四輪定位儀及其在汽修廠的應用

文/江蘇 高惠民 北京 袁偉

現代汽車的操縱穩定性直接影響了汽車的安全行駛性能、轉向性能和制動性能，其中一項重要的技術指標就是四輪定位參數。汽車出廠時都設置有合理的四輪定位角度，這樣才能保證車輛安全穩定地行駛。但是，汽車在使用過程中懸架及轉向系元件的磨損、變形、損壞等，會使汽車四輪定位參數發生變化而失準，進而導致車輛操縱穩定性的下降，當出現以下情況時，就有必要對四輪定位的角度進行檢測與校正。

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蛇行、漂浮和晃動。

⑤車輛轉向時出現異常手感。

⑥車輛行駛時過度顛簸與沖擊。

⑦車輛更換懸架或轉向系統更換新零件后。

⑧車輛發生碰撞事故進行維修后。

一、四輪定位的概念

四輪定位是立體幾何學在工程實踐中的應用，它整合了轉向節、懸架、車橋和車輪構件之間的所有幾何參數，包括車輪外傾角、車輪前束角、主銷內傾角、主銷后傾角、推力角等(定義和功能如表1所示)，使汽車在各種復雜道路上行駛或轉向時，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的關系

汽車四輪定位參數是汽車操縱穩定性的關鍵參數，一旦四輪定位參數與標準值發生變化，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、四輪定位檢測技術與四輪定位儀

1.四輪定位參數的檢測方法

四輪定位參數的檢測一般有動態檢測和靜態檢測兩種檢測方法。

(1)動態檢測

動態檢測在側滑試驗臺上完成。檢測過程中車輛以一定的車速行進并通過檢測設備，測量出車輪產生的側向力或由側向力所引起的側滑量，以確定車輪定位參數。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整關系是否合理，不能確定車輪的定位參數是否在車輛出廠時的規定范圍內，因此其不能滿足轎車完全車輪定位的要求。

(2)靜態檢測

靜態檢測就是通過車輪定位儀檢測。汽車在靜止的狀態下，用定位儀確定車輪的定位參數值及其相互關系，尤其是現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立的懸架系統，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狀況，車輛的后輪定位參數也必須予以調整，這就需要四輪定位技術。

2.四輪定位技術的發展過程

四輪定位技術發展經歷了三個階段。

(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，對于現代采用獨立懸架的乘用車而言，其缺點是忽略了后輪定位參數的變化。當后輪定位不準確時，車輛幾何中心線與其推力線形成一定的夾角，就會導致車輛跑偏、轉向偏離、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，即首先作單獨后輪定位，檢測出兩個后輪的單獨前束，調節好后輪前束，使推力角為0°(實際操作中在士0.25°范圍內)，這樣調節后的推力線應與車輛幾何中心線重合。前輪前束調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計成獨立懸架式，可以獨立調整后輪前束，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狀況下運行。

3.主流四輪定位儀的種類

現代計算機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要求的不斷提高，定位儀測量傳感器的運用技術也在不斷更新，目前市場上廣泛采用的是集機械、光學、電子、計算機技術為一體的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據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)電荷耦合半導體器件分別感應與其相對的測量探頭上的紅外發射管的光線坐標，光線照射到CCD像敏單元上產生信號電荷，信號電荷經有線傳輸或無線發射器傳輸到機柜，再經工控機中的COM口傳輸到電腦主機上，進行運算與處理。由于測量探頭上的CCD傳感器反映了其自身與相對應的測量探頭上的紅外發射管的相互位置關系，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個輪輞的相互關系，從而確定車輪的定位參數。 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行輪惘補償作業，增加了定位作業操作的復雜性。

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數碼影像四輪定位儀的簡稱，其采用世界上最先進的完全四輪定位技術，如圖6所示是采用美國亨特技術生產的國產品牌YH3D-6002動態四輪定位儀。四個目標反光板安裝在車輛的4個輪輞上，滾動車輪，由攝像機對目標反光板上的幾何圖形進行連續拍攝。通過計算機對幾何圖形的變化進行分析運算，得出車輪及底盤等的相應定位參數，再由顯示屏進行顯示。該技術主要采用物理透視學的基本原理與計算機信息處理技術，其具有以下優勢。

①精度更高，功能更強大。其精度可以精準到0.1mm/0.01°。功能除可實現所有傳統參數外，還可測出輪偏等距離參數。

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測量。

③故障率低。目標反光板僅起圖像反光作用，所以無需電池供電及數據傳輸。目標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。高端配置的計算機用于超大數據處理，性能更穩定。兩個高精度數碼相機安裝在高處，連續不斷地監控每個車輪上的目標反光板，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反光板作為參考平面。固定參考平面以舉升機平面作為參考平面。

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

⑥便于使用。視野范圍寬廣，車輛可舉升到便于調整作業的高度。

四、四輪定位故障案例分析

1.故障現象

2010年生產的豐田銳志，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，發現方向盤不能及時回位到中間位置，車輛繼續向右偏行。考慮到此車裝備了電動方向機，用診斷儀進行方向機扭矩校正，但故障現象依然存在。將車輛舉升，檢查輪胎氣壓正常，輪胎也無嚴重磨損，前懸架與車身、方向機連接構件無松動，但發現右側車輪鋼圈上有撞擊的痕跡。因此，用YH3D-6002四輪定位儀檢測，定位數據如表4所示。

從四輪定位數據發現右側的主銷后傾角明顯小于標準值，繼續檢查右前的懸架構件，發現右前懸架下叉臂與轉向節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，導致右側主銷后傾角變小，于是更換右前懸架下叉臂，再做四輪定位。結果主銷外傾角恢復至標準值范圍內(主銷后傾角：左側為7°11′、右側為6°40′)，并且將前輪前束調整到左側為0.5mm，右側為0.4mm，總前束為0.9mm。路試車輛，結果方向盤向左、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據

3.維修總結

豐田銳志前懸架采用的是上下不等長的雙叉臂懸架結構，這種前懸架在車輛上下運動時能自動調節車輪的外傾角度，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的主銷后傾角變小，導致方向盤向右打到底后不能自動回位。汽車轉向輪回正主要依靠主銷后傾拖距的作用，設計主銷后傾角轉向主銷延長線與路面的交點就在輪胎路面接觸區中心點的前方。因此，車輪是從前方被拉著前進，這個拉力減小了車輪的干擾力，從而使車輛能保持直線穩定行駛。在直行過程中，當車輪由于轉向或干擾而偏轉時，就會產生側向力(F2和F'2)。由于主銷后傾拖距，這些側向力具有圍繞轉向主銷軸線的旋轉力的作用，這些旋轉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，轉向輪回正力矩也相應變小，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。