汽车四轮定位测试系统在检测中的运用分析报告Word文件下载.docx
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前束、外倾、主销内倾及主销后倾。
到90年代末，国内厂家开始大量生产四轮定位仪，如营口玄豹的SDH3000，营口大力的DL-4800，烟台海德的HC4800，北京车安的AS-888等，但都处于探索阶段，推出的产品大都不太成熟。
至今能普及使用的、精度较高的国产自动化设备比较少，许多厂家是通过购买国外的传感器及软件的方式在国内进行组装生产，没有形成自己的知识产权，导致产品质量参差不齐。
1.3本文主要研究内容
本论文共分为六章。
分别介绍了汽车四轮定位国内外的发展概况；
汽车四轮定位的认识；
汽车四轮定位的测量原理；
汽车四轮定位测试系统的认识；
汽车四轮定位测试系统的安装与使用；
结合实验台架分析四轮定位测试系统在汽车检测中的运用等内容。
其中，用较大的篇幅详细、重点的论述了汽车四轮定位的认识与汽车四轮定位测试系统的安装与使用这两章，其它几章主要本着介绍、概括的目的，让大家略有了解，开拓思路。
第二章汽车四轮定位的认识
本文主要是对汽车四轮定位原理及测试系统的研究，所以在本章对汽车四轮定位基础常识和基本理论做简单介绍以便于理解本文的后续内容。
2.1汽车四轮定位基础常识
随着汽车技术的高度发展，汽车车速不断提高，急加速、急减速、急转向、急制动等动作的出现，汽车后轮在行驶过程中受到的冲击和汽车的载荷，这些都将影响到汽车后轮的运行轨迹。
为了保证汽车直线行驶的稳定性、转向的轻便、转向轮回正性能良好，以及减少轮胎和机件的磨损、增加汽车行驶的安全性，汽车四轮定位的技术参数逐步受到驾驶人员的重视，同时也为汽车自动驾驶技术的发展提供了有利的条件。
2.1.1基本常识
（1）什么是汽车的车轮定位
现代汽车的车轮定位是指车轮、悬架系统元件以及转向系统元件，安装到车架（或车身）上的几何角度与尺寸须符合一定的要求，保证汽车行驶的稳定性和安全性，减少汽车的磨损和油耗。
（2）四轮定位维修的好处
1.增加行驶安全
2.直行时方向盘正直
3.转向后方向盘自动回正
4.减少汽油消耗
5.减少轮胎磨损
6.维持直线行车
7.增加驾驶控制感
8.降低悬挂配件磨损
（3）什么情况下，需要进行四轮定位
1.每行驶10000公里或六个月后
2.直线行驶时车子往左或往右拉
3.直行时需要紧握方向盘
4.直行时方向盘不正
5.感觉车身会漂浮或摇摆不定
6.前轮或后轮单轮磨损
7.安装新的轮胎后
8.碰撞事故维修后
9.换装新的悬挂或转向有关配件后
10.新车每行驶3000公里后
2.1.2主要技术参数
在GB/3730.3-92《汽车和挂车的术语及其定义》中，它规定了关于车轮定位有关参数的定义，考虑了有些汽车车桥无主销的结构；
注意了有关零件和几何要素（面、线、点）相对位置的空间性；
淡化了前束、外倾、后倾等参数的单一方向性；
（1）主要定位参数：
前束（Toe-in），外倾（Camber），主销后倾角（casterangle），主销内倾角（steeringaxisinclinationangle）。
（2）其它定位参数：
推进线（Thrustline），推进角（Thrustangle），右横向偏置角（RightLateraloffset），轮距差：
（TrackWidthDifference），轴偏置（AxleOffset），前退缩角（FrontSetBack），前退缩角（FrontSetBack），包容角（Includedangle）。
2.2汽车四轮定位的重要性和必要性
为了提高汽车行驶的安全性、平顺性和乘坐的舒适性，汽车研发部门必须恰当地设计车轮定位角。
正确的车轮叫可以保证汽车转向轻便，转向后能自动回正，汽车转向时、急剧改变车速时和高速行驶时，以及在坏路行驶，或紧急制动时能保证行驶方向的稳定性。
操作车辆时能稳定准确，路面振动小，坏路上车身没有明显摇摆，乘车舒适，轮胎寿命长。
正确的车轮定位可以帮助系统中所有不见都处于正常关系中，可以获得以下好处：
（1）延长轮胎的使用寿命
一组新的轮胎，有时表现为某一个轮胎使用不久就会发生异常磨损，有时发生在前轮，有时发生在后轮。
在大多树情况下轮胎的异常磨损，或跑长途时爆胎的原因是车轮定位不准确。
（2）操纵的稳定性
不正确的车轮定位可以加剧转向轮，以至整个转向系的摆振；
还可以造成行驶跑偏、高速时转向发飘、左右牵引、车轮不能自动回正、路面的振动无法被有效的吸收。
正确的车轮定位则可以避免或排除上述故障。
（3）减少转向机械和悬架的磨损
由于不同的车轮定位角可以使汽车处于不同的平稳关系中，因此不正确的车轮定位角不仅会加剧车轮的磨损，而且会造成悬架和转向系统传动部分的转动部件，如控制臂衬套、球头销、主销衬套等的非正常磨损。
（4）提高燃油的经济性
所有的车轮定位角，都是为了使车轮在行驶中尽可能地垂直于地面，最大限度减少车轮滑移，使车轮滚动阻力减少，燃油经济性提高。
正确的车轮定位，还可以保证四个车轮彼此平行，这样保证了最小的滚动阻力，再加上正确的轮胎充气，可确保提高燃油经济性。
（5）得到最佳的行驶平顺性
正确的车轮定位帮助前、后悬架恰如其分地工作，使行驶系、转向西所有部件处在正确关系中，路面的振动被有效的吸收，车辆行驶更平稳。
（6）确保安全驾驶
正确的车论定位最大的好处就是保证安全驾驶。
它可以确保车辆的可操作性，操作的稳定性，在正常行驶中有正确、迅速的操纵响应。
正确的车轮定位校正是非常重要的。
校正不适当，可能会造成转向困难，转向后车轮不能自动回正，行驶跑偏，产生不正常的噪声，轮胎异常磨损。
2.3前轮定位
转向轮、转向节和前轴或下摆臂三者之间装配要具有一定的相对位置，这种具有一定相对位置的装配关系叫做前轮定位。
前轮定位的作用有以下几项：
（1）保证汽车直线行驶的稳定性。
在水平面上驾驶员双手离开转向盘后，汽车仍能直线向前行驶。
遇到小坑，小包以及拱形路面时能保持直线行驶。
在承载后车轮能垂直于路面，能扼制转向轮的摆振。
在高速行驶中没有转向发飘现象。
（2）在外力使车轮偏转或驾驶员转向后，能保证转向盘自动回正。
（3）使转向轻便。
（4）减少转向轮和转向机构的磨损，最大限度地延长轮胎的使用寿命。
2.3.1主销后倾角
在汽车纵向垂直平面内主销轴线与与通过前轮中心垂线的夹角叫主销或倾角如图2-1所示。
向垂线后面倾斜的角度称为正后倾角，向前倾斜的角度称为负后倾角。
图2-1主销后倾角
a）主销后倾角的原理图b）正主销后倾角c）负主销后倾角
主销后倾角的作用：
（l）保证汽车直线行驶的稳定性。
按照国内传统的汽车理论，主销后倾角越大，行驶中产生的离心力就大，防止车轮发生偏转的反向推力就越大，所以主销后倾角越大，汽车直线行驶的稳定性就越好。
但是主销后倾角越大，汽车转向时所有克服的反向推力就越大，转向就越重，所以主销后倾角不能超过3˚。
（2）适当加大主销后倾角是帮助车轮回正的有效方法。
转向轮发生偏转时，主销后倾角帮助转向轮自动回正到中间位置。
2.3.2主销内倾角
在汽车横向平面内主销轴线与铅垂线的夹角即为主销内倾角。
如图2-2所示。
主销内倾角有以下两个作用：
（1）帮助转向轮自动回正。
前轮是围绕着主销旋转的，而主销是向内倾斜的。
主销内倾使转向节距地面高度降低，距地面更近，重力作用使车辆高度被降低，转向轮在转向时沿着倾斜的主销作弧线运动，就和门围绕歪斜的门轴做弧线运动一样，随着转向角和主销内侧倾角加大，轮胎外侧逐步加大对路面的压力。
汽车在松软的路面上转向时，主销内倾角越大，转向角越大，转向轮外侧就压入地下越多，在松软的路面上转弯时前轮的外侧部分陷入地下才可能实现转向。
汽车在柏油、水泥路面上行驶时，地面比轮胎更为坚硬，轮胎不可能陷入地下。
于是在地面反作用力下，转向轮连同它所承载的汽车前部都要抬起一个相应的高度，才能使它实现转向。
图2-2主销内倾角
a）销轴中心线b）主销内倾角
（2）使转向轻便。
由于前轴重心在主销的轴线上，主销内倾角使主销轴线延长线与路面的交点，和车轮中心地面的交点距离减小，力臂的减小使转向变轻了。
主销轴线的延长线距车轮的中心线过近容易使转向发飘。
所以传统的后轮驱动汽车主销轴线的延长线大都设计在距车轮中心线40至60mm处。
而20世纪70年代以后开发的前轮驱动汽车由于技术上改进，主销内倾角越大，行驶稳定性也很好。
2.3.3前轮前束
前轮前束是从汽车正上方向下看，由轮胎的中心与汽车的纵向线之间的夹角为前束角。
如图2-3所示。
前束的作用是消除由于外倾角所产生的轮胎侧滑。
当正前束太大时，轮胎外侧磨损会有正外倾角太大所形成的磨损状态，胎纹磨损形式为羽毛状。
当用手从内侧向外侧抚摸，胎纹外缘有锐利的刺手感觉。
当负前束太大时，轮胎内侧会有负外倾角太大所形成的磨损形态，胎纹磨损形式为羽毛状。
当用手从外侧向内侧抚摸，胎纹外缘有锐利的刺手感觉。
图2-3前束角图2-4外倾角
2.3.4前轮外倾角
从汽车的前方看轮胎的几何中心线与地面的铅垂线的夹角，称为外倾角。
轮胎的上缘偏向内侧（靠近发动机）或偏向外侧（偏离发动机）。
如图2-4所示。
当轮胎中心线与铅垂线重合时，称为零外倾角，其作用是防止轮胎不均匀的磨损。
当轮胎中心线在铅垂线外侧时的夹角称为正外倾角，其作用主要是减低作用于转向节上的负载、防止车轮滑落、防止由于载荷而产生不需要的外倾角及减小转向操纵力。
当轮胎中心线在铅垂线内侧时的夹角称为负外倾角，其作用是可使内外侧滚动半径近似相等，使轮胎的内外侧磨损均匀，还可以提高车身的横向稳定性。
2.3.5.转向梯形
车辆转弯时，内侧的车轮被迫沿着比外侧车轮要小的弧线进。
如果设计两侧转向臂互平行，那么转弯时两前轮也将保持平行，那么转弯时轮胎滑移。
而设计成前轴、梯形臂、横拉杆构成的转向梯形，可使汽车在转向时两前轮产生不同的转向角，通常内侧车轮转向角要比外侧车轮要大1~3˚，两前轮沿着各自的弧线滚动，从而消除了轮胎的滑动。
参见图2-5。
图2-5转向梯形
转向时所有车轮运动轨迹的向心线都应相交于一点，此点称为转向心。
横拉杆位于前轴后端的等腰形叫正方梯形，横拉杆位于前轴前端等腰梯形叫反梯形。
二者在作用上没有区别。
转向梯形又叫转向外展，由于两只梯形臂都设计成直线行驶时两侧车轮角度相同，保持两侧车轮平行，因此无论是向左或右转向，由于内侧轮形成比外侧较大1~3º
的转角，使转向中的前轮形成负前束，且转向角越大，负前束值也越大，转向时的负前束比后桥中的差速器更有利于转向平稳。
2.3.6转向不足
在试转半径时，转向盘转到止端，并保持不动，节气门开度稳定，车轮的转弯半在一定的圆周上保持不动，似乎是理所当然的事，但实际上转向不足的汽车（又被称为平稳转向，大部分汽车都是这种设计的），转弯随着旋转的圈数增加，会逐渐加大。
这种特性是因前后轮胎侧偏角不同引起的。
由于后轮侧偏角小于前轮的侧偏角，在连续作转弯半径测试时，后轮达不到前轮行进方向而变慢，所以转弯半径逐渐加大，出现转向不足。
转向不足的好处是当驾驶员转向时，即使实际转向低于自己的设想，也容易修正过来。
2.3.7转向负前束（转向前展）
转向负前束是指转向时内侧车轮相对外侧车轮的角度差。
转向系的结构使车轮角度随转向角度变化而变化，该角度的变化由转向梯形保证，如负前束不正确，将加剧轮胎磨损，并出现转向噪声及转向跑偏。
2.4后轮定位
2.4.1与后轮定位相关的概念及作用
后轮外倾角：
前轮驱动的轿车后轮通常为负外倾角。
即空载时后轮向内倾斜，承载后或举升运动时垂直于路面。
前轮驱动轿车通常为很小的后轮反前束。
前轮驱动汽车行驶中的驱动力使后轮心轴受向后的力，后轮的前端距离略大于后端距离。
和后轮外倾角一样，前轮驱动汽车后轮的反前束值比前轮也大1倍左右。
后轮前束主要为了使前后车轮以后轮推力为定位基准，使四个车轮保持平行，保证汽车直线行驶的稳定性。
减少后轮在行驶中的侧滑，以最大限度地延长后轮轮胎的使用寿命。
车辆的几何中心线：
是恰好穿过前、后轮中央的假想线。
推力线：
是与后轮中心线成正90度角向前延伸的线。
汽车受到猛烈冲击，或悬架衬套磨损松旷都会使推力线发生偏移。
推力线如和汽车前、后轮几何中心线平行，再配合适当的主销后倾角和主销内倾角，在笔直的公路上，即使双手离开转向盘，车辆仍可以保持直线行驶。
后轮偏向：
指向桥壳或后前移动，另一个后轮移动，后轮推力线不再和几何中心线平行。
后轴偏向造成推力线偏离了几何中心线，见图2-6和图2-7。
推力线偏离几何中心线，不仅造成行驶跑偏倾向，也加重了汽车转向轮胎的侧滑。
图2-6后轴未发生偏向时中心线和推力线
图2-7后轴偏向造成推力线偏离了几何中心线
2.4.2后轮定位
设置后轮定位可削弱后轴偏向、偏迹的问题在正常行驶和转向时的负面保持正确的后轮外倾角和后轮前束是非常重要的。
如出现轮胎畸形磨损，特别是再现后轮胎冠偏磨损（后轮外倾角不对），后轮胎肩处出现锯齿形磨损（后轮前束严重超差），以及后轮悬架发生早期磨损时都应作四轮定位。
设置后轮前束最主要的目的是为了使后轮推力线和几何中心重合，设置后轮外倾角最主要的目的就是改善转向的稳定性。
2.5前轮定位与四轮定位的区别
若汽车只做前轮定位（又叫二轮定位），在定位基准上就可能发生偏差，因为前轮定位是以几何中心线，即表示两前轮和两后轮之间的中心线为定位基准，而不是以后轮推力线为定位基准。
一旦后轮定位角发生偏差，后轮推力线就会和几何中心线发生偏离，形成推力角，无法保证直线行驶时四个车轮处于平行状态。
在直线行驶时前轮必然脱离定位基准难以保证行驶的直线性。
四轮定位和前轮定位的最大区别是在定位基准的选定上。
做四轮定位时是以后轮推力线做车轮定位基准线，后轮推力线是后轮总前束的中心线，该基准线由后轮定位角决定。
做四轮定位时先检测和调整后轮定位。
如果后轮定位角不对，而后轮定位在设计上又是可以调整的，则需要换那些变形了的零部件，即负责车轮定位的悬架上的部件，常见的是摆臂、减少器以及导向装置。
在后轮定位调整完后，后轮推力线和几何中心线重合，再以该参考线为基准，对每一个前轮进行测量调整，可以保证四个车轮在直线上行驶位置时处于平行状态，转向系处于几何中心，满足车辆在设计时的动力学条件，达到车辆在设计时的性能要求。
任何机械式的定位装置都只能做前轮定位，而无法做后轮定位和四轮定位。
第三章汽车四轮定位的测量原理
四轮定位仪是专门用来测量车轮定位参数的设备。
四轮定位仪可检测的项目包括：
前轮前束值/角（前轮前束角/前张角）、前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾、后轮前束值/角（后轮前束角/前张角）、后轮外倾角、车辆轮距、车辆轴距、转向20度时的前张角、推力角和左右轴距差等。
目前常见的国产或进口的四轮定位仪可以用来测量上述检测项目中几个中全部项目。
在检测项目中，车轮前束值/角、车轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角统称为前轮定位，又称前轮定位四要素，各种前轮定位仪都能完成其检测任务。
但汽车的操纵稳定性不仅仅由前轮定位来保证，后轮定位也起着至关重要的作用，所以，最好使用四轮定位仪检测和调整。
目前常用的四轮定位仪有接线式、光学式、电脑拉线式和电脑激光式四种，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，下面介绍四轮定位仪可测量的几个重要检测项目的测量原理。
3.1车轮前束和推力角的测量原理
前束时，必须保证车体摆正且方向盘位于中间位置，为了提供车轮前束值（或前束角）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封闭的直角四边形如图3－1所示。
图3-18束光线形成封闭的四边形
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，这里仅就光敏三极管式传感器来说明一下车轮前束的测量原理。
光敏三极管为近红外线接收管，是一种光电变换器件，它的结构与外形如图3-2所示。
其工作状态为：
不加电压，利用P－N接在受光射时产生正向电压的原理，把它作为微笑光电池。
在光敏三极管后面接一些用于接收信号的元件，以便及时对光敏三极管上所获得的信号进行分析处理。
图3－2光敏二极管的结构和外形
安装在两前轮和两后轮上的光敏三极管式传感器均有光线的接收和发射（或反射）功能，通过它们间的发射和接收刚好能形成类似于图3－2所示的四边形。
在传感器的受光面上等距离地将光敏三极管排成一排，在不同位置光敏三极管接收到光线照射时，该光敏管产生的电信号就代表了前束角或推力角的大小。
其测量原理的简单示意图如图3－3所示。
1-
刻度盘2-投射器支臂3-光敏三极管4-激光盘5-投射激光束6-接收激光束
1～4-光线接收器5-前轮6-后轮
7-汽车纵向轴线
－推力角
图3-3车轮前束角的测量原理
图3-4推力角的测量原理
依据上述检测原理，同时可以检测出位于该四边形内的待检车辆前后轴的平行度（即推力角的大小和方向）,其检测原理的简单示意图如图3－4所示。
同理，通过安装在后轮上的传感器，我们可以检测出后轮前束值（后轮前束角）的大小和方向。
3.2主销后倾角和主销内倾角的测量原理
车轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角这三个测量参数的测量都是关于角度的测量，除了光学式四轮定位仪测量车轮外倾角和车轮前束时，采用的不是测量角度的传感器，其余各种类型的四轮定位仪均是采用测量角度的传感器，包括车轮前束角都可以用角度传感器直接或间接测量。
以套筒扳手为例，先将扳手杆垂直立于桌面上，扳手接杆与视线垂直并使扳手接杆保持水平，此杆即为转向节轴（面向车头看为左前轮轴）。
将扳手杆下端向自己面前偏转一个角度
，即形成主销后倾角，然后由此位置绕扳手手柄轴线分别向里、向外各转动
角，这时就会发现扳手接杆绕水平面分别向上、向下偏转了
角（如图3-5所示）。
a）直行时，扳手接杆水平b）向里转向时，c）向外转向时，
扳手接杆向上偏转扳手接杆向下偏转
图3-5主销后倾角的测量原理
主销内倾角的测量原理如图3-6所示，在扳手接杆头部系上一长接杆，长接杆与扳手接杆垂直。
将扳手直立于桌面，使长接杆保持水平位置并与视线垂直，再将扳手柄下端向里偏转一个角度
，即形成注销内倾角，然后由此位置绕扳手手柄轴线分别向左、向右各转角
，这时又会发现接杆分别沿逆时针、顺时针方向转动了
角。
a）直行时，长接杆水平b）向左转时，c）向外转向时，
长接杆向逆时针偏转长接杆向顺时针偏转
图3-6主销内倾角的测量原理
3.2.1主销后倾角的测量原理
以左前轮为例，当车轮向左右各转动
＝20°
（如图3-7所示），ZO为主销轴线，OB为转向节车轮轴线，四边形DEFG表示水平面，四边形HIJK相对于平面的夹角为主销后倾角。
LMNP平面是与主销垂直相交的平面，该平面是HIJK平面以ST为轴转动
角（主销内倾角）形成的，OD为车轮向左转动20°
时转向节轴平面的方向。
线段LD、A´
B´
、AB、A´
´
、MI、FN和KP均是水平面DEFG上的铅垂线。
图3-7主销后倾角的测量原理计算图
由图3-7主销后倾角的测量原理计算图得（推导工程略）：
上式表明
为一特定角度时，主销后倾角测量角
存在唯一确定关系。
通常规定
转角为20°
，2sin＝0.68404，故有：
（1）
即主销后倾角
为实际测量角度
的1.461倍。
这样，用1.461倍的关系标定仪器，就可直接读主销后倾角
。
3.2.2主销内倾角的测量原理
仍以左前轮为例，当车轮向左右转动
时（如图3-8所示），ZO为主销轴线，OC为转向节轴线方向，OE为与车轮平面平行且水平的线段。
同
（1）所述，四边形DEFG表示水平面，四边形HIJK相对于水平面的夹角
为主销后倾角。
四边形LMNP为与主销垂直相交的平面，该平面是HIJK平面以ST为轴转动
角（主销内倾角）形成的，OE是车轮向右转动
20°
，垂直于转向节轴线且在水平面内的线段，OF是车轮向左转动
时，垂直于转向节轴线且在水平面的线段。
由图3-8主销内倾角的测量计算图得（推导工程略）：
上式表明当
为一特定角度时，主销内倾角
与测量角
，2sin
＝0.68404，故有：
（2）
即主销内倾角
的1.461倍，这样，用1.461倍的关系标定仪器，就可以直接读主销内倾角
、
图3-8主销内倾角的测量原理计算图
经过上述两部分的分析推导，了解了主销后倾角、注销内倾角的测量原理。
但必须指出，在上述两部分推导工程中提及的
、
为车轮向右转动20°
时，传感器所测得的实际角度值；
为车轮左转动20°
时传感器所测得的角度值。
在实际测量中，只要按照公式
（1）、
（2）换算即可。
现常见的四轮定位仪在出厂前就已用上述两式对仪表进行了标定，因此，可直接读主销倾角
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