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汽车四轮定位理论及调整技术研究毕业设计论文

毕业论文

毕业论文题目汽车四轮定位理论及调整技术研究

摘要

随着汽车数量的迅猛增长，刺激了汽车检测行业的巨大法杖，我国汽车拥有量越来越多，而且每年都呈上升趋势，在这种新形势下，汽车四轮定位在汽车检测与维修行业逐渐凸显出其重要性，所以汽车检测设备的数量和质量都在不断提高，正逐步向智能化、多功能、轻量化、便于流动检测等方向发展，汽车四轮定位使汽车使用的安全性得到足够的保障。

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得安全性能的影响举足轻重。

如果车轮定位参数不正常，特别是转向轮的定位失准，将直接产生轮胎的异常磨损行驶跑偏车轮摆振，转向沉重等问题，直接影响汽车安全行驶。

汽车四轮定位将在现代汽车行业成为不可或缺的技术，随着技术的不断改进，使得检测简单易懂，具有较高的社会经济价值。

本文在传统的汽车转向轮定位理论的基础上，进一步阐述汽车四轮定位原理；推导出汽车四轮定位参数的空间几何关系；通过对汽车四轮定位理论及汽车四轮定位仪对定位参数的检测原理、系统构成等方面进行理论研究，提出正确使用四轮定位仪的注意事项、基本步骤、方法。

结合试验分析汽车四轮定位测试系统在汽车检测中的运用以及总结出定位参数之间的联系。

关键词：

四轮定位；检测原理；测试系统；运用

Abstract

Therapidincreaseoftotalnumbersofvehicleispromotingthedevelopmentgreatlyofvehicleinspectionindustry.Withthecontinualincreaseofdevelopingtowardsintelligence,multifunction,lightweight,convenienttomobileinspectionetc.Asanimportantstepinvehicleinspection,themeasurementofwheelalignmentparametersplaysdecisiveroleinsafetyperformanceoftheentirevehicle.Ifthewheelalignmentparametersareincorrect,especiallysteeringwheelmisalignment,theabnormalwearoftires,drivedeviation,wheelshimmy,heavysteeringandsoonwillappearwhichdirectlyaffectsvehiclesafetytravel.

Thisarticleisbasedontraditionalautomobilesteeringwheelpositioning’stheory,toexpatiatetheprincipleofthefour-wheelalignmentfurther;andinfersthefour-wheelalignmentthespatialgeometryrelationsoftheparameters;Throughtoresearchthefundamentalofthefour-wheel-positioningandpositioningequipment,investigatetestingprincipleofpositioningparameter,systemconstitutionandsoon,bringforwardmattersneedingattention,thebasicstep,themethodcorrectlyofmakeuseoffour-wheelalignmentequipment.Integratetheexperimentationtoanalyzingthetestingsystemofthefour-wheelalignment’sexertionintestingofvehicleandsumuptherelationoflocationparameters.

Keywords:

four-wheelalignment；automobilestructuretestingprinciple；exertion

汽车四轮定位理论及调整技术研究

第一章绪论

1.1研究本课题意义

今社会汽车已进入了千家万户，每个驾驶汽车的人都希望自己的汽车拥有最佳的舒适性的同时，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（各汽车生产厂家根据不同车型，设置不同数据）。

由于更换轮胎或减震器、机械的磨损、机件在剧烈颠波中疲劳变形或车架和机件在碰撞后变形，都会导致四轮定位参数发生变化。

所以一般新车在驾驶3个月后就应做四轮定位检测，以后每行驶l0000公里或更换轮胎及减震器，以及发生碰撞后都应及时做“四轮定位”，检测其是否符合原车标准，并及时进行维修与调校。

在现代汽车中,操纵稳定性和行驶安全性被人们看得越来越重要了。

虽然已经有很多在这方面的研究，但是本文主要在分析汽车四轮定位原理和四轮定位检测方法，结合实际例证阐述四轮定位调整的一般工作程序，常用方法研究，也是具有十分重要的意义的。

1.2简述四论定位技术

为使汽车稳定行驶，转向轻便，必须用汽车悬挂来保证车身及车轮与地面之间应形成一定的相互位置关系，为了确保三者之间所具有的一定相互位置关系，称之为四轮定位。

由于车轮长时间在与地面剧烈的碰撞，构件之间的相对位置也发生了变化，所以造成一系列行驶故障，目前我国道路状况逐渐改善，使车速大有提高，人们对方向和四轮定位的要求更显得突出。

及时对轿车进行准确的定位，为减少底盘机件的磨损，减少轮胎的消耗，增加驾车的舒适性和安全性，以免因小失大。

因车轮定位不良导致的问题主要有：

后倾角太大，转向时方向盘沉重；制动不平稳.车轮动态不平衡，方向盘就会发飘或抖动；左右轮外倾角不等会加速轮胎的单边磨损；前束不对也会引起轮胎的快速磨损和汽车跑偏，而吃胎的主要原因是没有做好汽车四轮定位。

比如：

外倾角的偏差使车轮

不能垂直于地面，单边接触地面的轮胎增加了数倍的压强，使单边接触地面的轮胎迅速磨损，加上高速、高摩擦引起的高温，胶质软化，车辆跑偏，减短轮胎使用寿命。

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。

先从汽车的构造说起，拿当前路上行驶的多数四轮轿车为例，轿车的转向车轮、转向节和前轴三者之间的安装具有一定的相对位置，这种具有一定相对位置的安装叫做转向车轮定位，也称前轮定位。

前轮定位包括主销后倾（角）、主销内倾（角）、前轮外倾（角）和前轮前束四个内容。

这是对两个转向前轮而言，对两个后轮来说也同样存在与后轴之间安装的相对位置，称后轮定位。

后轮定位包括车轮外倾（角）和逐个后轮前束。

这样前轮定位和后轮定位总起来说叫四轮定位。

四轮定位的作用是使汽车保持稳定的直线行驶和转向轻便，并减少汽车在行驶中轮胎和转向机件的磨损。

由于各汽车生产厂家对四轮定位原设计的不同、制造的不同，使得各轮的各种倾角和束值就各有不同，并且有可调部分和不可调部分之分；做四轮定位就是通过四轮定位仪，检测出被测车辆的各轮倾角和束值是否符合原厂标准，如不符合可做随机调整。

只有车辆的定位数据准确，它的操控性能、稳定性能才能达到最佳状态，轮胎的寿命也才能达到最长。

换句话说，当驾驶员感到方向转向沉重、发抖、跑偏、不正、不自动复位或者发现轮胎单边磨损、波状磨损、块状磨损、偏磨等不正常磨损以及驾驶时车感飘浮、颠颤、摇摆等不正常的驾驶感觉，行驶中转向盘不正或行车方向的跑偏现象出现时，就应考虑做四轮定位了[1]。

1.3本文主要研究内容

本论文共分为六章。

分别介绍了国内外四轮定位的研究方法及研究现状；四轮定位的基本参数、构成原理及检测方法和举例说明四轮定位调整的一般工作程序，常用方法。

其中，用较大的篇幅详细、重点的论述了四轮定位的基本参数、构成原理及检测方法和四轮定位调整的一般工作程序，常用方法，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。

第二章国内外四轮定位的研究方法及研究现状

2.1传统测量技术

早期定位技术测量工具由前束尺，外倾角，后倾角测量装置等构成。

前束尺是通过测量左右两轮之间距离的差值来测量前束角的。

它只能测量以长度为单位表示的总前束值，不能测量单轮前束角，退缩角，推进角等参数，而且测量精度有限。

这种测量方法现在已经基本淘汰。

2.1.1光学水准定位仪

在被测车辆的两前轮和后轮上分别装有激光发射器，通过读取激光束照射在刻度尺上的位置来测量前束角。

当前束角为0时，激光束照射在刻度尺的0位，当前束角不为0时，激光照射位置发生偏移。

该偏移代表了被测车轮的前束角值。

2.1.2拉线四轮定位仪

以拉线代替激光对前束角进行测量的装置，该设备的测量功能进一步增强，由于采用了单片机等微电脑进行控制，测量的自动化程度有所提搞。

显示采用LED，更为直观方便。

也采用电脑控制显示，并且在电脑中存有各种车型的定位数据，以便于实际测量结果比较。

拉线定位仪前束角测量原理的核心是测量旋转角的旋转电位器（有的采用霍尔传感器或光电编码器或旋转变压器测量旋转位置）用于测量拉线的偏转角度。

2.1.3激光式四轮定位仪

激光式车轮定位仪通过光线照射或反射的方式形成一封闭的直角四边形。

将待检测车辆置于此四边形中，通过安装在车轮上的卡具及测量头可以测量车轮的定位参数[2]。

2.2新型测量技术

车轮定位参数的检测对整车安全性与可靠性的影响举足轻重。

传统的四轮定位仪，如激光式，红外式，水准式，光学式和拉线式车轮定位仪，由于其检测原理的局限性，存在需要的传感器众多，标定复杂，操作繁琐以及检测速度慢，精度不高等问题，从无法实现快速检测，使之难以在汽车检测线中得到广泛应用。

计算机视觉技术已经在交通导航，现场勘测，自动化生产，虚拟现实等诸多领域经行了成功应用，使得其高精度的策测量成为一种新兴的，先进的测量技术。

所以，一些国外公司研制了基于计算机视觉技术的测量系统，基于视觉技术的测量系统具有非接触，测量速度快，操作简单维护方便等特点。

这种测量技术利用CCD（ChargeCoupleDevice，即点和耦合器件）摄像机采集特定图像，经过特定的图像处理算法和坐标转换关系，计算出定位参数。

2.2.1国内外研究现状

国外从事汽车四轮定位系统的研究机构很多，如德国博世（BOSCH），德国百世霸（BEISSBARTH），美国战车（JOHNBEAN）,美国亨特（HENTER）,美国BEF公司，美国现代（ModemEngineering），英国机灵狗（SUPERTRACKER）等，基于计算机视觉技术的四轮定位系统已经占据了国外市场主流，主要的四轮定位厂家如美国战车（JOHNBEAN），美国亨特（HENTER）率先研制出了基于视觉技术的四轮定位系统。

国外利用轮胎花纹摄影测量图像倾角来计算车轮外倾角；基于计算机视觉技术的四轮定位参数测量图像处理方式，即V3D三维成像车辆技术；利用计算机视觉技术，建立起图像传感器位姿和测量装置之间的数学关系，从而计算四轮定位参数，即动态法测量技术（建立数学模型）。

从本质上来说，以上几种都是利用计算机视觉技术来测量四轮定位参数。

为此，我们可以看出，基于计算机视觉技术的四轮定位方法已经在国外获得广泛的研究和应用。

现在国内生产厂家也正致力于研究基于计算机视觉技术的四轮定位检测设备，但很多厂家主要是购买国外整机自己贴牌，或者进口机芯（含软件），自己生产其他部件，而完全独立开发的基于此种技术的国内车轮定位仪则寥寥无几。

但随着国内技术发展，相信有一天中国在这一领域会取得较大突破[3]。

2.2.2V3D三维成像车辆技术

V3D（Visualinerwith3DImagingTechnology）意为三维成像技术课时定位，是一种采用计算机视觉技术进行四轮定位的全新测量方式。

V3D的技术是革命性的，完全是有别于传统定位仪。

V3D技术测量原理，由计算机+信息主板+高性能数码摄像机+4个反光板组成系统。

V3D四轮定位的测量部分使用高分辨率的面阵图像传感器（面阵CCD或数码相机），而原来机头由一反光板代替，目标盘上有你一定规律排列的反光斑，构成V3D系统的基本原件，围绕在数字摄像机周围的发光二极管不断发射固定频率的红外线，目标盘接受到光线后，将光线反射摄像机进行成像。

经过图像分析和处理后，根据透视学原理求取定位参数[4]。

2.2.3动态法测量技术（建立数学模型）

动态法主要是在车辆运行过程中，通过测量车轮外倾角和车轮前束角两者综合作用在车轮上，使车轮所承受的测向力和侧向滑移量（侧滑量），来判断车轮外倾角和车轮前束角二者的配合状况良好与否。

此方法提出了满意准则数学模型的车轮定位参数智能化测量方法，运用二次回归正交组合设计方法组织和安排实验，以车轮外倾角和前束角值作为实验因素，侧向力和侧滑量作为实验目标，通过对实验数据回归处理得到了试验车辆的侧滑量或侧滑量同车轮外倾角以及前束角值之间的映射关系。

运用遗传算法和满意准则数学模型的广义形式组成本测量方法的核心计算环节，并结合实验得到的映射关系，实现了车轮定位参数的动态测量[5]。

2.3国内外发展沿革

国外针对车轮定位检测技术的研究较早，50年代就研制了相应的检测诊断设备，如美国、法国、德国、荷兰、日本以及意大利等，发展至今其自动化程度、精度都有了很大的提高。

我国在这方面的研究起步较晚，从60年代开始引进台架式四轮定位仪，80年代初，由武汉汽车研究所研制成功并投产了GCD-Ι型光束水准式前轮定位仪，但其自动化程度低，测量过程复杂，精度、效率较低，仪器功能不健全，只能测量传统的四个参数：

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DL4800，烟台海德的HC4800，北京车安的AS888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。

汽车车轮定位参数检测技术经历了早期手工的，复杂的操作过程，发展到以计算机视觉为基础的定位参数检测，增加了测量的精确性，提高了操作效率。

基于计算机视觉技术的车轮定位参数检测是今后这一领域发展主要方向，国内一些定位仪生产厂家和科研单位正在研究这种基于计算机视觉的V3D技术。

该项目目前在我国正处于起步阶段，急需广大科技工作者的共同努力，不断提高国内定位仪的性能和技术水平。

我们相信，随着大家的不懈努力和V3D技术的不断完善，中国的四轮定位仪测量技术和产品水平将会迅速地不断提高。

第三章汽车四轮定位认识

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。

3.1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。

3.1.1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[6]

3.1.2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[7]。

3.2四轮定位的基本参数

●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[8]。

3.2.1主销后倾角

在汽车的纵向平面内（汽车侧的面），主销上部有向后倾斜的现象叫主销后倾。

主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角γ叫主销后倾角。

图3-1所示。

图3-1主销后倾角

主销轴线与路面交点a将位于车轮与路面接触点b前面，当汽车直线行驶时若转向轮偶然受到外力作用而稍有偏转（例如右偏转，如图中箭头所示），将使汽车行驶方向向右偏离，这时由于车辆本身离心力作用，在车轮与路面接触点b处，路面对汽车作用着一个侧向反作用力Y。

反力Y对车轮形成绕主销轴线作用力矩YL，其方向正好与车轮偏转方向相反。

在此力矩作用下，将使车轮回复到原来中间位置，从而保证汽车能够稳定地直线行驶，故此力矩称为回正的稳定力矩。

但此力矩不宜过大，否则在转向时为了克服此稳定力矩，驾驶员须在转向盘上施加较大力（即转向沉重）。

因稳定力矩的大小取决于力臂L的数值，而力臂又取决于后倾角γ的大小，因此，为了不使转向沉重，主销后倾角γ不宜过大，现在，γ角一般不超过0°～3°。

主销后倾角的获得一般是前轴，钢板弹簧和车架三者装配在一起，由于钢板弹簧前高后低，使前轴向后倾斜而成。

由此可知，车架变形，钢板弹簧疲劳，转向节松旷，车桥扭转变形等均将使主销后倾角发生变化。

3.2.2主销内倾角

在汽车横向平面内主销上部向内倾斜的现象叫主销内倾。

主销轴线与地面垂直直线在汽车横向平面内的夹角β称为主销内倾角。

如图3-2。

图3-2主销内倾角

主销内倾角β有使车轮自动回正的作用，当转向轮在外力的作用下由中间位置偏转一个角度（如图中双点画线位置），理论上车轮的最低点将陷入路面一下h距离。

但实际上这是不可能的，而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度。

此时汽车本身的重力将使转向车轮回到原来的中间位置。

主销内倾还是主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小，这可减小转向时加在转向盘上的力，使转向操纵轻便，同时减小从转向轮传到转向盘上的冲击力。

但L1值不宜过小，即主销内倾角不宜过大，否则在车轮绕主销偏转的转向过程中，轮胎与路面间将产生较大的滑动，轮胎与路面间的摩擦力将增大。

造成转向沉重，轮胎磨损加剧。

一般内倾角β不大于8°，距离L1一般为40～60cm。

3.2.3前轮外倾角

前轮安装在车桥上时，其旋转平面上方略向外倾斜的现象称为前轮外倾。

通过车轮中心的汽车横向平面与车轮的交线与地面垂直之间的夹角α称为前轮外倾角，α也具有定位作用，如图3-3。

图3-3前轮外倾角

如果空车时车轮的安装正好垂直于路面，则满载时车桥将因承载变形而可能出现车轮内倾，这将加速汽车轮胎磨损。

另外，路面对车轮的垂直反作用力沿轮毂的轴向分力，将使轮毂压向轮毂外端的小轴承，加重了外端小轴承及轮毂紧固螺母的负荷，降低了他们的使用寿命。

因此，为了使轮胎磨损均匀和减轻轮毂外轴的负荷，安装车轮时应使车轮有一定的外倾角，以防止车轮内倾。

同时，车轮有了外倾角也可以与拱形路面相适应。

但是，倾角也不宜过大，否则会使轮胎产生偏磨损。

前轮的外倾角是在设计转向节时确定的。

设计时使转向节轴颈的轴线与水平面成一角度而获得（一般α为1°左右）。

3.2.4前轮前束

汽车两个前轮安装后，在通过车轮轴线而与地面平行的平面内（俯视），两车轮前端略向内束的现象称为前轮前束。

左右两轮前边缘距离B小于后边缘A，A-B之差称为前轮前束值，如图3-4。

车轮有了外倾角后，在滚动时九类似于圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。

由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边向内滑移的现象，从而增加了轮胎的磨损。

为消除车轮外倾后带来的不良后果，在安装车