四輪定位儀校準裝置的安裝水平度引入的誤差

/ 上海市汽車運輸科學技術研究所

0 引言

機動車四輪定位是指車輪前束角、車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角。四輪定位數(shù)據(jù)的準確與否（特別是在高速行駛的情況下）對機動車的行駛安全性（方向輪的自動回正、方向盤的操縱力大小、操縱的平順性）、乘坐的舒適性、減少輪胎和機件的異常磨損等具有決定性的作用。

四輪定位儀是汽修企業(yè)目前普遍采用的針對機動車四輪定位的專業(yè)維修檢測設備，因而四輪定位儀的檢測數(shù)據(jù)準確與否將直接關系到被修車輛的四輪定位數(shù)據(jù)的準確性，關系到維修的質量和維修的效率，所以必須根據(jù)國家有關法規(guī)規(guī)章，依照JJF 1154-2014《四輪定位儀校準規(guī)范》等相關標準，通過定期量值溯源（校準）來確保四輪定位儀檢測數(shù)據(jù)的準確可靠。然而，由于市場上四輪定位儀的品牌和規(guī)格型號繁多，如何提供更準確的校準服務，將有待于在日常的實際操作中不斷地進行探索。由于JJF 1154-2014只對校準裝置的計量性能做了規(guī)定，而在日常工作實踐中發(fā)現(xiàn)校準裝置支架安裝的水平問題會對整個校準過程產(chǎn)生不可忽略的影響，有必要將其獨立出來進行分析和探討。以下主要討論的是四輪定位儀校準裝置在安裝過程中由支架水平度引入的誤差分析。

1 計量性能

四輪定位儀校準裝置是對四輪定位儀的車輪前束角、車輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角等參數(shù)進行校準檢測的專用設備，其最大允許誤差MPE：±1′，對于被校準的四輪定位儀的性能參數(shù)如表1所示。

表1 被校準的四輪定位儀的性能參數(shù)

2 測量模型

以被檢四輪定位儀示值x，四輪定位儀校準裝置示值x0為輸入量，四輪定位儀示值誤差Δ為輸出量的測量模型：

式中：Δ—— 被檢四輪定位儀車輪傾角的示值誤差，(′ )；

x—— 被檢四輪定位儀3次測量示值的算術平均值，(′ )；

x0—— 四輪定位儀校準裝置標準值，(′)

由于各分量彼此獨立不相關，對各分量求偏導后，可得角度相對標準不確定度的表達式：

3 標準不確定度來源

1）四輪定位儀示值重復性引起的不確定度分量uA(x) (A 類不確定度評定 )。

2）四輪定位儀校準裝置本身的準確度引入的標準不確定度分量u1(x0) (B類不確定度評定)。

3）由安裝四輪定位儀校準裝置支架產(chǎn)生的水平度引入的不確定度分量us(x0) (B類不確定度評定)。

4 輸入量的標準不確定度評定

4.1 被檢四輪定位儀示值x估計值的標準不確定度評定uA(x)

被檢四輪定位儀示值x估計值的不確定度主要來源于四輪定位儀的測量結果重復性及數(shù)顯儀器的示值量化誤差。

測量結果重復性(車輪前束角)可以通過連續(xù)測量得到測量列，采用A類評定方法進行。

在標準裝置及被檢四輪定位儀的車輪前束角為2°時正常工況條件下，在重復性條件下測量10次所得結果見表2。

表2 車輪前束角重復測量結果

單次測量實驗標準差：

實際測量時，每一測量點只測量3次作為測量結果，則可得標準不確定度為

4.2 被檢四輪定位儀示值估計值（數(shù)顯量化誤差）的標準不確定度評定

根據(jù)JJF 1154-2014規(guī)定，被檢四輪定位儀的分辨力基本上均為1′，其量化誤差以等概率分布（矩形分布）落在寬度為1′/2 = 0.5′的區(qū)間內(nèi)?？紤]其引入的標準不確定度為

由于測量結果重復性分量包含數(shù)顯量化誤差等引入的不確定度分量，為避免重復計算，只計最大影響量uA(x)，舍棄u1(x)。

4.3 四輪定位儀校準裝置本身的準確度引入的標準不確定度分量u1(x0)

根據(jù)規(guī)程規(guī)定，檢定用標準裝置的最大允許誤差±1′，并以接近均勻分布估計算。

4.4 重復性與標準裝置準確度的不確定度分量見表3。

表3 重復性與標準裝置準確度的不確定度分量

4.5 合成標準不確定度的計算

4.6 擴展標準不確定度的計算

因主要分量可視為正態(tài)分布，因此p= 95%時，可取包含因子k= 2，則：

U= 0.7′×2 = 1.4′

由四輪定位儀前束角的最大誤差為4′，只要擴展不確定度在1/2到1/3之間，2′＞1.4′，可以認為測量的結果誤差還是可靠的。

通過計算已經(jīng)得出uA(x)和u(x0)的不確定度評定分量，可以看出uA(x)對于整個測量不確定度評定的影響，A類不確定度評定結果還是會受到被校四輪定位儀自身性能的影響，但這不是此次誤差分析的重點。把由安裝四輪定位儀校準裝置支架產(chǎn)生的水平度引入的不確定度分量us(x0)對于整個標準裝置不確定度評定所產(chǎn)生的影響作為此次誤差分析的重點?？杉僭O一個絕對完美的被測物，將重復性引起的標準不確定度無限接近于零（以后的計算公式中uA= 0，不再具體說明了），將校準裝置本身的準確度u(x0)和支架安裝水平度us(x0)的不確定度進行合成，來探討支架安裝水平度us(x0)對于整體測量過程中的影響是不是一個非常關鍵的并且無法被忽略的重要因素。

5 輸入量的標準不確定度評定（支架水平度）

安裝四輪定位儀校準裝置支架的水平度，在規(guī)程中沒有被特別的要求，但還是存在一定的風險隱患，這里用三種可能發(fā)生的情況來證明支架水平度是足以影響整個測量過程的。

5.1 地面對于四輪定位儀校準裝置支架水平度的影響

對于地面的水平校準，通常用條式水平儀來進行水平的調整（見圖1、圖2），規(guī)程對其準確度沒有嚴格的規(guī)定，這里以工作中常用的0.05 mm/m和0.02 mm/m為例加以分析。

圖1 0.02 mm/m條式水平儀

圖2 四輪定位儀校準裝置支架

（1）由0.05 mm/m條式水平儀準確度引入的不確定度分量us(x01)

由0.05 mm/m水平儀的分度值讀數(shù)，以1 m計算水平儀的分度值為0.05 mm/m，校準員的估讀誤差為1/10分度，其誤差為0.005 mm/m（相當于1′），設其滿足均勻分布，k= ，則：

0.05 mm/m條式水平儀與標準裝置準確度的不確定度分量見表4。

表4 0.05 mm/m條式水平儀與標準裝置準確度的不確定度分量

合成標準不確定度的計算

擴展標準不確定度計算

因主要分量可視為正態(tài)分布，因此p= 95%時，可取包含因子k= 2，則：

U1= 0.8′×2 = 1.6′

由此可以看出0.05 mm/m水平儀的估讀誤差對于測量的影響，按1/10估讀誤差是非常小的，基本上已經(jīng)是肉眼可以判斷的極限，實際操作上需要工作人員高度仔細。

如果降低一點要求，按1/5作為估讀誤差（具體計算就不再重復了），其誤差應為0.01 mm/m（相當于2′），計算結果的擴展不確定度U1= 2.6′，超出了2′，測量結果是不理想的。

（2）由0.02 mm/m條式水平儀準確度引入的不確定度分量us(x02)

由0.02 mm/m水平儀的分度值讀數(shù)，以1 m計算水平儀的分度值為0.02 mm/m，校準員的估讀誤差為1/10分度，其誤差為0.002 mm/m（相當于0.4′），設其滿足均勻分布，k= ，則：

0.02mm/m條式水平儀與標準裝置準確度的標準不確定度分量見表5。

表5 0.02 mm/m條式水平儀與標準裝置準確度的標準不確定度分量

擴展標準不確定度計算

因主要分量可視為正態(tài)分布，因此p= 95%時，可取包含因子k= 2，則：

U2= 0.6′×2 = 1.2′

由些可以看出0.02 m/mm水平儀的估讀誤差對于測量的影響，按1/10估讀誤差時其U2值還是比較小的。由進一步放大到1/5進行估讀（降低對人員的要求），其誤差為0.004 mm/m（相當于0.8′），計算結果顯示其擴展不確定度U2= 1.2′沒有超過2′，測量結果還是可以的。

綜合評價一下兩種水平儀，0.05 mm/m的水平儀對于校準人員要求極高，理論上可以使用，但實際使用很困難；0.02 mm/m的水平儀在1/5估讀時，誤

合成標準不確定度的計算差可控，對于校準人員要求也合理，但誤差還是不盡理想，在條件允許的情況下，應配置準確度更高的水平儀，如數(shù)字顯示的0.01 mm/m水平儀等。

5.2 傳感器掛載對于四輪定位儀校準裝置的水平度的影響

對于零位校準，如圖3所示，需要將連桿和被檢設備的傳感器放在淺色區(qū)域，這時連接在一根橫杠上，校準零位時是很穩(wěn)定的；但在將傳感器與連桿裝在深色的測量機構上時，就會出現(xiàn)一個問題，由于測量機構是一個齒輪結構，按杠桿原理（力臂過長或傳感器過重）理論上都會導致向下傾斜，這種向下傾斜會不會對整體測量有影響，可以引用地面對于四輪定位儀校準裝置支架的水平度影響得到的相關數(shù)據(jù)進行分析。

圖3 四輪定位儀校準裝置測量機構

由傳感器掛載產(chǎn)生的水平度引入的不確定度分量us(x03)

如果傾斜度大于2′，設其滿足均勻分布，k=，則：

傳感器掛載與標準裝置準確度的標準不確定度分量見表6。

表6 傳感器掛載與標準裝置準確度的標準不確定度分量

擴展標準不確定度計算

因主要分量可視為正態(tài)分布，因此p= 95%時，可取包含因子k= 2，則：

合成標準不確定度的計算

U3= 1.2′×2 = 2.4′

擴展標準不確定度U3=2.4′（超出了2′），測量結果是不理想的。

綜合評價一下，傳感器掛載誤差需要校準員對于具體的四輪定位儀傳感器的各種情況進行隨機應變的處理。這里主要需明確一點，就是在掛載到藍色的測量機構時，感覺出現(xiàn)了向下傾斜，不要錯誤地認為一點點向下傾斜是不會影響整體測量的，因為即使只有2′這樣很小的傾斜度，也會對測量結果產(chǎn)生影響。所以在工作時發(fā)現(xiàn)一點點向下傾斜，就要加以足夠的重視，這會對測量結果產(chǎn)生比較大的影響。是不是可以通過某些手段來加以調整，如用更短的連桿或去除傳感器上一些不必要的附載等，要多觀察，不要裝好就開始測量，在確定基本消除傾斜后才可以進行測量。

5.3 3D四輪定位儀臺架舉升對于四輪定位儀校準裝置的水平度的影響

3D四輪定位儀是在校準中遇到的比較特殊的一種設備，它區(qū)別于以前的那種可以分離的傳感器，對于工作區(qū)域有嚴格的要求，導致其無法在落地狀態(tài)下（圖4）進行測量，只有舉升狀態(tài)下（圖5）3D四輪定位儀才能進行測量。

圖4 四輪定位儀落地狀態(tài)

圖5 四輪定位儀舉升狀態(tài)

以正常的校準工作流程，校準裝置需要在地面將四輪定位儀傳感器進入淺色區(qū)域進行零位校準，再將傳感器放在深色區(qū)域的測量機構上進行校準測量(見圖3)，但在3D四輪定位儀校準工作中，如果你在地面未舉升（見圖6）的3D四輪定位儀臺架（簡稱臺架）已經(jīng)進行了零位校準，但由于四輪定位儀傳感器必須被探頭檢測到，就必須對臺架進行舉升作業(yè)（見圖7），這時就會發(fā)生一個問題，臺架的舉升結構的水平度會對測量結果產(chǎn)生一定的影響。

圖6 校準裝置未舉升

圖7 校準裝置已舉升

由3D四輪定位儀臺架舉升產(chǎn)生的水平度引入的不確定度分量us(x04)

從長期工作經(jīng)驗來看，臺架舉升的前后誤差比較好的是控制在1 mm左右，如圖8所示，以此為例來計算一下長5 m的臺架，有1 mm的高低差對于整個測量的影響。

圖8 臺架前后1 mm高低差形成的傾斜夾角

通過三角函數(shù)可以計算出臺架的傾斜夾角，約為7′左右。設其滿足均勻分布，k=，則：

臺架舉升與標準裝置準確度的標準不確定度分量見表7。

表7 臺架舉升與標準裝置準確度的標準不確定度分量

合成標準不確定度的計算

擴展標準不確定度計算

因主要分量可視為正態(tài)分布，因此p= 95%時，可取包含因子k= 2，則：

U4= 4′×2 = 8′

而四輪定位儀前束角的最大誤差為4′，但8′＞ 4′，可以認為測量的結果肯定是有問題的。

有沒有辦法解決這個臺架舉升過程中帶來的水平度的誤差，如可以在臺架舉升到位后再進行零位校準，用來消除水平誤差，這種方法是可行的，但要注意以下三個問題：

（1）臺架上的水平校零不比地面，地面上可以通過選擇比較平整的地方，但臺架上校零只能在相對于臺架上固定的區(qū)域（傳感器接收區(qū)），臺架自身的水平度有可能超過校準架自身可以修正的極限，沒辦法校零。

（2）在臺架上已經(jīng)將水平度控制好，也進行了零位校準，傳感器也可以接收到信號，這就可以將傳感器放到測量機構上。此時如果發(fā)生了傳感器接收信號不好，通過簡單的傳感器面板的上下翻動也無法解決，而需要對校準裝置進行前后移動或臺架上下調整，其上一次的水平調整是失效的，要重新進行定位。也就是說臺架上調整時必須找到一個能讓零位和測量機構都能完好接收信號的一個位置，雖然兩者不在一個平面上，但因為距離較近，只要安裝前先進行定位，在確認兩個平面的信號接收良好后，再進行水平度控制和校零位。但如果遇到定位不了一個比較好的區(qū)域，兩者無法同時滿足的極端條件，還是應該放棄此次檢測。

（3）由于前束角和外傾角都集中在校準裝置前面，在檢測到一半時需要將四輪定位儀傳感器進行交換（前輪兩個和后輪兩個交換位置），如果對臺架進行了高低舉升，都應該重新進行水平度控制和零位校準，不要用自己的主觀感覺好像是上次那個高度或用傳感器的接收情況來判斷，幾分的水平度誤差基本無法察覺，科學的方法還是再檢查一下，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

綜合評價一下，臺架上的檢測有著極高的要求和很大的風險，需要大量的時間進行風險控制，時間成本巨大，以目前的裝置水平不建議在臺架上進行檢測。不過未來臺架上的檢測肯定是趨勢，四輪定位儀越來越作為一個整體（臺架和傳感器的一體化）出現(xiàn)在這個行業(yè)，3D四輪定位儀就是一個典型代表，這需要計量行業(yè)在設備上進行突破，期待以后可以有四個測量機構分離、直接放置在臺架上、自動調水平、遠程控制轉動角度的校準裝置的出現(xiàn)。

6 結語

四輪定位儀校準裝置的安裝水平度引入的誤差不僅需要校準員擁有熟練的操作技能和仔細的工作作風，也需要校準裝置性能的持續(xù)改進。相信這些問題和困難是計量人員努力奮斗加以攻克的目標，也將在未來隨著計量科學技術的不斷進步而得到解決。