四輪定位儀及其在汽修廠的應(yīng)用

文/江蘇 高惠民 北京 袁偉

現(xiàn)代汽車的操縱穩(wěn)定性直接影響了汽車的安全行駛性能、轉(zhuǎn)向性能和制動性能，其中一項重要的技術(shù)指標(biāo)就是四輪定位參數(shù)。汽車出廠時都設(shè)置有合理的四輪定位角度，這樣才能保證車輛安全穩(wěn)定地行駛。但是，汽車在使用過程中懸架及轉(zhuǎn)向系元件的磨損、變形、損壞等，會使汽車四輪定位參數(shù)發(fā)生變化而失準(zhǔn)，進(jìn)而導(dǎo)致車輛操縱穩(wěn)定性的下降，當(dāng)出現(xiàn)以下情況時，就有必要對四輪定位的角度進(jìn)行檢測與校正。

①車輛行駛超過10000km或半年后(如有條件新車則在3000km后)。

②車輛更換新輪胎或輪胎出現(xiàn)異常磨損。

③車輛直行時方向盤不正、抖動或跑偏。

④車輛行駛中車身出現(xiàn)蛇行、漂浮和晃動。

⑤車輛轉(zhuǎn)向時出現(xiàn)異常手感。

⑥車輛行駛時過度顛簸與沖擊。

⑦車輛更換懸架或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更換新零件后。

⑧車輛發(fā)生碰撞事故進(jìn)行維修后。

一、四輪定位的概念

四輪定位是立體幾何學(xué)在工程實踐中的應(yīng)用，它整合了轉(zhuǎn)向節(jié)、懸架、車橋和車輪構(gòu)件之間的所有幾何參數(shù)，包括車輪外傾角、車輪前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、推力角等(定義和功能如表1所示)，使汽車在各種復(fù)雜道路上行駛或轉(zhuǎn)向時，車輪都能保持正確的角度和軌跡。

二、汽車行駛故障與定位參數(shù)的關(guān)系

汽車四輪定位參數(shù)是汽車操縱穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)，一旦四輪定位參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)生變化，就會造成一系列的車輛行駛故障(見表2、表3)。

表1 四輪定位概念及功能

三、四輪定位檢測技術(shù)與四輪定位儀

1.四輪定位參數(shù)的檢測方法

四輪定位參數(shù)的檢測一般有動態(tài)檢測和靜態(tài)檢測兩種檢測方法。

(1)動態(tài)檢測

動態(tài)檢測在側(cè)滑試驗臺上完成。檢測過程中車輛以一定的車速行進(jìn)并通過檢測設(shè)備，測量出車輪產(chǎn)生的側(cè)向力或由側(cè)向力所引起的側(cè)滑量，以確定車輪定位參數(shù)。但用這種檢測方法只能檢測車輪外傾角和車輪前束之間的調(diào)整關(guān)系是否合理，不能確定車輪的定位參數(shù)是否在車輛出廠時的規(guī)定范圍內(nèi)，因此其不能滿足轎車完全車輪定位的要求。

(2)靜態(tài)檢測

靜態(tài)檢測就是通過車輪定位儀檢測。汽車在靜止的狀態(tài)下，用定位儀確定車輪的定位參數(shù)值及其相互關(guān)系，尤其是現(xiàn)在的乘用車大多都采用承載式車身，四個車輪都分別具有獨(dú)立的懸架系統(tǒng)，因而由后輪定位故障所引起的車輛跑偏、輪胎磨損等故障日益增多。僅依靠做前輪定位已無法維持車輛行駛良好的技術(shù)狀況，車輛的后輪定位參數(shù)也必須予以調(diào)整，這就需要四輪定位技術(shù)。

2.四輪定位技術(shù)的發(fā)展過程

四輪定位技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。

(1)幾何中心線定位階段

第一階段為幾何中心線定位階段，即以幾何中心線為參考對前輪作定位。這是一種沿用多年的前輪定位方式，對于現(xiàn)代采用獨(dú)立懸架的乘用車而言，其缺點是忽略了后輪定位參數(shù)的變化。當(dāng)后輪定位不準(zhǔn)確時，車輛幾何中心線與其推力線形成一定的夾角，就會導(dǎo)致車輛跑偏、轉(zhuǎn)向偏離、吃胎等多種問題。

(2)推力線定位階段

第二階段為推力線定位階段，即通過測量后輪找到推力線，以推力線為參考，確定兩前輪的角度。這種定位方式在推力線與車輛幾何中心線重合時，可以使方向盤在車輛行駛時保持在中間位置。但沒有考慮到推力線與車輛幾何中心線偏離的問題，若兩者間不是平行關(guān)系卻仍以推力線參考定位前輪的話，車輛四個車輪滾動的方向與汽車行駛方向則會不一致，不僅造成嚴(yán)重的偏向，還會加速前輪胎磨損。

(3)完全四輪定位階段

第三階段是完全四輪定位階段，即首先作單獨(dú)后輪定位，檢測出兩個后輪的單獨(dú)前束，調(diào)節(jié)好后輪前束，使推力角為0°(實際操作中在士0.25°范圍內(nèi))，這樣調(diào)節(jié)后的推力線應(yīng)與車輛幾何中心線重合。前輪前束調(diào)整用重合的推力線和幾何中心線作為參考。新型乘用車兩后輪設(shè)計成獨(dú)立懸架式，可以獨(dú)立調(diào)整后輪前束，這就是完全四輪定位。通過完全四輪定位后的汽車，前后輪都與汽車幾何中心線平行，并且行駛時后輪運(yùn)動沿著前輪的軌跡，方向盤也保持在中間位置，使得車輛各懸架和車輪能在良好技術(shù)狀況下運(yùn)行。

3.主流四輪定位儀的種類

現(xiàn)代計算機(jī)控制的車輪定位儀都具有完全四輪定位功能。隨著對車輛定位檢測技術(shù)要求的不斷提高，定位儀測量傳感器的運(yùn)用技術(shù)也在不斷更新，目前市場上廣泛采用的是集機(jī)械、光學(xué)、電子、計算機(jī)技術(shù)為一體的CCD和3D成像四輪定位儀。

(1)CCD四輪定位儀

CCD汽車四輪定位儀的重要組件為數(shù)據(jù)采集部分的四個測量探頭。每個測量探頭中的兩個CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合半導(dǎo)體器件分別感應(yīng)與其相對的測量探頭上的紅外發(fā)射管的光線坐標(biāo)，光線照射到CCD像敏單元上產(chǎn)生信號電荷，信號電荷經(jīng)有線傳輸或無線發(fā)射器傳輸?shù)綑C(jī)柜，再經(jīng)工控機(jī)中的COM口傳輸?shù)诫娔X主機(jī)上，進(jìn)行運(yùn)算與處理。由于測量探頭上的CCD傳感器反映了其自身與相對應(yīng)的測量探頭上的紅外發(fā)射管的相互位置關(guān)系，而測量探頭又是通過4個輪夾與汽車輪輞相連，所以通過8個CCD傳感器可以測出4個輪輞的相互關(guān)系，從而確定車輪的定位參數(shù)。 CCD像敏單元分布均勻，其線性度好，因此，這種測量方式的測量精度較高。但是測量探頭通過4個輪夾安裝在車輛的4個輪輞上，所以在四輪定位測量前必須進(jìn)行輪惘補(bǔ)償作業(yè)，增加了定位作業(yè)操作的復(fù)雜性。

表2 四輪定位不良引起的行駛故障

表3 行駛故障及可能原因

(2)3D四輪定位儀

3D四輪定位儀是3D數(shù)碼影像四輪定位儀的簡稱，其采用世界上最先進(jìn)的完全四輪定位技術(shù)，如圖6所示是采用美國亨特技術(shù)生產(chǎn)的國產(chǎn)品牌YH3D-6002動態(tài)四輪定位儀。四個目標(biāo)反光板安裝在車輛的4個輪輞上，滾動車輪，由攝像機(jī)對目標(biāo)反光板上的幾何圖形進(jìn)行連續(xù)拍攝。通過計算機(jī)對幾何圖形的變化進(jìn)行分析運(yùn)算，得出車輪及底盤等的相應(yīng)定位參數(shù)，再由顯示屏進(jìn)行顯示。該技術(shù)主要采用物理透視學(xué)的基本原理與計算機(jī)信息處理技術(shù)，其具有以下優(yōu)勢。

①精度更高，功能更強(qiáng)大。其精度可以精準(zhǔn)到0.1mm/0.01°。功能除可實現(xiàn)所有傳統(tǒng)參數(shù)外，還可測出輪偏等距離參數(shù)。

②操作更簡便。其測量不受平臺水平度影響，即使車身傾斜，精度也不受影響，僅需推動汽車或滾動車輪即可完成所有參數(shù)測量。

③故障率低。目標(biāo)反光板僅起圖像反光作用，所以無需電池供電及數(shù)據(jù)傳輸。目標(biāo)反光板的主體支架為金屬支架，橫梁多為鑄體，抗腐抗壓性強(qiáng)。高端配置的計算機(jī)用于超大數(shù)據(jù)處理，性能更穩(wěn)定。兩個高精度數(shù)碼相機(jī)安裝在高處，連續(xù)不斷地監(jiān)控每個車輪上的目標(biāo)反光板，避免了移動損壞。

④可以選擇多種參考平面。實時參考平面以目標(biāo)反光板作為參考平面。固定參考平面以舉升機(jī)平面作為參考平面。

⑤鋁合金表面以及外殼內(nèi)置緩沖的目標(biāo)反光板具有抗腐蝕、防撞擊變形、防破碎的功能。目標(biāo)反光板上無電子部件，無需連接電纜，無需標(biāo)定、維護(hù)。

⑥便于使用。視野范圍寬廣，車輛可舉升到便于調(diào)整作業(yè)的高度。

四、四輪定位故障案例分析

1.故障現(xiàn)象

2010年生產(chǎn)的豐田銳志，行駛里程30000km，客戶反映方向盤向右打向到底，其回位速度慢且不能回位到中間位置。

2.故障修理

路試此車，車速為15km/h，將方向盤向右打到底，然后輕扶方向盤，讓其自動回位，發(fā)現(xiàn)方向盤不能及時回位到中間位置，車輛繼續(xù)向右偏行?？紤]到此車裝備了電動方向機(jī)，用診斷儀進(jìn)行方向機(jī)扭矩校正，但故障現(xiàn)象依然存在。將車輛舉升，檢查輪胎氣壓正常，輪胎也無嚴(yán)重磨損，前懸架與車身、方向機(jī)連接構(gòu)件無松動，但發(fā)現(xiàn)右側(cè)車輪鋼圈上有撞擊的痕跡。因此，用YH3D-6002四輪定位儀檢測，定位數(shù)據(jù)如表4所示。

從四輪定位數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)右側(cè)的主銷后傾角明顯小于標(biāo)準(zhǔn)值，繼續(xù)檢查右前的懸架構(gòu)件，發(fā)現(xiàn)右前懸架下叉臂與轉(zhuǎn)向節(jié)球銷連接孔處有撞擊脫漆的痕跡，因此懷疑是右前懸架下叉臂變形，導(dǎo)致右側(cè)主銷后傾角變小，于是更換右前懸架下叉臂，再做四輪定位。結(jié)果主銷外傾角恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)(主銷后傾角：左側(cè)為7°11′、右側(cè)為6°40′)，并且將前輪前束調(diào)整到左側(cè)為0.5mm，右側(cè)為0.4mm，總前束為0.9mm。路試車輛，結(jié)果方向盤向左、向右打到底后都能及時回位到正常的中間位置。

表4 豐田銳志故障車四輪定位數(shù)據(jù)

3.維修總結(jié)

豐田銳志前懸架采用的是上下不等長的雙叉臂懸架結(jié)構(gòu)，這種前懸架在車輛上下運(yùn)動時能自動調(diào)節(jié)車輪的外傾角度，減小輪距變化，從而減少輪胎的磨損，并且車輛能自動適應(yīng)行駛路面，輪胎貼地性好。此車故障是由于右前懸架下叉臂變形使右側(cè)的主銷后傾角變小，導(dǎo)致方向盤向右打到底后不能自動回位。汽車轉(zhuǎn)向輪回正主要依靠主銷后傾拖距的作用，設(shè)計主銷后傾角轉(zhuǎn)向主銷延長線與路面的交點就在輪胎路面接觸區(qū)中心點的前方。因此，車輪是從前方被拉著前進(jìn)，這個拉力減小了車輪的干擾力，從而使車輛能保持直線穩(wěn)定行駛。在直行過程中，當(dāng)車輪由于轉(zhuǎn)向或干擾而偏轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生側(cè)向力(F2和F'2)。由于主銷后傾拖距，這些側(cè)向力具有圍繞轉(zhuǎn)向主銷軸線的旋轉(zhuǎn)力的作用，這些旋轉(zhuǎn)力試圖使輪胎回到原來的位置，即回正力(見圖7)。主銷后傾拖距越長，轉(zhuǎn)向輪回正力矩就越大，車輛直線行駛性能就越好。如果主銷后傾角變小，主銷后傾拖距縮短，轉(zhuǎn)向輪回正力矩也相應(yīng)變小，使方向盤的回位變慢，而且方向盤不能回位到中間直行位置。所以，依靠四輪定位儀檢測是診斷車輛行駛故障的主要手段。