批量生產(chǎn)中車輛四輪定位技術(shù)淺析

占細(xì)雄 孫治國(guó) 張世桐 王千

（一汽-大眾汽車有限公司，長(zhǎng)春130011）

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，汽車技術(shù)及性能也快速提升，用戶對(duì)車輛的安全性和舒適性要求也在日益提升。為此，對(duì)車輛制造技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)也提出了更嚴(yán)格的要求。在智能制造和網(wǎng)絡(luò)互連的背景下，汽車制造業(yè)也根據(jù)自身制造及檢測(cè)技術(shù)的要求，在利用各種先進(jìn)的聲、光、機(jī)、電、網(wǎng)一體化的儀器設(shè)備，對(duì)汽車進(jìn)行綜合智能診斷，具有自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)采集和存儲(chǔ)的功能。在乘用車生產(chǎn)過程中，四輪定位的調(diào)整是非常關(guān)鍵的一項(xiàng)，四輪定位的準(zhǔn)確性直接決定了產(chǎn)品的行駛性能和安全性。各個(gè)汽車制造廠都在積極采用快速、高效、準(zhǔn)確且可追溯的四輪定位工藝及設(shè)備，來滿足日益提速的質(zhì)量要求及制造效率要求。

2 四輪定位的功能及意義

前束不合理會(huì)導(dǎo)致車輛行駛過程中車輪邊滾邊滑，加大行駛阻力，加快輪胎的磨損且導(dǎo)致油耗增加。在緊急制動(dòng)時(shí)就可能發(fā)生跑偏、側(cè)滑，導(dǎo)致嚴(yán)重事故[1]。四輪定位是檢測(cè)汽車車架、懸掛構(gòu)件,車輪3 者之間及4 個(gè)車輪之間,在x、y、z軸方向的角度位置關(guān)系。其包含推進(jìn)角定位、前束角定位、外傾角定位、主銷后傾角定位及主銷外傾角定位。鑒于車輪定位在維持駕駛安全、轉(zhuǎn)向穩(wěn)定、輪胎正常磨損方面的重要作用，各個(gè)汽車生產(chǎn)商都非常重視車輪定位。在車輪定位中四輪前束角及外傾角的定位尤為核心。目前各個(gè)汽車廠基本都會(huì)在車輛出廠前進(jìn)行前束角、外傾角及推進(jìn)角的調(diào)教，確保車輛行駛性能。

3 四輪定位原理及發(fā)展趨勢(shì)

如圖1 所示，直線A是前軸左右輪中心和后軸左右輪中心的連接線，為車輛幾何中心線。直線B為左右后輪和地面垂直面相交平面上輪中心線的等分線，是車輛行駛的推力線。r 是推進(jìn)角，通常也叫蟹行角。α是后軸總前束，β是前軸總前束，β1和β2別是前左和前右的前束值。從圖1 可以看出前軸左右前束是前輪輪胎和推進(jìn)線B的夾角，所以推進(jìn)線B是前軸前束的測(cè)量基準(zhǔn)線，是前軸前束及外傾角度計(jì)算的前提。基于前束定位原理，各個(gè)汽車廠在四輪定位調(diào)整時(shí)，都是先調(diào)整后輪前束再調(diào)整前輪前束。

圖1 前束關(guān)系示意

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和汽車的普及，四輪定位儀的研發(fā)和制造也得到的巨大的發(fā)展。市場(chǎng)上的四輪定位儀種類繁多，測(cè)量精度、速度及價(jià)格也參差不齊，但是基本上都是由定位系統(tǒng)、傳感測(cè)量系統(tǒng)、計(jì)算系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。隨著光學(xué)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，3D激光測(cè)量技術(shù)已經(jīng)逐步成為各個(gè)汽車廠的快速測(cè)量四輪定位設(shè)備的主流[2]。3D測(cè)量技術(shù)通過大的激光輻射角，密集的激光束大大提高了測(cè)量精度及輪胎的兼容范圍和適應(yīng)性，降低了各個(gè)車企在新車型并入時(shí)的投入成本。

3.1 批量生產(chǎn)中四輪定位設(shè)備要求

批量生產(chǎn)中的設(shè)備要考慮節(jié)拍、精度、穩(wěn)定性及操作方便性多維度的問題，對(duì)設(shè)備的質(zhì)量及設(shè)備在工藝適應(yīng)性上要求非常高。要求設(shè)備能自動(dòng)定位，符合人機(jī)工程要求，符合人員安全操作要求且能快速執(zhí)行。考慮到成本因素，各個(gè)主流汽車廠把對(duì)定位要求高的設(shè)備如大燈調(diào)整、主動(dòng)巡航、軌道偏離報(bào)警、氣彈簧檢查功能都集成四輪定位中。所以在檢測(cè)流程設(shè)計(jì)中要全面考慮各項(xiàng)調(diào)整要求，合理安排各項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容的順序，確保多項(xiàng)檢測(cè)并行進(jìn)行，節(jié)省工時(shí)。

3.2 檢測(cè)設(shè)備及原理

目前國(guó)標(biāo)對(duì)四輪前束及外傾范圍沒有明確要求,測(cè)量方法也沒有進(jìn)行限定。只有在GB/T 33570—2017 中對(duì)測(cè)量?jī)x器的性能做了一些基礎(chǔ)的入門級(jí)的要求[3]。目前大部分車型都是獨(dú)立懸架，在整車制造廠下線后都可以根據(jù)質(zhì)量要求進(jìn)行前束和外傾的調(diào)校。各個(gè)汽車制造公司都是根據(jù)自身車輛特點(diǎn)來確定各自產(chǎn)品的相關(guān)特性值，來保證車輛操控性和駕駛舒適性。好的車型前束的控制都比較嚴(yán)格，只有不到10 分的調(diào)校范圍?？紤]到對(duì)商品車的輪胎的保護(hù)、測(cè)量精度和測(cè)量節(jié)拍要求，在各個(gè)成規(guī)模的汽車制造公司的檢測(cè)線上基本都是采用3D測(cè)量技術(shù)。

3.2.1 設(shè)備構(gòu)成

四輪定位設(shè)備包含對(duì)中裝置、設(shè)備框架、激光測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

a.對(duì)中裝置，主體是自動(dòng)調(diào)整浮盤。電機(jī)控制浮盤自由擺動(dòng)，通過小幅度的擺動(dòng)車輪，實(shí)現(xiàn)車輛非接觸式對(duì)中，和傳統(tǒng)的推動(dòng)輪胎實(shí)現(xiàn)對(duì)中的傳統(tǒng)方式相比，避免了直接接觸車身，且輪胎自由擺動(dòng)后應(yīng)力充分釋放，前束測(cè)量更加準(zhǔn)確；

b.設(shè)備框架，即設(shè)備的支撐框架，包含行車通道、調(diào)整平臺(tái)、安全擋板和監(jiān)控系統(tǒng)。車輛通過框架駕駛到相應(yīng)待測(cè)量位置，操作者站在調(diào)整平臺(tái)上進(jìn)行前束和外傾的調(diào)整；框架上會(huì)設(shè)置限位擋板和監(jiān)控雷達(dá)，防止車輛在調(diào)整過程移動(dòng)和人員在非允許狀態(tài)站到調(diào)整平臺(tái)上引起安全問題。

c.激光測(cè)量系統(tǒng)，激光測(cè)量系統(tǒng)如圖2 所示，是設(shè)備的核心部件，通過多條照射到輪胎上的激光束和2 個(gè)相機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)3D 激光測(cè)量。利用軟件算法能快速計(jì)算出四輪的前束值和外傾值大小。由于采用3D 激光器，克服了外界光線干擾并擴(kuò)大了測(cè)量范圍。

d.控制系統(tǒng)，用于控制設(shè)備各個(gè)部件按流程運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)完整的四輪定位調(diào)整檢測(cè)工藝并保障操作者的人身安全，如浮盤的運(yùn)動(dòng)，激光束發(fā)射時(shí)段控制、軸距調(diào)整等。

圖2 激光測(cè)量系統(tǒng)

3.2.2 設(shè)備原理

設(shè)備測(cè)量過程如圖3所示。車輛行駛到設(shè)備框架上后，設(shè)備通過對(duì)中裝置對(duì)車輛進(jìn)行定位，由于設(shè)備框架是事先調(diào)試固定好的，能保證水平度，即保證4個(gè)輪胎處于同一個(gè)水平面。

圖3 測(cè)量過程

車輛對(duì)中浮盤處于輪胎下方，在對(duì)中過程中激光器發(fā)射激光照射在輪胎表面,如圖4 所示。利用三角測(cè)量原理[4]，激光測(cè)量系統(tǒng)能計(jì)算出輪胎中心到激光器的距離，實(shí)時(shí)得到車身位置信息，同時(shí)小幅度自由擺動(dòng)浮盤來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)車輛物理位置,實(shí)現(xiàn)車輛非接觸式對(duì)中。對(duì)中完畢后進(jìn)行四輪的前束和外傾的測(cè)量。

圖4 激光測(cè)量系統(tǒng)

考慮到無(wú)法實(shí)現(xiàn)車輛的絕對(duì)零度對(duì)中，在調(diào)整過程中也可能會(huì)晃動(dòng)，高精度的設(shè)備會(huì)在方向盤上配備非接觸式方向盤水平儀，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量方向盤的角度，按照車輛的方向盤傳動(dòng)比在進(jìn)行前束測(cè)試時(shí)對(duì)輪胎位置進(jìn)行修正。每個(gè)輪胎上都有一套激光測(cè)量系統(tǒng)，激光測(cè)量系統(tǒng)上會(huì)有2 個(gè)相機(jī)及時(shí)記錄這些激光線束位置并通過圖片處理卡進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用軟件算法刪除干擾點(diǎn)和無(wú)效數(shù)據(jù),把2 個(gè)相機(jī)在不同角度的成像結(jié)果進(jìn)行合并,形成一個(gè)激光束在輪胎外表面的立體成像圖,如圖5 所示。

圖5 輪胎表面成像示意

系統(tǒng)會(huì)在立體成像圖中識(shí)別出輪胎最高點(diǎn)的圓形輪廓位置，此位置坐標(biāo)就是對(duì)應(yīng)輪胎在坐標(biāo)系中的位置，用于最終進(jìn)行前束和外傾的計(jì)算。駕駛輔助系統(tǒng)和氣彈簧車輛往往需要測(cè)量輪眉高度，在進(jìn)行輪眉測(cè)量時(shí)，輪眉測(cè)量光源會(huì)發(fā)光，通過圖像系統(tǒng)可以計(jì)算出輪眉的坐標(biāo)，同時(shí)系統(tǒng)可以計(jì)算出輪胎輪廓的圓心，從而計(jì)算出輪眉高度。

3.2.3 設(shè)備標(biāo)定

為保障批量生產(chǎn)中的設(shè)備準(zhǔn)確度，需要配備設(shè)備的標(biāo)定樣架，對(duì)設(shè)備的水平度、激光束及算法基準(zhǔn)進(jìn)行檢查及標(biāo)定。典型的3D 校準(zhǔn)架如圖6 所示。校準(zhǔn)架是鋁型材框架，鋁型材有非常高的直線度且受環(huán)境溫度影響較小。樣架上的校準(zhǔn)板的前束值和外傾值是已知的。在型材3 個(gè)框架上裝有水平氣泡，用于進(jìn)行設(shè)備框架水平度的檢驗(yàn)和校準(zhǔn)。在型材上裝有4 塊校準(zhǔn)板，校準(zhǔn)板有一定的角度且板上有透孔。校準(zhǔn)流程如下。

a.在校準(zhǔn)時(shí)把校準(zhǔn)架放到設(shè)備的浮盤上（測(cè)量時(shí)車輛輪胎支點(diǎn)），觀察水平氣泡狀態(tài)，若氣泡不水平，需要對(duì)調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行調(diào)解，確保4 個(gè)浮盤處于同一水平面。

圖6 靜態(tài)校準(zhǔn)架

b.進(jìn)入校準(zhǔn)模式，觀察激光束是否經(jīng)過校準(zhǔn)板的透孔，確保激光束安裝角度正確。

c.確認(rèn)后設(shè)備會(huì)計(jì)算出校準(zhǔn)架的前束值和外傾值。

d.對(duì)比測(cè)量結(jié)果和校準(zhǔn)架的已知標(biāo)準(zhǔn)值，若測(cè)量結(jié)果超出偏差范圍，輸入標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。

設(shè)備校準(zhǔn)后，要進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，機(jī)構(gòu)能力指數(shù)值大于1.67 合格。若設(shè)備靜態(tài)重復(fù)性不合格，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)性檢查，如檢查水平度，檢查浮盤、激光器角度等等,直到校準(zhǔn)合格方能投入使用[5]。

為保證設(shè)備精度,必須定期進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定。影響設(shè)備穩(wěn)定的因素很多，例如設(shè)備框架的微量變形、地面下沉導(dǎo)致的水平度變化、激光器震動(dòng)帶來的位置偏移、方向盤水平儀精度下降、外界條件變化帶來的測(cè)量精度變化及系統(tǒng)偏移，為了減小偏差，推薦至少1 周對(duì)每個(gè)設(shè)備測(cè)量、標(biāo)定1 次。若設(shè)備使用年限大于5 年，狀態(tài)不穩(wěn)定,建議每天進(jìn)行校準(zhǔn)。若在對(duì)設(shè)備的校準(zhǔn)過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備明顯超出常規(guī)的偏差，有必要根據(jù)實(shí)際情況把此設(shè)備在上次標(biāo)定合格后測(cè)量過的車輛召回重新測(cè)量，避免由于設(shè)備問題把一些不合格的車輛視為合格車輛投放到市場(chǎng)。用于標(biāo)定的設(shè)備平時(shí)要按要求存放，防止由于外力、溫度、環(huán)境的原因?qū)е伦冃?。此外，要每半年或一年?duì)標(biāo)定設(shè)備（四輪定位樣架、方向盤水平儀校準(zhǔn)架）的基準(zhǔn)值進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量，防止由于標(biāo)定架自身變形導(dǎo)致設(shè)備失真。

軟交換主要是通過將呼叫控制價(jià)功能與媒體網(wǎng)關(guān)分離開來，實(shí)現(xiàn)對(duì)電話交換網(wǎng)與IP電話有效溝通的交換技術(shù)，結(jié)合軟交換技術(shù)的應(yīng)用可以通過合理使用分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的信息傳送能力，促進(jìn)呼叫控制功能、業(yè)務(wù)功能以及媒體承載功能的分離。從廣義上講，軟交換泛指一種特殊的體系結(jié)構(gòu)，涉及到邊緣接入層、核心交換層、網(wǎng)絡(luò)控制層和業(yè)務(wù)管理層幾個(gè)方面，是下一代交換組網(wǎng)構(gòu)成元素中較為重要的組成部分，在實(shí)際應(yīng)用方面可以促進(jìn)新老網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展。將軟交換作為核心構(gòu)建下一代交換組網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)。

3.3 檢測(cè)流程

正常的四輪定位要在車輛電器檢查完畢,門蓋匹配合格后進(jìn)行，流程如下。

a.車輛駛?cè)霗z測(cè)站。

b.放上方向盤水平儀，車輛對(duì)中，確定車輛具體位置。

c.車型識(shí)別，確定檢測(cè)參數(shù)。

d.測(cè)量出4個(gè)輪胎的初始值并顯示在顯示屏上。

e.操作者走到操作平臺(tái)上，若后軸前束及外傾不合格，進(jìn)行不合格內(nèi)容的調(diào)整，調(diào)整完畢后擰緊固定螺栓，防止變動(dòng)。

f.后橋合格后進(jìn)行前橋前束及外傾的調(diào)整。調(diào)整完畢后擰勁固定螺栓，防止變動(dòng)。

g.前橋及后橋調(diào)整過程中激光器及方向盤水平儀始終處于工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)進(jìn)行前束及外傾的測(cè)量。方向盤水平儀實(shí)時(shí)傳遞方向盤角度，進(jìn)行角度修正。

h.檢測(cè)完畢，操作者離開調(diào)整平臺(tái)，車輛駛出檢測(cè)站。

需要注意的是，在進(jìn)行轉(zhuǎn)向橫拉桿固定螺栓擰緊時(shí)，需要使用反向擰緊扳手固定橫拉桿，避免由于橫拉桿的扭動(dòng)損壞或?qū)е虑笆底兓Ｔ谡{(diào)整過程中方向盤角度變化大時(shí)，要及時(shí)提醒操作者進(jìn)行方向盤角度修正。

3.4 四輪定位效果保障方法

四輪定位的效果不僅僅取決于四輪定位設(shè)備的精度，還和四輪定位的工藝順序，車輛調(diào)整前狀態(tài)都有關(guān)。

3.4.1 保證四輪定位精度的必要條件

四輪定位目的是保障用戶用車時(shí)的前束、外傾值合理、正確。所以在四輪定位前要確保車輛各個(gè)部件裝配完畢，四輪輪胎的胎壓和建議的用戶正常行駛胎壓一致。若胎壓不一致，要通過試驗(yàn)測(cè)量由于胎壓變化帶來的理論值的變化,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

其次，方向盤的安裝位置和轉(zhuǎn)向橫拉桿位置對(duì)車輛穩(wěn)定性影響較大。各個(gè)生產(chǎn)線務(wù)必保證方向盤安裝、對(duì)中的準(zhǔn)確性，若方向盤安裝沒有對(duì)中，通過前束調(diào)整來達(dá)到四輪定位理論值的話，會(huì)導(dǎo)致左右橫拉桿長(zhǎng)度偏差大，影響方向盤左右兩側(cè)旋轉(zhuǎn)的極限角度。通常情況下,四輪定位調(diào)整后,方向盤從中間位置向左旋轉(zhuǎn)到極限的角度與從中間位置向右旋轉(zhuǎn)到極限的角度的差值應(yīng)該小于14°，否則會(huì)導(dǎo)致車輛前束不穩(wěn)定,同時(shí)會(huì)影響車輛轉(zhuǎn)向感受。

新車剛下線時(shí)，由于車輛剛剛安裝完畢，很多新的零件剛進(jìn)行螺栓擰緊和重物壓緊，會(huì)存在鋼性零件的應(yīng)力。正常情況下的應(yīng)力釋放時(shí)間較長(zhǎng)，在四輪定位調(diào)整后的應(yīng)力釋放也會(huì)對(duì)調(diào)整精度產(chǎn)生影響。為保證調(diào)整準(zhǔn)確，需要在四輪定位前安裝交叉的高度為5～8 cm 的顛簸架。車輛行駛在顛簸架上后會(huì)上下左右晃動(dòng)，充分釋放應(yīng)力。

要通過批量工藝保證前后橋的直線度。若前后橋零件扭曲，直線度不合格或底盤結(jié)合時(shí)不準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致左右輪心不在1 條直線上，如左側(cè)前后輪距和右側(cè)前后輪距不一致，左側(cè)輪心高度和右側(cè)輪心高度不一致。在此情況下繼續(xù)按照默認(rèn)的四輪定位參數(shù)調(diào)整的話，即使調(diào)整合格，也難以保證車輛質(zhì)量。

考慮到生產(chǎn)節(jié)拍和人工成本，整車廠要和前后橋供應(yīng)商形成閉環(huán)控制。整車廠要及時(shí)把四輪定位前的前束、外傾值統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)給前后橋供應(yīng)商，指導(dǎo)他們對(duì)前后橋進(jìn)行預(yù)調(diào)，確保整車四輪定位檢查時(shí)的首次合格率并減少不合格車的調(diào)整時(shí)間。

3.4.2 注意事項(xiàng)

批量生產(chǎn)過程中，難免會(huì)有一些車輛下線后存在一些問題，需要進(jìn)行返工。由于車身質(zhì)量分配、輪胎氣壓、方向盤角度等對(duì)四輪定位影響比較大，所以在進(jìn)行這些相關(guān)的返修后，建議重新進(jìn)行四輪定位調(diào)整。為節(jié)省工時(shí)，保證質(zhì)量，建議從工藝安排上進(jìn)行控制，規(guī)定進(jìn)行輪胎更換、方向盤相關(guān)部件返修（如方向盤轉(zhuǎn)向柱打號(hào)、方向盤更換等）、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等相關(guān)部件返修完畢后才能進(jìn)行四輪定位調(diào)整。

四輪定位設(shè)備使用中要注意設(shè)備的保養(yǎng)。車輛駕駛到設(shè)備上時(shí)，建議行駛速度不超過5 km/h。否則會(huì)存在安全隱患且會(huì)傷害對(duì)中浮盤。

為保證激光測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性，要避免太陽(yáng)光直射到待測(cè)量車輛的輪胎表面。如在測(cè)量常規(guī)車型時(shí)若出現(xiàn)激光測(cè)量系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，通常要查看是否有光線干擾或輪胎表面是否有異常。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)闡述了四輪定位原理及批量生產(chǎn)中的四輪定位設(shè)備的組成架構(gòu)及調(diào)整流程。結(jié)合批量生產(chǎn)工藝對(duì)設(shè)備精度要求，講解了設(shè)備校準(zhǔn)流程及進(jìn)行四輪定位的必要條件和注意事項(xiàng)。通過這些措施能有效保證批量生產(chǎn)中的四輪定位精度，滿足用戶對(duì)汽車舒適性、安全性要求日益提高帶來的四輪定位精度要求提升。

隨著大數(shù)據(jù)和智能制造概念的深入發(fā)展，汽車廠已經(jīng)開始利用調(diào)整前的四輪前束、外傾測(cè)量值的大數(shù)據(jù)分析來指導(dǎo)外協(xié)件的生產(chǎn)，檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)并預(yù)測(cè)設(shè)備可能的故障用于指導(dǎo)進(jìn)行預(yù)見性維修。