四輪定位儀的檢測工作原理及結(jié)構(gòu)

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1、四輪定位儀的檢測工作原理及結(jié)構(gòu)目前常用的定位儀有拉線式、光學(xué)式、電腦拉線式和電腦激光式四種，它們的測量原理是一致的，只有采用的測量方法（或使用的傳感器的類型）及數(shù)據(jù)記錄與傳輸?shù)姆绞讲煌@里僅介紹四輪定位儀可測量的幾個重要檢測項(xiàng)目的測量原理。 1：車輪前束和推力角的測量原理 在下來前束時，必須保證車體擺正且方向盤位于中間位置，為了提供車輪前束值（或前束角）的測量精度，無論是拉線式、光學(xué)式還是電腦式的四輪定位儀，在檢測車輪前束之前，常通過拉線或光線照射或反射的方式形成一封閉的直角四邊形如圖1所示。將待檢車輛置于此四邊形中，通過安裝在車輪上的光學(xué)鏡面或傳感器不僅可以檢測前輪前束、后輪前束，還可以檢

2、測出左右車輪的同軸度（即同一車軸上的左右車輪的同軸度）及推力角。因?yàn)樗妮喍ㄎ粌x系統(tǒng)采用的傳感器不同，測量方法亦有所不同，這里僅就光敏三極管式傳感器來說明一下車輪前束的測量原理。 圖1光敏三極管為近紅外線接收管，是一種光電變換器件，它的結(jié)構(gòu)與外形如圖2所示。其工作狀態(tài)為：不加電壓，利用PN接在受光射時產(chǎn)生正向電壓的原理，把它作為微笑光電池。在光敏三極管后面接一些用于接收信號的元件，以便及時對光敏三極管上所獲得的信號進(jìn)行分析處理。 圖2安裝在兩前輪和兩后輪上的光敏三極管式傳感器均有光線的接收和發(fā)射（或反射）功能，通過它們間的發(fā)射和接收剛好能形成類似于圖2所示的四邊形。在傳感器的受光面上等距離地將光

3、敏三極管排成一排，在不同位置光敏三極管接收到光線照射時，該光敏管產(chǎn)生的電信號就代表了前束角或推力角的大小。下面進(jìn)行具體說：當(dāng)前束為零時，在同一軸左右輪上的傳感器發(fā)射（或反射）出的光束應(yīng)重合。當(dāng)檢測出上述兩條光束相平行但不重合，說明此時左右兩車輪不同軸（即車發(fā)生了錯位），可以依據(jù)此時光敏管輸出偏離量的信息，測量出左右輪的軸距差。 當(dāng)左右輪存在前束時，在左輪傳感器上接收到的光束位置會相對于原來的零點(diǎn)位置有一偏差值（注意正負(fù)號），這一偏差值即表示右側(cè)車輪的前束值（或前束角）；同理，在右傳感器上接收到的光束位置相對于原來零點(diǎn)位置的偏差值則表示左側(cè)車輪前束值（或前束角）。其測量原理的簡單示意圖如圖3所示

4、。 圖3圖4依據(jù)上述檢測原理，同時可以檢測出位于該四邊形內(nèi)的待檢車輛前后軸的平行度（即推力角的大小和方向）,其檢測原理的簡單示意圖如圖4所示。同理，通過安裝在后輪上的傳感器，我們可以檢測出后輪前束值（后輪前束角）的大小和方向。2：主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的測量原理 車輪外傾角、主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角這三個測量參數(shù)的測量都是關(guān)于角度的測量，除了光學(xué)式四輪定位儀測量車輪外傾角和車輪前束時，采用的不是測量角度的傳感器，其余各種類型的四輪定位儀均是采用測量角度的傳感器，包括車輪前束角都可以用角度傳感器直接或間接測量。 主銷后傾角和注銷內(nèi)傾角不能直接測出，只能用建立在幾何關(guān)系上的間接測量。為了容易理解測量

5、原理，我們不妨先從感性上來認(rèn)識。 以套筒扳手為例，先將扳手桿垂直立于桌面上，扳手接桿與視線垂直并使扳手接桿保持水平，此桿即為轉(zhuǎn)向節(jié)軸（面向車頭看為左前輪軸）。將扳手桿下端向自己面前偏轉(zhuǎn)一個角度，即形成主銷后傾角，然后由此位置繞扳手手柄軸線分別向里、向外各轉(zhuǎn)動角，這時就會發(fā)現(xiàn)扳手接桿繞水平面分別向上、向下偏轉(zhuǎn)了角。 注銷內(nèi)傾角的測量原理，在扳手接桿頭部系上一長接桿，長接桿與扳手接桿垂直。將扳手直立于桌面，使長接桿保持水平位置并與視線垂直，再將扳手柄下端向里偏轉(zhuǎn)一個角度，即形成注銷內(nèi)傾角（相當(dāng)于從左前輪外側(cè)看），然后由此位置繞扳手手柄軸線分別向左、向右各轉(zhuǎn)角，這時又會發(fā)現(xiàn)接桿分別沿逆時針、順時針方

6、向轉(zhuǎn)動了角。 （一）主銷后傾角的測量原理 以左前輪為例，當(dāng)車輪向左右各轉(zhuǎn)動20，ZO為主銷軸線，OB為轉(zhuǎn)向節(jié)車輪軸線，四邊形DEFG表示水平面，四邊形HIJK相對于平面的夾角為主銷后傾角。LMNP平面是與主銷垂直相交的平面，該平面是HIJK平面以ST為軸轉(zhuǎn)動角（主銷內(nèi)傾角）形成的，OD為車輪向左轉(zhuǎn)動20時轉(zhuǎn)向節(jié)軸平面的方向。線段LD、AB、AB、A”B”、MI、FN和KP均是水平面DEFG上的鉛垂線。 上式表明為一特定角度時，主銷后傾角測量角存在唯一確定關(guān)系。通常規(guī)定轉(zhuǎn)角為20，2sin0.68404，故有： （1）即主銷后傾角為實(shí)際測量角度的1.461倍。這樣，用1.461倍的關(guān)系標(biāo)定儀器，

7、就可直接讀主銷后傾角。 （二）主銷內(nèi)傾角的測量原理 仍以左前輪為例，當(dāng)車輪向左右轉(zhuǎn)動時，ZO為主銷軸線，OC為轉(zhuǎn)向節(jié)軸線方向，OE為與車輪平面平行且水平的線段。同（1）所述，四邊形DEFG表示水平面，四邊形HIJK相對于水平面的夾角為主銷后傾角。四邊形LMNP為與主銷垂直相交的平面，該平面是HIJK平面以ST為軸轉(zhuǎn)動角（主銷內(nèi)傾角）形成的，OE是車輪向右轉(zhuǎn)動20，垂直于轉(zhuǎn)向節(jié)軸線且在水平面內(nèi)的線段，OF是車輪向左轉(zhuǎn)動20時，垂直于轉(zhuǎn)向節(jié)軸線且在水平面的線段。由主銷內(nèi)傾角的測量計算圖得（推導(dǎo)工程略）： 上式表明當(dāng)為一特定角度時，主銷內(nèi)傾角與測量角存在唯一確定關(guān)系。通常規(guī)定轉(zhuǎn)角為20，2sin0.

8、68404，故有： （2）即主銷內(nèi)傾角為實(shí)際測量角度的1.461倍，這樣，用1.461倍的關(guān)系標(biāo)定儀器，就可以直接讀主銷內(nèi)傾角。 經(jīng)過上述兩部分的分析推導(dǎo)，了解了主銷后傾角、注銷內(nèi)傾角的測量原理。但必須指出，在上述兩部分推導(dǎo)工程中提及的、為車輪向右轉(zhuǎn)動20時，傳感器所測得的實(shí)際角度值；、為車輪左轉(zhuǎn)動20時傳感器所測得的角度值。在實(shí)際測量中，只要按照公式（1）、（2）換算即可?，F(xiàn)常見的四輪定位儀在出廠前就已用上述兩式對儀表進(jìn)行了標(biāo)定，因此，可直接讀主銷傾角實(shí)際測量值。雖然四輪定位儀的類型有所不同，但它們測量主銷傾角的原理是相同的，所不同的僅僅是它們各自采用的測量角度的傳感器不同而已，為了便于理解

9、四輪定位儀的測試過程檢測方法，下面簡單介紹幾種常見的測量角度的傳感器： （1）光電編碼器，基本上可以分為兩大類：圓光柵編碼器和絕對式編碼器。它們的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊、信號質(zhì)量好、穩(wěn)定可靠和抗干擾能力強(qiáng)。 （2）光電電位器式角度傳感器，沒有金屬絲電刷造成的摩擦力矩，其優(yōu)點(diǎn)是：分辨率高、壽命長、掃描速度快。缺點(diǎn)是：輸出電阻大、輸出信號要經(jīng)過阻抗匹配變換器。 另外用于測量角度的傳感器還有電感式傾斜傳感器、小型雙軸斜度傳感器和電位式傳感器。 3：轉(zhuǎn)向20時前張角的測量原理 汽車使用時，由于前輪的碰撞沖擊、長期在不平的路面上行駛和經(jīng)常采用緊急剎車，對車輛的沖擊作用都可能引起轉(zhuǎn)向梯形的變形。因此會造成汽車在

10、轉(zhuǎn)向行駛工程中前輪異常磨損，操縱性變差并間接影響汽車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。 為了檢測汽車的轉(zhuǎn)向梯形臂與各連桿是否發(fā)生變形，在四輪定位儀中均設(shè)置了轉(zhuǎn)向20時，前張角的檢測項(xiàng)目。其測量方法為：讓被檢車輛前輪停在轉(zhuǎn)盤中心出，右輪沿直線行駛方向向右轉(zhuǎn)20時進(jìn)行測量；左輪沿直線行駛方向左轉(zhuǎn)動20時進(jìn)行測量（該轉(zhuǎn)向角可直接從轉(zhuǎn)盤上的刻度讀出）。具體作法如下： 右前輪向右轉(zhuǎn)20，讀取左前輪下的轉(zhuǎn)盤上的刻度X，則20-X即為所要檢測的轉(zhuǎn)向20時的前張角。 一般汽車在出廠時都已給出20-X的合格范圍，將測量值與出廠值進(jìn)行比較即可檢測出車輛的轉(zhuǎn)向梯形臂與各連桿是否發(fā)生了變形，如果超出標(biāo)準(zhǔn)值或左右轉(zhuǎn)向前張角部一致，

11、則說明該車的轉(zhuǎn)向梯形臂和各連桿已發(fā)生了變形，需要進(jìn)行校正、調(diào)整或更換梯形臂和各連桿。汽車四輪定位儀的組成原理和零件部件工作原理 四輪定位儀涉及了機(jī)械、光學(xué)、電子、計算機(jī)軟件、數(shù)學(xué)模型等多項(xiàng)領(lǐng)域的知識，從構(gòu)成來看，四輪定位儀主要由上位機(jī)和下位機(jī)組成。上位機(jī)包括箱體、電腦主機(jī)、顯示器、打印機(jī)、軟件、通訊系統(tǒng)。下位機(jī)由測量傳感器、夾具、轉(zhuǎn)角盤組成。 箱體：位于四輪定位儀前方，里面有計算機(jī)、打印機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)以及夾具傳感器或夾具反像板等。 電腦主機(jī)：它是運(yùn)行主程序的載體，可以是電腦市場的組裝機(jī)、品牌機(jī)、商用機(jī)。 軟件：即所用的操作系統(tǒng)和四輪定位儀應(yīng)用程序，與電腦主機(jī)共同決定了可視性、操作性、功

12、能穩(wěn)定性、測量速度等因素。操作系統(tǒng)可以是windows98、windows2000、windowsXP。 通訊系統(tǒng)：分為有線與無線、藍(lán)牙等方式。使用那種方式?jīng)Q定了使用的方便快捷性。 測量傳感器：它是測量車輛四輪的尺子，決定了整機(jī)的測量精度。也從側(cè)面反映了四輪定位儀的技術(shù)屬性。傳感器由殼體、單片機(jī)主板、傳感元件（液體、光學(xué)或純光學(xué)及CCD）、通訊系統(tǒng)、電池等部分組成。所用元器件多，非常精密，費(fèi)用高。 夾具它是把測量傳感器固定在車輛的輪子上的裝置。四個夾具和測量傳感器有一定的協(xié)調(diào)性，決定了其測量值是否標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確。 目前市場上常見的四輪定位儀的檢測方式主要有：激光、PSD、CCD及3D。 激光是一種平

13、行光束。由于激光都是以平行的直線束輸出的，其束度的測量范圍較窄，無補(bǔ)償且需人工計算推力線，其測量精度低，檢測速度慢。因光大與刻度的關(guān)系，而且激光很容易受外界干擾，因此用激光做光源應(yīng)用于四輪定位儀并不理想。并且激光對人眼視力有一定傷害，得不到安全認(rèn)證。 PSD又稱光電位置傳感器。它的工作原理是：當(dāng)PSD的受光面某一位置存在光照的情況下，其輸出電流會有相應(yīng)變化，從而可以得到光照位置，它是一種模擬器件。它只能測量單一光點(diǎn)。PSD的溫度漂移嚴(yán)重并且受環(huán)境光線的影響。溫度變化可以使其輸出的零位變化幾十毫伏，光線的影響使系統(tǒng)取值不穩(wěn)定，這兩項(xiàng)疊加在一起，便使PSD失去了測量精度和設(shè)備穩(wěn)定性。CCD是一種半

14、導(dǎo)體數(shù)字元器件（又稱光電藕合器件），它分為線陣CCD和面陣CCD兩種。它是在一塊硅面上集成了數(shù)千個各自獨(dú)立的光敏元，當(dāng)激光照射到光敏面上時，受光光敏元將聚集光電子，通過移位的方式，將光量輸出，產(chǎn)生光位置和光強(qiáng)的信息，CCD無溫度系數(shù)、使用壽命長具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力等特點(diǎn)?，F(xiàn)在國內(nèi)大多使用此CCD測量傳感器，但這種傳感器具有機(jī)械加工精度高，電子元器件的維護(hù)，使用時要求小心怕碰，并在一定時間要做次校正。制造成本及配件價格高。 3D（三維）測量方式是采用數(shù)字圖像識別技術(shù)，用數(shù)字CCD相機(jī)采集裝在車輪采像板上的圖像信息，以測量出車輪的相對數(shù)值，通過前后移動車輛，由CCD攝像頭同時采集采像板信息，電腦

15、計算出其坐標(biāo)和角度，通過軟件三維重建，就能實(shí)時顯示四輪的三維狀態(tài)。這是一種相當(dāng)先進(jìn)的測量方式，利用圖像識別技術(shù)，無需校正，具有測量精度高，無誤差，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)（相對四輪定位儀，三維重建技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在醫(yī)療、工業(yè)、公安、軍事已經(jīng)非常普及）。并且制造成本非常低，僅有兩個（四個，一輪對應(yīng)一個）CCD攝像頭和四個采像板（成本配件價格低無電子元器件）和夾具。軟件也具有非常的開發(fā)優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)三維重建，動畫調(diào)整，四輪結(jié)構(gòu)顯示，輪胎直徑，實(shí)時三維測量數(shù)據(jù)，板金車身測量，照相等功能?？梢耘c電腦檢測儀，車輪平衡機(jī)，發(fā)動機(jī)分析儀，車身校正儀等測量儀器通過藍(lán)牙結(jié)合在一臺主機(jī)上。這是今后發(fā)展方向，通過軟件可以實(shí)

16、現(xiàn)更多四輪定位儀的賣點(diǎn)。 從生產(chǎn)成本上，3D的售價比CCD的應(yīng)還要低，因3D的成本只用兩個數(shù)字CCD，采像板無電子元器件，無需維護(hù)。而CCD四輪定位儀用了四個或八個CCD傳感器，CCD測量傳感器還有單片機(jī)、無線藍(lán)牙通訊系統(tǒng)、電池等電子元器件故障率高，壽命短。3D四輪定位儀即使使用高像素CCD（專業(yè)數(shù)字CCD）+專業(yè)采集卡和高密集采像板提高測量精度，只是相對軟件計算量加大,成本增加。但普通數(shù)字CCD（工業(yè)數(shù)字CCD）用在四輪定位儀已經(jīng)足夠（CCD四輪定位儀測量精度的10倍以上），成本低廉。要說軟件開發(fā)成本大，可以與各大CCD和采集卡廠家合作，他們是圖像計算處理專家，有自己的軟件工程師幫您設(shè)計。合

17、作開發(fā)自己維護(hù)，投入市場快，開發(fā)成本低。 就現(xiàn)在市場，還都是CCD四輪定位儀與其他四輪定位儀，市場巨大。一旦3D四輪定位儀占有市場，價格低廉，3D四輪定位儀將是一個重新中國的市場。 四輪定位的意義 汽車懸吊系統(tǒng)主要的定位角度包括了：外傾角(Camber)，后傾角(Castor)，束角(Toe)，內(nèi)傾角(K.P.I.)，轉(zhuǎn)向時的前展(Toe-out on Turn)等。其意義分述如下： 1.外傾角(Camber) 定義為由車前方看輪胎中心線與垂直線所成的角度，向外為正，向內(nèi)為負(fù)。其角度的不同能改變輪胎與地面的接觸點(diǎn)及施力點(diǎn)，直接影響輪胎的抓地力及磨耗狀況。并改變了車重在車軸上的受力分布，避免軸承

18、產(chǎn)生異常磨損。此外，外傾角的存在可用來抵消車身荷重后，懸吊系統(tǒng)機(jī)件變形及活動面間隙所產(chǎn)生的角度變化。外傾角的存在也會影響車子的行進(jìn)方向，這正如摩托車可利用傾斜車身來轉(zhuǎn)彎，因此左右輪的外傾角必須相等，在力的平衡下不致影想車子的直進(jìn)性，再與束角(Toe)配合，提高直進(jìn)穩(wěn)定性及避免輪胎耗不均。增加負(fù)的外傾角需配合增加Toe-out；增加正的外傾角則需配合增加Toe-in。 2.內(nèi)傾角(K.P.I.) 定義為轉(zhuǎn)向軸中心線與垂直線所成的角度。有了內(nèi)傾角可使車重平均分布在軸承之上，保護(hù)軸承不易受損，并使轉(zhuǎn)向力平均，轉(zhuǎn)向輕盈。反之，若內(nèi)傾角為0，則車重和地面的反作用力會在車軸產(chǎn)生很大的橫向切應(yīng)力，易使車軸受

19、損，轉(zhuǎn)向也會變得沉重?zé)o比。此外，內(nèi)傾角也是前輪轉(zhuǎn)向后回正力的來源。內(nèi)傾角在車輛懸吊設(shè)計之初就已設(shè)定好，通常是不可調(diào)整的。 3.束角(Toe) 定義為由上方看左右兩個輪胎所成的角度，向內(nèi)為Toe-in，向外為Toe-out。束角的功用在于補(bǔ)償輪胎因外傾角及路面阻力所導(dǎo)致向內(nèi)或向外滾動的趨勢，確保車子的直進(jìn)性。Toe-in會造成轉(zhuǎn)向不足，Toe-out則會增大轉(zhuǎn)向過度的趨勢。 4.后傾角(Caster) 定義為由車側(cè)看轉(zhuǎn)向軸中心線與垂直線所成的夾角，向前為負(fù)，向后為正。后傾角的存在可使轉(zhuǎn)向軸線與路面的交會點(diǎn)在輪胎接地點(diǎn)的前方，可利用路面對輪胎的阻力讓車子保持直進(jìn)，其原理就如購物推車的前輪會自動轉(zhuǎn)至

20、你施力的方向并保持直進(jìn)一般。后傾角越大車子的直進(jìn)性越好，轉(zhuǎn)向后方向盤的回復(fù)性也越好，但卻會使轉(zhuǎn)向變得沈重。一般車子的后傾角大約在12度之間。 5.轉(zhuǎn)向時前展(Toe-out on Turn) 定義為轉(zhuǎn)向時兩前輪轉(zhuǎn)向角度之差。過彎時彎內(nèi)輪所轉(zhuǎn)的角度通常大于彎外輪，相差在2度左右，其目的是在過彎時使車子能以后軸延伸線的瞬時中心為圓心順利過彎。此外當(dāng)彎內(nèi)輪轉(zhuǎn)角較大時，阻力也較大，阻力的不同可使車子偏向阻力大的一方使轉(zhuǎn)向容易(請想像坦克車的轉(zhuǎn)彎方式）。 Off-set Off-set定義為輪圈的接合面(Mounting Surface)和輪圈中心(Center of Rim)的距離，往外側(cè)方向的為正(

21、Positive Offset)，往輪圈內(nèi)側(cè)的為負(fù)(Negative Offset)。改變輪圈的Offset會改變車子的輪距，而輪距是指輪胎中心線間的距離，因此若只是單純的加大輪圈和輪胎而不改變Off-set，對輪距并不造成影響。 改變Off-set的影響 若改用正的Off-set值較小的輪圈會將輪距加寬，如此可減少過彎時車身重心的轉(zhuǎn)移，提高車子的過彎速度極限。但相對的也因?yàn)榧哟罅宿D(zhuǎn)向軸中心與輪胎中心的距離，使得轉(zhuǎn)向變得困難且使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)負(fù)荷加重，造成方向機(jī)連桿的變形量加大，因此必須適度的增加Toe-in來修正。不過這都是不正常的方式，所以應(yīng)該盡可能使前輪的Off-set接近原來的Off-set

22、值。 對后輪來說，改用較大的輪圈時，若不改變Off-set常會遇到輪胎內(nèi)側(cè)碰到懸吊機(jī)構(gòu)的問題，因此在不會磨到輪拱的情況下，使用正Off-set值較小的輪圈倒是有好處的。但需注意的是對后輪為獨(dú)立懸吊的車來說，如此的改變在加速及剎車時會加大后輪Toe的變化量，這對一般街車尚無影響，但對賽車來說卻是個大問題。 我們以BMW的系列(E34)為例來看看加大輪圈時Off-set應(yīng)如何改變。起初原廠提供的鐵圈為15*7J、Off-set 47，鋁圈則為15*6J、Off-set 36；改用17吋鋁圈時，原廠提供的是17*7.5J、Off-set 35，Racing-Dydamic提供的是前輪17*8.5J、Off-set 18，后輪17*9J、Off-set 13，HARTGE提供的是前輪17*8.5J、后輪17*9J，Off-set則皆為18。 改變Off-set也會影響軸承的負(fù)荷，一般的車輛Off-set的設(shè)計都是以直行時最低的軸承負(fù)荷為目標(biāo)，使用正Off-set值較小的輪圈雖會稍微增大車子直行時軸承的負(fù)荷（Off-set變化在50mm以內(nèi)都不必過分憂慮軸承負(fù)荷的問題），但卻可使過彎時的負(fù)荷減低。