車輪外傾角在車輛生產(chǎn)中的監(jiān)控與優(yōu)化

熊 冉

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

車輪外傾角在車輛生產(chǎn)中的監(jiān)控與優(yōu)化

熊 冉

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

提出了一種針對(duì)橋裝配四輪定位模擬設(shè)備的校準(zhǔn)方法，該方法充分考慮了車輛外傾角的實(shí)際狀況，通過實(shí)際驗(yàn)證，該方法可有效提高外傾角預(yù)估數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此后，針對(duì)無外傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)的多連桿懸架，提出了一種通過副車架上控制臂安裝孔的位置調(diào)整實(shí)現(xiàn)后輪外傾角的優(yōu)化，該方法可有效降低對(duì)懸架部件的尺寸精度要求，降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

橋裝配；四輪定位；車輪外傾角；多連桿懸架

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.053

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-167-04

引言

在現(xiàn)代汽車中，四輪定位對(duì)于車輛的操縱穩(wěn)定性、行駛安全性、輪胎及懸架襯套的使用壽命都具有重要的影響。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)表明，由車輪定位參數(shù)不準(zhǔn)確引起的故障占整車故障的30%左右[1]。四輪定位與懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)密切相關(guān),很多高檔車為了最大限度的實(shí)現(xiàn)后輪外傾角在車輛全壽命周期內(nèi)的穩(wěn)定性，不設(shè)置后輪外傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)。由于外傾角相關(guān)的尺寸鏈較長，對(duì)懸架零部件和車身的制造精度、以及后橋裝配精度提出了更加嚴(yán)格的質(zhì)量控制要求，增加了工程技術(shù)難度和生產(chǎn)制造成本。

1、四輪定位與多連桿后橋結(jié)構(gòu)

1.1 四輪定位與車輪外傾角

四輪定位指以后輪平均推進(jìn)方向?yàn)槎ㄎ换鶞?zhǔn)，來測量和校正四輪相關(guān)的定位角度，使車輛在行駛時(shí)，車輪、懸架系統(tǒng)元件以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)元件能保持適當(dāng)?shù)膸缀侮P(guān)系[2]。四輪定位參數(shù)主要包括車輪前束、車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角。其中，車輪外傾角是指在汽車的橫向平面內(nèi)，車輪中心平面與縱向垂直平面之間的夾角。當(dāng)車輪頂部向汽車外部傾斜時(shí)角度為正，反之為負(fù)[3]。

合理設(shè)置車輪外傾角可以起到減小作用于轉(zhuǎn)向節(jié)上的負(fù)載，防止車輪松脫，減小轉(zhuǎn)向操縱力，防止因載荷作用而引起不必要的外傾角等方面的作用。

1.2 多連桿后懸架及四輪定位調(diào)整方式

多連桿懸架是由三根或三根以上桿件連接組成，桿件承受側(cè)向力和縱向力，桿件數(shù)量的增多能夠增強(qiáng)懸架對(duì)車輪的控制，使車輪運(yùn)動(dòng)保持良好的軌跡。當(dāng)該結(jié)構(gòu)被用于前懸架時(shí)，多連桿懸架可以在車輪轉(zhuǎn)向時(shí)減輕不足轉(zhuǎn)向，使轉(zhuǎn)向更加準(zhǔn)確。當(dāng)被用于后懸架時(shí)，多連桿懸架在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)可以改變前束值，使后輪有一定的隨前輪轉(zhuǎn)向能力，同時(shí)達(dá)到良好的操縱性和平順性[4]。

如圖2為某車型五連桿后橋結(jié)構(gòu)。副車架作為懸架的載體，具有較高的抗彎曲強(qiáng)度，前后端通過四個(gè)壓裝襯套與車身后地板相連。彈簧連桿、上控制臂、扭力桿、橫拉桿及推力臂五根控制臂外端通過球鉸鏈與后轉(zhuǎn)向節(jié)相連，內(nèi)端與副車架通過橡膠襯套連接。通過各連桿長度的精確匹配，保證四輪定位參數(shù)在車輪跳動(dòng)過程中具有良好的動(dòng)態(tài)特性。車輪所受的大部分縱向力、側(cè)向力及其力矩，均由這五個(gè)控制臂傳遞給車身。

后橋作為非轉(zhuǎn)向輪，僅有車輪前束和外傾角兩個(gè)車輪定位參數(shù)。前束的調(diào)整一般通過前橫拉桿內(nèi)端的偏心螺栓實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。很多高檔車型，為保證車輛全壽命周期內(nèi)的后輪外傾角的穩(wěn)定性，不設(shè)置外傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)，且前束的調(diào)整對(duì)外傾角的影響很小。成品車輛的外傾角僅依靠相關(guān)零部的加工精度和橋裝配精度保證，質(zhì)量控制難度較大。

2、四輪定位設(shè)備及檢測方法

四輪定位檢測技術(shù)經(jīng)歷了從幾何中心線定位，到推力線定位，再到完全四輪定位三個(gè)發(fā)展階段[5,6]。由于四輪定位對(duì)車輛行駛安全性所起的重要作用，四輪定位已成為車輛生產(chǎn)過程中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的不同，可分為橋裝配廠四輪定位模擬檢測和整車廠實(shí)車四輪定位檢測兩種類型。

2.1 橋裝配廠四輪定位模擬檢測

對(duì)于無外傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的后橋，一旦出現(xiàn)成品車輛外傾角不合格的現(xiàn)象，只能通過更換整個(gè)后橋的方式解決，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率?，F(xiàn)在普遍采用的方法是在橋裝配過程中，增加四輪定位預(yù)調(diào)整和檢測工位，通過專業(yè)設(shè)備對(duì)懸架在使用過程中的受力情況進(jìn)行模擬，并對(duì)可調(diào)節(jié)的四輪定位參數(shù)進(jìn)行預(yù)調(diào)整和檢測。該方法可以有效減少整車廠四輪定位調(diào)整的工作量，提高生產(chǎn)效率。此外，對(duì)預(yù)調(diào)整后的定位參數(shù)實(shí)施監(jiān)控也是保證成品車輛下線質(zhì)量的重要手段。

四輪定位模擬檢測設(shè)備一般通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)彈簧，以實(shí)現(xiàn)對(duì)懸架載荷力的模擬。通過輪邊支撐機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)懸架高度的模擬。所有四輪定位參數(shù)均在設(shè)計(jì)載荷狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)整和測量。對(duì)于后輪外傾角無法調(diào)節(jié)的后橋結(jié)構(gòu)，在前束值調(diào)整完畢后，該設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行后橋外傾角的監(jiān)控，如判定超差，自動(dòng)報(bào)警。此外，為保證四輪定位參數(shù)的模擬精度，此類設(shè)備一般都預(yù)留offset參數(shù)，用戶可根據(jù)該參數(shù)對(duì)四輪定位預(yù)估值進(jìn)行修正。

2.2 整車廠實(shí)車四輪定位檢測

（1）車輛的檢測狀態(tài)

車輪外傾角受后橋載荷狀態(tài)的影響。當(dāng)后橋載荷變大時(shí)，車輪上部有向內(nèi)側(cè)傾斜的趨勢(shì)，外傾角數(shù)值將變小。同理，當(dāng)載荷變小時(shí)，外傾角將變大。常用的載荷狀態(tài)有以下三種：

◇ K0狀態(tài)：車輛的設(shè)計(jì)狀態(tài)，橋的裝配過程及四輪定位模擬檢測均采用此狀態(tài)。

◇ FF狀態(tài)：整車整備狀態(tài)。

◇ PL狀態(tài)：整車下線狀態(tài)。與FF狀態(tài)相比，油箱僅加注少量燃油。

K0狀態(tài)是四輪定位檢測的基準(zhǔn)狀態(tài)，四輪定位模擬設(shè)備通過對(duì)懸架施加理論作用力實(shí)現(xiàn)對(duì)K0狀態(tài)的模擬。整車生產(chǎn)過程受到生產(chǎn)節(jié)拍的限制，無法將每輛車的質(zhì)量狀態(tài)都修正為K0狀態(tài)，往往采用PL狀態(tài)直接進(jìn)行四輪定位參數(shù)的調(diào)整與檢測。

（2）PL狀態(tài)外傾角公差要求的確定

PL狀態(tài)的外傾角公差一般通過K0狀態(tài)的外傾角公差轉(zhuǎn)化得到。較普遍的做法是，對(duì)PL狀態(tài)與K0狀態(tài)的成品車輛進(jìn)行大量的外傾角數(shù)據(jù)測量，結(jié)合工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通過反復(fù)嘗試，確定合理的offset參數(shù)，保證橋裝配廠四輪定位的準(zhǔn)確性。此外，K0狀態(tài)外傾角與后橋高度緊密相關(guān)，如圖4所示，PL狀態(tài)外傾角公差需要考慮后橋高度的影響。此外，橋裝配廠的公差帶寬度一般嚴(yán)于整車廠的公差，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

（3）整車廠四輪定位測試臺(tái)

圖5為整車生產(chǎn)廠使用的四輪定位檢測設(shè)備。該設(shè)備除常規(guī)四輪定位功能外，還具有大燈標(biāo)定、通訊系統(tǒng)標(biāo)定、MPC攝像頭校準(zhǔn)、車距控制系統(tǒng)調(diào)整等多項(xiàng)功能。除車輪前束值需人工調(diào)整外，整個(gè)測量過程自動(dòng)化運(yùn)行。在測量過程中，外傾角公差要求基于車輛高度測量數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

3、四輪定位模擬設(shè)備的校準(zhǔn)方法

橋裝配廠四輪定位模擬檢測設(shè)備可通過offset值進(jìn)行測量值的修正。由于整車廠與橋裝配廠四輪定位檢測的載荷狀態(tài)不同，offset無法通過數(shù)據(jù)對(duì)比直接獲得，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析間接獲得，offset值的準(zhǔn)確性取決于工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。為解決此問題，下面提出了一種offset計(jì)算方法，其主要思想是通過尋找外傾角測量值的修正參數(shù)，最大限度實(shí)現(xiàn)整車廠和橋裝配廠的外傾角均值相對(duì)于公差帶的相對(duì)位置保持一致，如圖6所示。

設(shè)整車廠外傾角樣本數(shù)為n，第i個(gè)樣本點(diǎn)的外傾角數(shù)值為,對(duì)于每個(gè)樣本點(diǎn)的公差上限值、理論值、下限值分別為。設(shè)對(duì)應(yīng)的橋裝配廠樣本數(shù)值、公差帶上限值、理論值和下限值分別為。

① 數(shù)據(jù)的篩選

對(duì)橋裝配廠和整車廠的后橋外傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，去除異樣的樣本點(diǎn)（即該數(shù)據(jù)明顯較其它數(shù)據(jù)大或小的樣本點(diǎn)），以增加公差帶矯正的準(zhǔn)確性。對(duì)篩選后的n個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行排序。

② 計(jì)算整車廠外傾角樣本到公差中線的均值

③ 計(jì)算整車廠外傾角公差帶寬的均值

④ 計(jì)算整車廠外傾角均值相對(duì)于公差帶的位置XP

⑤ 求解最佳的橋裝配廠外傾修正參數(shù)Δ（即offset變化量）

設(shè)TY為橋裝配廠公差帶寬度。外傾值偏移Δ后，樣本均值相對(duì)于公差帶的位置YP有：

令XP=YP，可解得：

下面通過實(shí)例對(duì)該方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。在某車型的試制中，有3輛試制車左后輪外傾角超差，其余車輛左后外傾角均處在下公差線附近，如圖11所示。通過調(diào)閱橋裝配廠四輪定位模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)左后輪外傾數(shù)據(jù)處于中值附近，如圖12所示，與實(shí)車情況存在較大偏差。橋裝配廠四輪定位模擬設(shè)備無法對(duì)外傾角進(jìn)行有效監(jiān)控，車輛生產(chǎn)存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

采用了上述offset值修正方法，采用上述方法對(duì)15輛試制車輛外傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到左、右側(cè)外傾角最優(yōu)下移量為Δ=15.72’。修正后的橋裝配廠WAM外傾檢測結(jié)果如圖13。通過對(duì)比圖7和圖8，調(diào)整后的橋裝配廠外傾值較好的預(yù)估了車輛的實(shí)際外傾角參數(shù)，有效解決了橋裝配廠四輪定位模擬設(shè)備的準(zhǔn)確性問題，驗(yàn)證了該方法的有效性。

4、外傾角的優(yōu)化方法

對(duì)于無車輪外傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的多連桿后橋結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)下線車輛四輪定位超差，只能通過更換整個(gè)后橋的方式解決，極大的影響車輛的生產(chǎn)效率和報(bào)廢成本。由于外傾角相關(guān)的尺寸鏈一般較長，涉及的零部件較多，在優(yōu)化車輛外傾角的過程中，需要綜合考慮各方面的因素，并結(jié)合零部件的生產(chǎn)工藝考慮技術(shù)方案的可行性，盡量減少尺寸調(diào)整產(chǎn)生的成本提高及其它負(fù)面影響。對(duì)于多連桿后懸架結(jié)構(gòu)，可采用對(duì)后副車架上控制臂安裝孔的位置調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)成品車輛外傾角的優(yōu)化，以降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，如圖10所示。此方案的優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面：

◇ 上控制臂安裝角度接近Y向，如圖11所示，主要影響車輪外傾角，對(duì)前束的影響較小。

◇ 若實(shí)現(xiàn)相同的外傾角變化量，上控制臂安裝孔位移動(dòng)量較小。

◇ 安裝支架孔心位置由加工設(shè)備沖頭位置決定，沖頭位置調(diào)整較為方便。

◇ 上控制臂僅起懸架導(dǎo)向和承載作用，無其它部件安裝點(diǎn)，對(duì)車輛其他功能無影響。

針對(duì)第三部分中提到的左后輪外傾超差問題，采用此方法進(jìn)行了外傾角的優(yōu)化。將后副車架焊接支架孔心位置向外側(cè)調(diào)整1mm，調(diào)整后的車輛實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)如圖12所示，可以看出外傾角數(shù)據(jù)得到了有效地改善，提高了成品車輛四輪定位檢測的合格率，降低了產(chǎn)品的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

5、結(jié)語

本文介紹了橋裝配過程中四輪定位模擬檢測設(shè)備的工作原理。與成品車輛四輪定位檢測進(jìn)行對(duì)比，闡述了載荷狀態(tài)差異對(duì)于車輪外傾角的影響。提出了一種計(jì)算四輪定位模擬檢測設(shè)備offset值的方法，該方法可有效提高四輪定位參數(shù)模擬的準(zhǔn)確性，保證成品車輛質(zhì)量狀態(tài)。對(duì)于外傾角無法調(diào)節(jié)的多連桿后橋，提出了一種通過副車架上控制臂安裝孔位的調(diào)整實(shí)現(xiàn)后輪外傾角的優(yōu)化，并通過實(shí)際案例驗(yàn)證了該方法的有效性。

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Monitoring and optimization of wheel camber in vehicle production

Xiong Ran
( Beijing Benz Automotive Co , Ltd., Beijing 100176 )

A calibration method for wheel alignment equipment in axle assembly process has been introduced.The actual condition of vehicle camber has been fully considered. The effectiveness of this method has been proved by practical verification. After that, as to multi-link suspension with no camber angle adjustment mechanism, putting forward a camber optimization method by moving hole position of camber arm bracket in the rear sub-frame. This method sharply reduced the suspension opponent’s dimension accuracy requirement and vehicle quality risk.

axle assembly; wheel alignment; camber; multi-link suspension

U467.3

A

1671-7988(2016)10-167-04

熊冉，（1984.12-），男，職稱： 中級(jí)工程師，就職于北京奔馳汽車有限公司研發(fā)中心。北京奔馳研發(fā)中心主任工程師。研究方向：底盤技術(shù)方向（橋裝配、副車架、輪胎等）。