（测试计量技术及仪器专业论文）机动车运行安全检测计量标准的研究.pdf

机动车运行安全检测计量标准的研究 测试计量技术及仪器专业 研究生杨春生指导教师张涛 汽车是人们生活与工作中必不可少的重要交通工具，随着我国机动车保有 量的持续攀升，频发的交通事故已对人民群众的生命财产安全和社会公共安全 构成了极大威胁，因此，高度重视机动车的运行安全性势在必行。 为了确保机动车的安全性能，必须经常对其进行检测，检测内容包括四轮 定位、灯光、底盘、制动、侧滑等等。在我国，汽车安全检测技术是近十几年 来才飞速发展起来的- - f - j 新学科，虽然国内已经有能力自主研发一些检测设备， 但还存在诸多问题和差距，比如：检测方法落后，技术水平不高，自动化程度 低，检测项目少，相关检测设备的计量标准不完善，众多在用安检设备无法进 行量值溯源等。所以，率先保证汽车安检设备自身的技术状态，科学合理地评 判它们是否符合国家规定的技术要求，尽快建立相关国家计量检测标准是首要 问题。 本论文首先介绍了机动车安全检测的一些基本情况，国内外在该领域的发 展历程以及国内的相关法律法规和国家标准，针对社会需求与呼声较高的项目， 提出本论文的主要内容在于研究四轮定位仪、前照灯校准器、底盘测功机三项 计量标准装置。 在文章的2 、3 、4 部分，分别围绕四轮定位仪、前照灯校准器、底盘测功 机三个计量标准装置的研制过程，就它们的工作原理、技术指标、测量结果的 不确定度、技术的先进性与创新点进行了详细叙述。重点集中在各模块核心内 容的设计介绍以及计量标准装置最为关键的测量结果的不确定度评定上。 项目的实验与数据记录在论文的第5 部分进行了归纳与阐述。实验内容包 括对计量标准装置的性能考核以及用标准装置对被检对象进行的检测校准实 验。详细列出了实验地点、环境、实验对象的名称与编号等，通过实验可以知 道整个计量标准装置的技术指标达到了既定的目标。 最后，论文在第6 部分对项目的社会效益与经济效益进行了分析，分析表 明该项目经济效益巨大，社会影响深远，再次印证了它是一个密切联系实际的 项目，具有极好的推广应用前景。 总之，本项目是集光、机、电、算于一体的，采用物理模拟方法复现多种 被测参量同时结合传感器技术、计算机技术，以及独特的结构构思和机械设 计而建成的一套计量标准装置。它不但技术先进、测量精度高、性能稳定，而 且结构科学、操作简便，尤其在四轮定位、前照灯校准器、底盘测功等多个方 面获得技术突破，填补了国内空白，达n t 国家科技部项目任务书中的技术指 标要求。 关键词： 机动车安全检测四轮定位前照灯校准器底盘测功 v r e s e a r c ho nm e a s u r e m e n ts t a n d a r do fs a f e t y f o rm o t o r v e h i c l e so p e r a t i n go nr o a d s m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y & i n s t r u m e n t g r a d u a t e ：y a n gc h u n s h e n gs u p e r v i s o r ：z h a n g t a o m o t o rv e h i c l ei sn e c e s s a r yf o rp e o p l e s d a i l yl i f e a n dw o r k w i t ht h e r a p i d i n c r e a s i n ga n l o t m to f a u t o m o b i l ei nc h i n a ，t h eh i g ho c c u r r e n c eo ft r a f f i ca c c i d e n t s h a st h r e a t e n e dp e o p l e sl i f e ，p r o p e r t ya n ds o c i a lp u b l i cs a f e t y s ow em u s t p a yg r e a t a t t e n t i o nt ot h es a f e t yf o rm o t o rv e h i c l e so p e r a t i n go nr o a d s i n s p e c t i o nm u s tb ec a r r i e do u tr e g u l a r l yi n o r d e rt oe n s u r et h ea u t o m o b i l e s s a f e t yc a p a b i l i t y , w h i c hi n c l u d ef o u r - w h e e la l i g n m e n t ，h e a d l a m p ，c h a s s i s ，b r a k e ，s i d e s l i pa n d s oo n i no u rc o u n t y ，t h et e c h n o l o g yo f s a f e t yi n s p e c t i o nf o rm o t o r v e h i c l e s i san e w s u b j e c tw h i c hh a sp r o g r e s s e dr a p i d l yi nr e c e n td e c a d e s a l t h o u g hw e o r e a b l et od e v e l o ps o m em e a s u r i n gi n s t r u m e n t si n d e p e n d e n t l y , t h e r ei ss t i l l p r o b l e m s a n dd e f i c i e n c y f o ri n s t a n c e ，m e t h o do fm e a s u r e m e n ti so u to fd a t e ，p r i n c i p l eo f m e a s u r e m e n ti sl a gb e h i n d ，a u t o m a t i z a t i o nl e v e lo fm e a s u r e m e n ti sl o w , s t a n d a r do f m e a s u r e m e n tf o rr e l a t e di n s t r u m e n t si s a b s e n c e ，a n d m a n ys a f e t ym e a s u r i n g i n s t r u m e n t si nu s ec a n n o tb et r a c e a b l et om e a s u r e m e n ts t a n d a r d s ot h e p r i m a c yi st o e n s u r et h et e c h n o l o g i c a ls t a t u so ft h em e a s u r i n gi n s t r u m e n t st h e m s e l v e s ，t oe v a l u a t e s c i e n t i f i c a l l yw h e t h e rt h e ya c c o r dw i t ht h en a t i o n a lt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，a n dt o e s t a b l i s ht h er e l a t e dn a t i o n a lm e a s u r e m e n ts t a n d a r da se a r l ya s p o s s i b l e f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m eb a s i ci n f o r m a t i o no fs a f e t yi n s p e c t i o nf o r m o t o rv e h i c l e s ，t h ed e v e l o p m e n ti nt h i sf i e l dd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l ，t h er e l a t e d l a w s ，s p e c i f i c a t i o n sa n dn a t i o n a ls t a n d a r d s a i m i n ga tt h ei t e m sw h i c ha r ei nh i g h l y s o c i a ld e m a n d s ，t h i sp a p e rf o c u si t sm a i nc o n t e n t so n r e s e a r c h i n gt h r e ee q u i p m e n t s o fm e a s u r e m e n ts t a n d a r d ，i e ，f o u r - w h e e la l i g n e gc a l i b r a t o rf o r h e a d l a m pt e s t e r , a n d c h a s s i sd y n a m o m e t e r v 1 i nc h a p t e r2 ，3a n d4 ，t h er e s e a r c hp r o c e s s e so f f o u r - w h e e la l i g n e r , c a l i b r a t o rf o r h e a d l a m pt e s t e r , a n d c h a s s i s d y n a m o m e t e r a r e e x p o u n d e dr e s p e c t i v e l y , t h e i r o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e s ，q u a l i f i c a t i o n s ，u n c e r t a i n t yo f m e a s u r e m e n t ，a d v a n c e m e n ta n d i n n o v a t i o no ft h et e c h n o l o g ya r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h ee m p h a s e sf o c u so nt h e d e s i g ni n t r o d u c t i o no fe a c hm o d u l ea n dt h eu n c e r t a i n t ye v a l u a t i o no fm e a s u r i n g r e s u l t s ，w h i c hi sc r i t i c a lf o rs t a n d a r do f m e a s u r e m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e c o r d sa n dd a t ai sc o n c l u d e da n de x p o u n d e di nc h a p t e r5 t h e e x p e d m e n t a l c o n t e n t si n c l u d ee x a m i n a t i o nt h e c a p a b i l i t y o fs t a n d a r d e q u i p m e n t s ，m e a s u r i n ga n dc a l i b r a t i n ge x p e r i m e n tb yu s i n g t h es t a n d a r de q u i p m e n t s t h ee x p e r i m e n t a lp l a c e ，e n v i r o n m e n t ，a n do p e r a t o r sh a v eb e e nl i s td e t a i l e d l y s oi ti s e a s yt ok n o w t h a tt h eq u a l i t yo ft h ew h o l ee q u i p m e n t sh a sa c h i e v e dt h ed e s i r e d g o a l i nt h ee n d ，t h es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t sa r eb e e na n a l y z e di nc h a p t e r6 r e s u l ts h o w st h a tt h ep r o j e c th a sg r e a te c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a li n f l u e n c e s i naw o r d ，t h i sp r o j e c tc o m b i n e sw i t ho p t i c s ，m e c h a n i s m ，e l e c t r o na n d c o m p u t e r t o g e t h e r , a n di n t r o d u c e sp h y s i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d st os h o w i m a n ym e a s u r i n g p a r a m e t e r s t h ew h o l ee q u i p m e n t o fm e a s u r e m e n ts t a n d a r di s i n t e g r a t e d w i t h s e n s o rt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n du n i q u es t r u c t u r e & m e c h a n i c a ld e s i g n s o ，i tn o to n l yh a sa d v a n c e dp r i n c i p l e ，h i g ha c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo fm e a s u r e m e n t ， b u ta l s oh a sr e a s o n a b l es t r u c t u r e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n e s p e c i a l l y ，t h ep r o j e c th a s m a d et e c h n i c a lb r e a k t h r o u g hi n a s p e c t s o ff o u r w h e e l a l i g n m e n t ，c a l i b r a t o rf o r h e a d l a m pt e s t e ra n dc h a s s i sd y n a m o m e t r y , f i l l e du pt h en a t i o n a lb l a n ki nt h i sf i e l d ， a n dc o n f o r m e dt ot h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n ta s s i g n e db yn a t i o n a l s c i e n c ea n d t e c h n o l o g yd e p a r t m e n t k e y w o r d s ：m o t o r v e h i c l e s s a f e t yi n s p e c t i o n f o u r - w h e e la l i g n m e n t c a l i b r a t o rf o rh e a d l a m pt e s t e r c h a s s i sd y n a m o m e t r y v i i 四川大学硕上学位论文 1 绪论 1 1 项目的立项背景与目的 汽车是人们工作与生活中必不可少的交通工具，它是一个国家现代化建设 的重要标志之一。汽车工业和交通运输业的迅猛发展有力地促进了人类社会的 进步，但它为人类造福的同时，也带来诸如交通安全、环境污染等问题，尤其 是汽车运行的安全性对人类和社会公共安全有着重要影响，所以经常对汽车的 安全性能进行检测和监控十分必要。可以说，建立汽车运行安全检测计量标准， 对汽车运行安全性能及相关技术指标进行定期检定与测试，力争把交通事故率 降到最低是保障社会安全的重要方面之，对促进社会公益事业的发展有着显 著意义。 汽车运行的安全性能是指汽车行驶的可靠性和稳定性，以及噪声振动与排 放气体污染等。因汽车可靠性和稳定性差而造成的交通事故触目惊心，据统计， 1 9 9 9 年全国交通事故达4 1 3 万起，造成9 5 万人死亡，年事故增长率高达1 1 。 其中因车况不良而引发的事故就占3 l - 5 。又一统计表明，目前我国机动车保 有量仅为美国的1 l o ，而每年的交通事故却是美国的l o 倍，每年因交通事故 丧生的人员总数相当于国内一个中等县的人口规模，分析表明造成事故的主要 原因仍然是车辆运行安全技术状况不好。为此国家先后制定和颁布了系列的 法律法规及技术规范，以加强机动车安全运行的管理。我国于1 9 9 7 年开始实施 的国家标准g b 7 2 5 8 1 9 9 7 机动车运行安全技术条件”1 ，明确规定了汽车安 全运行的技术要求。为了保证汽车能在良好的技术状态下运行，其中最重要的 措蘼之一，就是对在用车辆进行安全检测。所以。汽车安全检测就是根据国家 标准机动车运行安全技术条件的规定，围绕影响汽车运行安全的转向、制 动、侧滑、轮( 轴) 重、速度、灯光、噪声、废气排放、烟度、方向盘、底盘、 车轮等多个方面进行定量的检定测试。 造成汽车运行安全性能不佳的原因是多方面的。首先，汽车本身是一个复 杂的光机电一体化系统，随着行驶里程的增加、使用和储存时间的延续，其技 术状况必然发生改变，因此要借助于各种手段以保持其原有的技术状态，其中 定期或不定期的性能检测就是运行安全技术状态受控的一种措施。同时，如果 安全检测设备的量值不准，自身的技术指标不舍格，也谈不上去开展汽车的安 全性能检测。遗憾的是国内这种现象普遍存在，由它检测汽车存在着相当大的 四川大学硕士学位论文 不安全因素和事故隐患，由此而引发的事故也必然增多。所以将汽车安全检测 设备的量值定期溯源到国家计量标准上，首先保证安全检测设备本身的技术状 态良好。才能保证被检车辆的准确可靠。 由子起步较晚，汽车安全检澳8 技术在国内是近十几年来才飞速发展超来的 一项新学科新领域，它与汽车工业、高速公路及交通运输的飞速发展相伴而生。 目前，我国在该领域还存在诸多问题和困难，如检测方法落后，技术水平不高、 检测内容不全，相关的汽车运行安全检测计量标准不完善，缺项较多，众多企 业所使用的安检设备有进行量值溯源的要求，但缺乏相关标准装置而无法送检 等。所以，如何科学地筏量这些用于汽车安检的检测设备与装置的技术水平， 评判它们是否达到国家规定的技术要求，首当其冲的就是要尽快建立相关的国 家计量检测标准。目前建立社会需求与呼声较商的四轮定位仪、前照灯校准器、 底盘测功机等项目的计量标准是当务之急。 综上所述，本项目的目的在于研究四轮定位仪、前照灯校准器、底盘测功 机等设备的工作原理和方法，采用物理模拟和虚拟检测相结合的方式来实现对 它们的检测与校准，并在此基础上建立相关项目的国家计量标准。 1 2 国内外机动车安全检测技术的发展概况 机动车安全检测技术是伴随着机动车技术的发展而发展的。在汽车发展的 早期，人们主要是通过有经验的维修人员发现汽车的故障并作有针对性的修理。 即过去人们常讲到的望”( 眼看) 、“闻”( 耳听) 、“切”( 手摸) 翻方式。随着 现代科学技术的进步，特别是计算机技术的进步。汽车安全检测技术也飞速发 展。 1 2 1 国外发展概况 汽车安全检测技术是从无到有逐步发展起来的，早在5 0 年代，一些发达工 业国家就形成了以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术和生产单项检测设 备。6 0 年代初期进入我国的汽车检测设备有美国的发动机分析仪、英国的发动 机点火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a6 0 年代后期，国外汽车检测诊断技术发展很快，并且大量应用电 子、光学、理诧与机械相结合的综合检测技术。例如：非接触式车速仪、车轮 凹川大学碗士学位论又 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安全检测仪器和设备。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安全检测站窥检测线， 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经实现了“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。 ( 1 ) 制度化 在德国，汽车的安全检测工作由交通部门统一领导，在全国各地建有由交 通部门认证的汽车安全检测场( 站) ，负责新车的登记和在用车的安全检测，修 理厂维修过的汽车也要经过汽车安全检测场的检测，以确定其安全性能是否符 合国家标准。 在日本，汽车的检测工作由运输省( 相当于交通部) 统一领导。运输省在 全国设有“国家检测场”和经过批准的“民间检测场”，代替政府执行车检工作。 其中“国家检测场”主要负责新车登记和在用车安全检测；“民间检测场”通常 设在汽车维修厂内，经政府批准并受政府委托对汽车进行安全检测。 ( 2 ) 标准化 工业发达国家的汽车安全检测有一整套标准。判断受检汽车技术状况是否 良好，是以标准中规定的数据为准则，检查结果是以数字显示，有量化指标， 以避免主观上的误差。除了对检测结果有严格完整的标准外，国外对检测设备 也有标准规定，如检测设备的检测性能、具体结构、检测精度等都有相应的标 准。对检测设备的使用周期、技术更新等也有具体的要求。由于检测制度、技 术标准化，不仅提高了检测效率，也保证了检测质量。 ( 3 ) 智能化、自动化检测 随着科学技术的进步，国外汽车检测设备在智能化、自动化、精密化、综 合化方面都有新的发展，应用新技术开拓新的检测领域，研制新的检测设备。 随着电子计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断、控制自动化、数据采 集处理自动化、检测结果直接打印等功能的现代综合性能检测技术与设备。 四i 大学硕士学位论文 1 2 2 国内发展概况 我国从6 0 年代开始研究汽车检测技术，为满足汽车维修需要，当时交通部 主持进行了发动机气缸气量检测仪、点火正时灯等检测仪器的研究与开发。 7 0 年代，我国大力发展了汽车检测技术，汽车不解体检测技术及设备被列 为了国家科委的开发应用项目。由交通部主持哥发了反力汽车制动试验台、惯 性式汽车制动试验台、发动机综合检测仪等设备。 进入8 0 年代，随着国民经济的发展，科学技术的各个领域都有了较快的发 展，汽车安全检测及诊断技术也随之得到快速发展，加之我国的汽车制造业和 公路运输业发展迅猛，对汽车安全检测诊断技术和设备的需求也与日俱增。我 国机动车保有量迅速增加，随之而来的是交通安全和环境保护等社会闯题。如 何保证车辆快速、经济、灵活发展，并尽可能不造成社会公害等问题，已经逐 步被提到政府有关部门的议事日程，因而促进了汽车安全检测和诊断技术的发 展。在此期间，交通部主持开发了汽车制动检验台、侧滑试验台、速度试验台、 灯光检测仪等等。 在单台检测设备研制成功的基础上，为了保证汽车技术状况良好，加强在 用汽车的技术管理，充分发挥安全检测设备的作用，交通部于1 9 8 0 开始有计划 地在全国公路运输和车辆管理系统筹建汽车安全检测站。1 9 8 1 年，交通都在大 连建立了国内第一个汽车安全检测站，之后，作为“六五”科技项目，交通部 先后要求l o 多个省市、自治区交通厅筹建汽车安全检测站，仅1 9 9 0 年底，全 国已有汽车安全检测站6 0 0 多个，形成了全国的汽车检测网。 与此同时，汽车的检测技术与设备也得到了大力发展。7 0 年代国内仅能生 产少量的简单检测、诊断设备。目前，全国的汽车安全检测设备生产厂家已经 达到7 0 多家，我国已能生产大型的技术复杂的汽车底盘测功机、发动机综合测 试分析仪、四轮定位仪、悬挂震动台、制动检验台等等。 为了配合汽车安全检测工作，国内已发布实腌了有关汽车安全检测的国家 标准、行业标准、计量检定规程等1 0 0 多项，使汽车安全检测工作傲到了有法 可依。 1 3 机动车运行安全检测的相关法规 1 3 1 中华人民共和国计量法 四川大学硕士学位论文 计量是社会物质生活的基础。为了加强计量监督管理、保障国家计量单位 制的统一和量值的准确可靠，有利于生产、市场和科学技术的发展，适应社会 主义现代化建设的需要，维护国家和人民的利益，国家制定了中华人民共和 国计量法，于1 9 8 6 年7 月1 曰起实施。计量法是我国计量器具管理、使用工 作的基本法。 计量法要求在中华人民共和国境内使用的一切计量器具，都必须按法律规 定进行计量检定、制造、修理和销售。机动车安全检测设备本身就是一种定量 测试的计量仪器，因此，它必须遵循计量法的要求。 计量法还要求为社会提供公证数据的产品质量检验机构，必须经省级以上 人民政府计量行政部门对其计量检定、测试能力和可靠性考核，进行瓷格认证。 汽车安全性能检测站属于此类机构，对该机构进行计量认证，取得计量认证合 格资格者，方可以在认证许可的范围内为社会提供公证数据。 1 3 2 国家标准机动车运行安全检测技术条件 该国家标准( 标准代码g b 7 2 5 8 1 9 9 7 ) 规定了机动车的整车及发动机、转 向系、制动系、照明与信号装置、行驶系、传动系、车身、安全防护装置等有 关运行安全和排气污染物控制、车内噪声和驾驶员耳旁噪声控制的基本技术要 求及检验方法。它适用于我国道路上行驶的一切机动车辆。 t 3 3 国家标准机动车安全检测设备捡定技术条件 3 1 该国家标准( 标准代码g b t 1 1 7 9 8 2 0 0 1 ) 对机动车安全检测设备做了要求， 重点对设备的计量性能及检定方法做了规范，它囊括了滑板式汽车侧滑试验台、 滚筒反力式制动试验台、汽油车排气分析仪、滚筒式车速表试验台、滤纸式烟 度计、对称光前照灯检测仪、轮( 轴) 重仪、平板制动试验台等设备。 通过上述法律法规可以看出，我国在机动车领域的各个层面已取得了一定 的法制建设成果，但这些成果与国外发达国家相比仍然存在着差距。目前，国 内仍有许多新涌现的安全检测设备处于无处送检、无法可依、无人监督的“三 无”状态。 1 ，4 项目的主要研究内容及模块构成 四川大学硕士学位论文 本项目是一个庞大的，集光、机、电、算于一体的高智能化计量标准系统， 包括多个模块，主要对四轮定位仪、前照灯校准器、底盘测功机等汽车安全检 测设备展开检测技术研究和攻关，最终建立起相应的计量检定标准。它从保障 机动车运行安全的角度出发，以汽车技术状况受到监控为切入点，分析机动车 检测设备的工作原理，综合利用物理模拟技术、传感器技术、光电及图像处理 技术、计算机技术来实现对汽车安全检测设备的计量检定、测试与校准。本论 文将详细介绍三个模块。 1 4 1 四轮定位仪计量标准 针对不同四轮定位仪具有不同的传感器装夹方式这一难点，巧妙地设计出 机械接口，结合涡轮蜗杆精密细分传动技术、三维联动调整技术、对车轮前束 角、推进角、主销后内倾角、车轮外倾角进行准确检测：同时兼容目前国内所 有类型的在用四轮定位仪，解决了过去一种四轮定位仪只能适用于一种专用装 夹设备或检测方法的难题；角度检测精度达到1 。 1 4 2 前照灯校准器计量标准 采用高分辨率、具有成像特性的c c d 丽阵器件构成的光强分布采集器与 精密位移控制装置相结合的方式，实现对机动车前照灯校准器远光、近光的光 强分布、光轴中心及明暗截止线转角几何位置的准确测量。发光强度的测量范 围：( 3 0 0 0 6 0 0 0 0 ) c d ，测量不确定度不大于1 3 ，光轴角( 或明暗截止线转 角) 的测量范围：( 0 3 ) 。，测量不确定度优于1 37 。 1 4 3 底盘测功机计量标准 利用专用测力杠杆实现与定子间较为理想的刚性连接，提高测量的稳定性 和重复性；采用专用标准砝码保证了测量的准确度；运用大比值的杠杆原理， 使砝码总质量缩小数倍，且不需要专门的施力装置。驱动力的测量不确定度为： 0 6 ，功率的测量不确定度为0 7 札 6 四川大学硕士学位论文 2 四轮定位仪标准装置 为了使汽车行驶、转向轻便，具有良好的操纵稳定性和行驶安全性”，减 少轮胎及部件磨损，在轮胎安装和车轮悬挂系统均设置有车轮定位角度( 前束 角、外倾角、主销内后倾角、推力角等，汽车生产厂家及车型不同，设置的参 数也不同) 。由于更换轮胎或减震器，机械磨损，颠簸疲劳、碰撞变形等，都会 导致这些角度改变，尤其在下述情况下应当及时做四轮定位检测”1 ： ( 1 ) 新车行驶5 0 0 0 公里后、或每行驶1 0 0 0 0 公里或6 个月； ( 2 ) 直行时车身往左或往右偏、或需紧握转向盘、或行车时感觉车身飘浮 摇摆不定： ( 3 ) 单轮磨损或发生碰撞维修后； ( 4 ) 更换悬架或转向系统部件后。 四轮定位仪是用于车轮定位参数检测与校准的专用仪器，目前已广泛应用 于汽车安全性能检测与维修行业。这种仪器自身给出的检测结果是否可靠，直 接关系到汽车的运动稳定性和安全性。因此，如何科学合理地评价四轮定位仪 的检测准确度，一直是困扰业界的难题；即长期以来我国未能解决在四轮定位 过程中十分关键的“四轮定位仪”的量值溯源问题。本模块就是对四轮定位仪进 行检测与校准的技术研究，我们针对四轮定位仪种类繁多、类型各异、水平不 一，国内直缺乏有效的技术手段和科学的检测校准方法对其进行规范的量值 溯源情况，提出了一种创新性的技术方案。该方案在满足多种四轮定位仪的装 夹要求时，能模拟产生准确的前束角、推力角、主销后内倾角、车轮外倾角等 标准角度，实现对四轮定位仪的检测校准。 2 1 四轮定位角度的概念0 1 2 1 1 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 1 ) 。当车轮 顶部向汽车外部倾斜时角度为正，反之为负。车轮外倾角的主要作用是使车轮 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 在行驶时也会发生跑偏的现象。 图21 车轮外倾角图2 2 主销后倾角圈2 3 前柬角 2 1 2 主销后倾角 主销后倾角是指悬架上球头或支柱顶端与下球头的连线( 称为主销，汽车在 转向时车轮绕其旋转) 与铅垂线的夹角( 从汽车侧面观察，如图2 2 ) 。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 行驶状态。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功能。 2 1 3 主销内倾角 主销内倾角是指悬架上球头或支柱顶端与下球头的连线与铅垂线的夹角、 即主销装在前轴略向内倾斜的角度。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转向盘的冲击力；同时也具有使前轮自动 回正的作用。角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也越费力，反之， 角度越小前轮自动回正的作用就越弱，主销内倾角一般在5 。一8 。范围内。 2 1 4 前束角 前束是指前轮中心线与纵向中心线的夹角( 如图2 3 ) 。前束角的作用是抵消 车轮滚动时车轮向外倾的趋势。因前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向外 偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会被抵消，保证行驶性能，减 少轮胎的磨损。不同的汽车前束调校值是不一样的，前轮前束可通过转向横拉 杆长度来调整。 2 。1 5 推力角 推力角是指车辆几何中心线与推力线形成的夹角。推力线位于几何中心线 8 凹川大学碰二七学位论文 左侧时角度为正。根据四轮定位的定义，只有使几何中心线和推力线重合，在 此基础上进行车轮定位后，才可以达到正常稳定行驶的性能。 2 2 四轮定位仪的原理”嘲 四轮定位仪通过装夹在汽车四个轮胎上的传感器，感知出车轮状态参数后， 由电脑自动与相应车型的存储值对比，并计算出汽车四轮定位的偏差值，维修 人员只需按照仪器的提示进行修正，即可将四轮定位参数调整到出厂值。现代 高档四轮定位仪由软件和硬件系统两部分组成。软件系统主要包括：客户信息 管理数据库；各类汽车的生产厂商、年代、型号等原始数据；车辆预检查及其 定位故障诊断；校准调整程序等。其程序的运算、执行、数据存储和输出都通 过计算机系统自动完成。硬件系统除了计算机外，主要还包括：车轮倾角检测 用的传感器和配套安装夹具，调整标定设备、光学传感器、遥控操作器等。 常见的四轮定位仪主要有拉线式、无线测量有线传输式、全无线式3 种类型。 拉线式四轮定位仪是采用弹性线与电位计式传感器相连接，根据给出的相互位 置数据而导出前束等角度，由于测量误差大而逐步被淘汰。无线测量有线传输 式采用光学非接触式测量，提高了测量准确度，但主机与传感器之间是通过信 号线来传递信息。全无线式也是光学非接触式测量，它不但性能稳定、测量准 确度高，而且操作方便。 对于不同类型的四轮定位仪，关键的是测量传感器是否精确，测得的汽车 车轮定位角度是否准确。因此，针对上述问题开展的四轮定位仪检测技术研究 主要包括以下内容： ( 1 ) 能兼容所有类型四轮定位仪的传感器装夹技术的研究； ( 2 ) 能将车轮的前束角、推力角、主销后内倾角、车轮外倾角等多个被 检角度参量综合在同一套装置上进行检测校准的技术研究； ( 3 ) 标准角度信号的产生与给出方法； ( 4 ) 四轮定位仪标准装置的标定方法。 2 3 四轮定位仪标准装置的工作原理及技术指标 2 3 1 工作原理 针对四轮定位仪的工作特点和不同类型，分析其工作原理，找出各自特征 四川大学硕士学位论文 与异同点，我们通过反复研究、试验，最后探索出了科学的检测方法标准 信号法，即采用涡轮蜗杆精密细分转动技术、三维联动调整技术，以及先进的 机械结构设计方案，构成一台能进行机动车前后轮前束角、车轮外倾( 内倾) 角、主销内倾角、主销后倾角、推力角等角度参数精确设置与准确计量的便携 式现场检测装置“0 1 ( 如图2 4 ) 。 l 模拟轮毂2 调整用水平泡3 底座箱4 中扳5 上板6 涡轮驱动测量装置 7 直角定位器8 螺旋驱动测量装置9 微处理计算控制系统和数码显示器 图24 四轮定位仪检测装置 该装置主要由模拟轮毂、水平调整装置、可转动的中板与上板、涡轮驱动 测量装簧、螺旋驱动测量装置、控制系统及数码显示等部分组成。 ( 1 ) 模拟轮毂；通过巧妙的设计构思和实验验证，我们设计了能安装不同 类型传感器的模拟轮毂，并装配在同一平面上，这是兼容所有类型四轮定位仪 传感器装夹的技术关键。一四轮定位仪之所以一直未能进行统一的检测，其中一 个重要的原因就是传感器的安装问题难以解决，包括国外也只能是一种类型的 四轮定位仪仅适用于其对应的专用装夹设备或检测方法，相互之间无法兼容。 ( 2 ) 涡轮驱动测量装置：将涡轮蜗杆精密细分传动技术与精密机械加工工 艺相结台，研制出输入轴与输出轴的转角比为6 0 0 ：l 的高分辨率角度信号发生 装置，它们分别驱动四个模拟轮毂绕各自的z 轴转动一定的角度，模拟产生准确 的前后轮前束角和推力角，并通过数据处理后直接在显示屏上给出。 ( 3 ) 螺旋驱动测量装置：由性能稳定的升降机构组成的螺旋驱动测量装置 四川大学硕士学位论文 是由两个相同的组件构成，一个安装在底座箱上，驱动中板绕x 轴转动，其目的 是使模拟轮毂转动一定的角度，模拟产生主销内外倾角。另一个安装在中板上， 驱动上板绕y 轴转动，使模拟轮毂转动一定的角度，模拟产生车轮外倾角。即中 板和上板绕x 和y 轴旋转的角度是靠升降螺母驱动的，而升降螺母的位移量h 与固 定边长度l 的比值为t g a = h l ，查正切函数表即可得出口的角度值，式中位移 量h = t a 3 6 0 ，其中t 为丝杠螺距，为角度传感器的旋转角度。由此可知，当 转动螺旋驱动测量装置手轮时，升降螺母会上移或下移，同时角度传感器会检 测出丝杠旋转的角度u ，经过计算后，便得到中板或上板旋转的角度即主销内倾 角和外倾角。 ( 4 ) 底座箱和调平机构：在底座箱上装有圆形水平泡，可旋转调平螺丝将 底座箱调整水平。螺旋驱动测量装置的零位是通过安装在上板和中板的条形水 平泡来实现的。安装在每个模拟轮毂上的条形水平泡用来指示被测四轮定位仪 传感器车轮外倾角的零位。直角定位器用于模拟轮彀前束零点的校正。 模拟轮毂绕互相垂直的x 、y 、z 轴旋转的角度均是通过在螺旋驱动测量装置 和涡轮蜗杆驱动测量装置上的角度传感器测量的。 2 3 2 技术指标 采用基于标准信号进行检测校准的技术路线，可同时兼容目前国内所有类 型的在用四轮定位仪，解决了以前一种四轮定位仪只能适用于一种专用装夹设 备或检测方法的难题。形成的装置性能稳定、操作方便、功耗小、便携( 仅4 0 k g ) ， 适合于现场检测。 检测项目：前束角、推进角、主销后倾角、车轮内外倾角。 角度测量范围：( 0 6 0 ) 。 角度调节分辨率：3 6 ” 角度测量扩展不确定度不超过：1 7 2 4 四轮定位仪标准装置的测量不确定度分析。” 采用激光技术对四轮定位仪标准装置进行校准。将四轮定位仪标准装置调 整至测量的初始状态，在水平方向上把激光发射器固定在被检涡轮蜗杆驱动测 量装置所对应的轮毂上，在距发射器距离为l ( 大于1 0 米) 处垂直设置一个屏幕， 四川大学硕二b 学位论文 当模拟轮毂绕z 轴转动某一角度( 前束、推力角) 时，激光束在屏幕上形成的光 斑会从a l 点移动n a 2 点，所转角度卢与光斑位移距离a ( a = a 1 一a 2 ) 成三角函数 关系。 即： p = a r c t g ( a l ) ( 2 1 ) 同理，当模拟轮毂绕x 轴或y 轴转动一角度时( 外倾角或主销后倾角) ，激光 束在屏幕上形成的光斑会从b l 点移动到b 2 点，其位移为b = b 1 一b 2 。将四轮定位仪 标准装置设定为某一角度值，同时用游标卡尺在屏幕上直接测量该转角所引起 的位移a ，并由( 2 1 ) 式得出实际的角度，从而建立角度指示值与准确值的对应关 系，以此评定四轮定位仪标准装置的测量不确定度。 2 4 1 数学模型 由被检测校准的四轮定位仪标准装置给出的设定角度( 角度示值) 与用激 光实际测得的角度是不一致的，这是由于设定的角度与由涡轮蜗杆驱动模拟轮 毂绕z 轴旋转后的角度之间存在传动与转换误差，这一误差就是该装置的角度示 值误差，可由下式表示： p = 一 ( 2 2 ) 其中：口被检四轮定位仪标准装置的角度示值误差 0 被检四轮定位仪标准装置给出的角度示值 ，t 用激光方法实际测得的角度值 则合成标准不确定度为： k 2 ( e ) = c i 2 “2 以) + c ：2 2 ( 2 3 ) 式中： “( ，棚) 被检四轮定位仪标准装置示值的不确定度分量； “( ) 实际测量角度值的不确定度分量 因为传播系数： g ：鱼：1a ：堡：一1g = 2ja = = 一j o r , 所以合成标准不确定度为： “。2 ( p ) = ”2 ( r d + u 2 ( ) ( 2 4 ) 四川火学碗士学位论文 2 4 2 计算标准不确定度分量 1 、被检四轮定位仪标准装置示值误差引入的不确定度u ( r 1 ) ( 1 ) 被检四轮定位仪标准装置测量重复性引入的不确定度u 。( r 0 以设定外倾角为2 。进行检测为例，屏幕距激光器的距离l = i 1 0 0 0 m m ，表l 是重复1 0 次的测量结果。 表1设定外倾角为2 。时的外倾角实测数据 设定角 o ( o ) k 0 1234567891 0 2 。l 蛾l 鱿l 9 7 9l 镯4l 眄l 嘶l 9 7 9l 讴4l 9 7 9l 四 由表1 中数据可计算得实测角度平均值为= t 9 8 5 5 。，角度测量实验标准 差为： u t ( ) = = 0 ，0 0 6 。( 2 5 ) y 1 1 = 1 0 1 = 9 ( 2 ) 被检四轮定位仪标准装置分辨率引入的不确定度u ：( _ ) 被检四轮定位仪标准装置的角度分辨率为q c 0 1 。，由此带来的测量误差以等 概率分布，落在宽度为0 0 0 1 。的区间内，取置信因子k l - 怕，则： “2 “) ：t o o o f ：0 0 0 0 5 7 7 4 。 ( 2 6 ) v 22 2 。 所以，被四轮定位仪标准装置示值误差引入的不确定度u ( k ) 为 u ( h ) = 霜四丽= 0 0 0 6 2 + 0 , 0 0 0 5 7 7 4 2 0 0 0 6 0 3 。 自由度为：嵋2 盘3 i j i i i 0 ：0 1 0 亟6 0 3 4 = z h iu2 9 。口 】3 匝 ，r 婴型查堂婴主兰垡堡苎 一一 2 、实际测量角度时由于测量不准确而引入的不确定度“也) 由( 2 1 ) 式可知，通过激光技术实际测得