定位的调整大大简化。但并不是所有的车轮定位参数都是可调整的。一些汽车制造厂虽然规定某些车轮定位参数的标准范围，可由于设计和制造的原因，许多中低档车悬架上没有一些定位参数的调整点如桑塔纳轿车的后轮定位参数，使得这些车轮定位角是不可调整。不可调整并不意味着这些定位角在汽车使用过程中不会出现故障。所以，当这些不可调整的车轮定位角出现偏移时，那就得通过更换相应的汽车底盘零件，予以修复或者用一些“土办法”进行调整。前者给车主带来了昂贵的维修费用，而后者有可能使汽车的安全性降低。无论选用哪种方法都会给汽车的维修工作带来麻烦。国外对四轮定位的调整技术早有研究，在汽车设计中的改进和研制专业的四轮定位调整零件，来解决这一问题。通过改进高档汽车和新型汽车设计，使其悬架支持更多的定位参数调整。对于旧型汽车和多数中低档轿车，在其上安装专业的四轮定位零件后，使原来不可调整的定位角就变成了可调，并且不会影响汽车的可靠性与安全性。这些专业的调整零件在国外早已经广泛使用。常见的调整主销后倾角、车轮外倾角、前束角零件品种有垫片、楔形垫片、偏心凸轮、偏心螺栓、偏心吊耳、偏心衬套、偏心球接头、旋转支柱、大梁槽孔、拉杆球接头、调整轴承座等25。这些零件品种的定义是根据车型底盘悬架的结构，以及与之对应所采用的调整方法来进行说明的。目前这些专业的四轮定位调整零件在我国的使用也在日趋普及，并且有很多都是我国自主研制与生产的。A奥迪A4、A6、帕萨特系列前轮调整臂组件25B福特、福特、蒙迪欧致胜后轮调整臂组件C马自达6后轮外倾角调整臂D中华、江淮宾悦后轮外倾角调整臂组件图41各系汽车车轮定位角调整臂专用组件如图41为我国洛阳市西工凯特金属加工中心生产的专业四轮定位调整零件。可见这些调整臂的长短都是可调节的。用它们换下原车上的支臂原件，再通过对这些调整臂的伸缩调节，就可达到调整相应车轮定位角的目的。如图4LA为奥迪A4、A6和帕萨特车系前轮调整臂组件。可见调整臂件分为前臂与后臂两件。前臂长，型号为KTDZO22一F后壁短，型号为KTDZ022一B。将它们于相应的原车臂件互换后，分别调整前臂或后臂的长短，就可相应的改变汽车前轮前束和后束的大小。而使两臂同时伸缩就可改变车轮外倾角的大小，在调整的同时也可能会影响到车轮的前束。所以调整外倾角时还应注意前束的变化，必要时可调整转向器拉杆给予补充，并在调整后重新测量。同理，图4LB的调整臂组件26应用也是如此。只是这对调整臂是用于调节对应车型的后轮定位参数的。（图4IC）和（图4LD）都是单臂调整件图4LD调整臂分左、右两轮，只用于调整对应车型的后轮外倾角，调整也是通过臂件的伸缩来完成的。图41所示都是较大的专业四轮定位参数调整件，更换和调整的费用较高，由于要与车型配套，其各零件适用范围相对较小。还有一些小巧的定位角调整零件，如使用较多的垫片、偏心螺栓、偏心衬套等。这些零件价格便宜使用轻巧、方便适用的车型广。垫片多用于调整后轮外倾角、前束及推力角。调整时其安装垫片的角度的计算式为厂家规定参数值一实测值应调整的角度。如计算结果为正值就需要使用垫片加大外倾角或前束角，结果为负时，则相反。垫片分为平板型垫片和带角度型两种。平板型垫片本身没有角度，通过垫在轮心轴凸缘内端的不同侧面来使车轮倾角变化。带角度的又分为单角度垫片图42A和双角度垫片图42B。单角度垫片本只有一侧具有角度，将具有角度的一侧朝上或朝下安装，用于增大或减小车轮外倾角大小将有角度的一侧向前指汽车行驶方向或向后安装，可减小或增大车轮前束。但若要同时调整外倾角和前束，就得将两垫片重叠使用。使用双角度垫片就可解决这一问题。双角度垫片具有内、外两环，分别刻有相对应的参考数字。在确定需要调整的外倾角与内倾角的大小后，可根据垫片使用说明中的表格查处与之对应的参考数字，然后旋转内环按参考数字将内、外环对在一起，最后将垫片依照说明进行安装后，即可达到同时调整车轮外倾角与前束角的目的。如图42C所示的偏心螺栓是用于调整前轮外倾角的，一般安装在减振器下端和转向节上端连接点处。该偏心螺栓利用的是凸轮原理，通过减小