四轮定位仪的检测工作原理及结构

四轮定位仪的检测工作原理及结构目前常用的定位仪有拉线式、光学式、电脑拉线式和电脑激光式四种，它们的测量原理是一致的，只有采用的测量方法（或使用的传感器的类型）及数据记录与传输的方式不同，这里仅介绍四轮定位仪可测量的几个重要检测项目的测量原理。 1：车轮前束和推力角的测量原理 在下来前束时，必须保证车体摆正且方向盘位于中间位置，为了提供车轮前束值（或前束角）的测量精度，无论是拉线式、光学式还是电脑式的四轮定位仪，在检测车轮前束之前，常通过拉线或光线照射或反射的方式形成一封闭的直角四边形如图1所示。将待检车辆置于此四边形中，通过安装在车轮上的光学镜面或传感器不仅可以检测前轮前束、后轮前束，还可以检测出左右车轮的同轴度（即同一车轴上的左右车轮的同轴度）及推力角。因为四轮定位仪系统采用的传感器不同，测量方法亦有所不同，这里仅就光敏三极管式传感器来说明一下车轮前束的测量原理。 图1光敏三极管为近红外线接收管，是一种光电变换器件，它的结构与外形如图2所示。其工作状态为：不加电压，利用PN接在受光射时产生正向电压的原理，把它作为微笑光电池。在光敏三极管后面接一些用于接收信号的元件，以便及时对光敏三极管上所获得的信号进行分析处理。 图2安装在两前轮和两后轮上的光敏三极管式传感器均有光线的接收和发射（或反射）功能，通过它们间的发射和接收刚好能形成类似于图2所示的四边形。在传感器的受光面上等距离地将光敏三极管排成一排，在不同位置光敏三极管接收到光线照射时，该光敏管产生的电信号就代表了前束角或推力角的大小。下面进行具体说：当前束为零时，在同一轴左右轮上的传感器发射（或反射）出的光束应重合。当检测出上述两条光束相平行但不重合，说明此时左右两车轮不同轴（即车发生了错位），可以依据此时光敏管输出偏离量的信息，测量出左右轮的轴距差。 当左右轮存在前束时，在左轮传感器上接收到的光束位置会相对于原来的零点位置有一偏差值（注意正负号），这一偏差值即表示右侧车轮的前束值（或前束角）；同理，在右传感器上接收到的光束位置相对于原来零点位置的偏差值则表示左侧车轮前束值（或前束角）。其测量原理的简单示意图如图3所示。 图3图4依据上述检测原理，同时可以检测出位于该四边形内的待检车辆前后轴的平行度（即推力角的大小和方向）,其检测原理的简单示意图如图4所示。同理，通过安装在后轮上的传感器，我们可以检测出后轮前束值（后轮前束角）的大小和方向。2：主销后倾角和主销内倾角的测量原理 车轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角这三个测量参数的测量都是关于角度的测量，除了光学式四轮定位仪测量车轮外倾角和车轮前束时，采用的不是测量角度的传感器，其余各种类型的四轮定位仪均是采用测量角度的传感器，包括车轮前束角都可以用角度传感器直接或间接测量。 主销后倾角和注销内倾角不能直接测出，只能用建立在几何关系上的间接测量。为了容易理解测量原理，我们不妨先从感性上来认识。 以套筒扳手为例，先将扳手杆垂直立于桌面上，扳手接杆与视线垂直并使扳手接杆保持水平，此杆即为转向节轴（面向车头看为左前轮轴）。将扳手杆下端向自己面前偏转一个角度，即形成主销后倾角，然后由此位置绕扳手手柄轴线分别向里、向外各转动角，这时就会发现扳手接杆绕水平面分别向上、向下偏转了角。 注销内倾角的测量原理，在扳手接杆头部系上一长接杆，长接杆与扳手接杆垂直。将扳手直立于桌面，使长接杆保持水平位置并与视线垂直，再将扳手柄下端向里偏转一个角度，即形成注销内倾角（相当于从左前轮外侧看），然后由此位置绕扳手手柄轴线分别向左、向右各转角，这时又会发现接杆分别沿逆时针、顺时针方向转动了角。 （一）主销后倾角的测量原理 以左前轮为例，当车轮向左右各转动20，ZO为主销轴线，OB为转向节车轮轴线，四边形DEFG表示水平面，四边形HIJK相对于平面的夹角为主销后倾角。LMNP平面是与主销垂直相交的平面，该平面是HIJK平面以ST为轴转动角（主销内倾角）形成的，OD为车轮向左转动20时转向节轴平面的方向。线段LD、AB、AB、A”B”、MI、FN和KP均是水平面DEFG上的铅垂线。 上式表明为一特定角度时，主销后倾角测量角存在唯一确定关系。通常规定转角为20，2sin0.68404，故有： （1）即主销后倾角为实际测量角度的1.461倍。这样，用1.461倍的关系标定仪器，就可直接读主销后倾角。 （二）主销内倾角的测量原理 仍以左前轮为例，当车轮向左右转动时，ZO为主销轴线，OC为转向节轴线方向，OE为与车轮平面平行且水平的线段。同（1）所述，四边形DEFG表示水平面，四边形HIJK相对于水平面的夹角为主销后倾角。四边形LMNP为与主销垂直相交的平面，该平面是HIJK平面以ST为轴转动角（主销内倾角）形成的，OE是车轮向右转动20，垂直于转向节轴线且在水平面内的线段，OF是车轮向左转动20时，垂直于转向节轴线且在水平面的线段。由主销内倾角的测量计算图得（推导工程略）： 上式表明当为一特定角度时，主销内倾角与测量角存在唯一确定关系。通常规定转角为20，2sin0.68404，故有： （2）即主销内倾角为实际测量角度的1.461倍，这样，用1.461倍的关系标定仪器，就可以直接读主销内倾角。 经过上述两部分的分析推导，了解了主销后倾角、注销内倾角的测量原理。但必须指出，在上述两部分推导工程中提及的、为车轮向右转动20时，传感器所测得的实际角度值；、为车轮左转动20时传感器所测得的角度值。在实际测量中，只要按照公式（1）、（2）换算即可。现常见的四轮定位仪在出厂前就已用上述两式对仪表进行了标定，因此，可直接读主销倾角实际测量值。虽然四轮定位仪的类型有所不同，但它们测量主销倾角的原理是相同的，所不同的仅仅是它们各自采用的测量角度的传感器不同而已，为了便于理解四轮定位仪的测试过程检测方法，下面简单介绍几种常见的测量角度的传感器： （1）光电编码器，基本上可以分为两大类：圆光栅编码器和绝对式编码器。它们的特点是：结构紧凑、信号质量好、稳定可靠和抗干扰能力强。 （2）光电电位器式角度传感器，没有金属丝电刷造成的摩擦力矩，其优点是：分辨率高、寿命长、扫描速度快。缺点是：输出电阻大、输出信号要经过阻抗匹配变换器。 另外用于测量角度的传感器还有电感式倾斜传感器、小型双轴斜度传感器和电位式传感器。 3：转向20时前张角的测量原理 汽车使用时，由于前轮的碰撞冲击、长期在不平的路面上行驶和经常采用紧急刹车，对车辆的冲击作用都可能引起转向梯形的变形。因此会造成汽车在转向行驶工程中前轮异常磨损，操纵性变差并间接影响汽车的动力性和燃油经济性。 为了检测汽车的转向梯形臂与各连杆是否发生变形，在四轮定位仪中均设置了转向20时，前张角的检测项目。其测量方法为：让被检车辆前轮停在转盘中心出，右轮沿直线行驶方向向右转20时进行测量；左轮沿直线行驶方向左转动20时进行测量（该转向角可直接从转盘上的刻度读出）。具体作法如下： 右前轮向右转20，读取左前轮下的转盘上的刻度X，则20-X即为所要检测的转向20时的前张角。 一般汽车在出厂时都已给出20-X的合格范围，将测量值与出厂值进行比较即可检测出车辆的转向梯形臂与各连杆是否发生了变形，如果超出标准值或左右转向前张角部一致，则说明该车的转向梯形臂和各连杆已发生了变形，需要进行校正、调整或更换梯形臂和各连杆。汽车四轮定位仪的组成原理和零件部件工作原理 四轮定位仪涉及了机械、光学、电子、计算机软件、数学模型等多项领域的知识，从构成来看，四轮定位仪主要由上位机和下位机组成。上位机包括箱体、电脑主机、显示器、打印机、软件、通讯系统。下位机由测量传感器、夹具、转角盘组成。 箱体：位于四轮定位仪前方，里面有计算机、打印机、显示器、键盘、鼠标以及夹具传感器或夹具反像板等。 电脑主机：它是运行主程序的载体，可以是电脑市场的组装机、品牌机、商用机。 软件：即所用的操作系统和四轮定位仪应用程序，与电脑主机共同决定了可视性、操作性、功能稳定性、测量速度等因素。操作系统可以是windows98、windows2000、windowsXP。 通讯系统：分为有线与无线、蓝牙等方式。使用那种方式决定了使用的方便快捷性。 测量传感器：它是测量车辆四轮的尺子，决定了整机的测量精度。也从侧面反映了四轮定位仪的技术属性。传感器由壳体、单片机主板、传感元件（液体、光学或纯光学及CCD）、通讯系统、电池等部分组成。所用元器件多，非常精密，费用高。 夹具它是把测量传感器固定在车辆的轮子上的装置。四个夹具和测量传感器有一定的协调性，决定了其测量值是否标准准确。 目前市场上常见的四轮定位仪的检测方式主要有：激光、PSD、CCD及3D。 激光是一种平行光束。由于激光都是以平行的直线束输出的，其束度的测量范围较窄，无补偿且需人工计算推力线，其测量精度低，检测速度慢。因光大与刻度的关系，而且激光很容易受外界干扰，因此用激光做光源应用于四轮定位仪并不理想。并且激光对人眼视力有一定伤害，得不到安全认证。 PSD又称光电位置传感器。它的工作原理是：当PSD的受光面某一位置存在光照的情况下，其输出电流会有相应变化，从而可以得到光照位置，它是一种模拟器件。它只能测量单一光点。PSD的温度漂移严重并且受环境光线的影响。温度变化可以使其输出的零位变化几十毫伏，光线的影响使系统取值不稳定，这两项叠加在一起，便使PSD失去了测量精度和设备稳定性。CCD是一种半导体数字元器件（又称光电藕合器件），它分为线阵CCD和面阵CCD两种。它是在一块硅面上集成了数千个各自独立的光敏元，当激光照射到光敏面上时，受光光敏元将聚集光电子，通过移位的方式，将光量输出，产生光位置和光强的信息，CCD无温度系数、使用寿命长具有良好的环境适应能力等特点。现在国内大多使用此CCD测量传感器，但这种传感器具有机械加工精度高，电子元器件的维护，使用时要求小心怕碰，并在一定时间要做次校正。制造成本及配件价格高。 3D（三维）测量方式是采用数字图像识别技术，用数字CCD相机采集装在车轮采像板上的图像信息，以测量出车轮的相对数值，通过前后移动车辆，由CCD摄像头同时采集采像板信息，电脑计算出其坐标和角度，通过软件三维重建，就能实时显示四轮的三维状态。这是一种相当先进的测量方式，利用图像识别技术，无需校正，具有测量精度高，无误差，操作简单等优点（相对四轮定位仪，三维重建技术已经非常成熟，在医疗、工业、公安、军事已经非常普及）。并且制造成本非常低，仅有两个（四个，一轮对应一个）CCD摄像头和四个采像板（成本配件价格低无电子元器件）和夹具。软件也具有非常的开发优势，可以实现三维重建，动画调整，四轮结构显示，轮胎直径，实时三维测量数据，板金车身测量，照相等功能。可以与电脑检测仪，车轮平衡机，发动机分析仪，车身校正仪等测量仪器通过蓝牙结合在一台主机上。这是今后发展方向，通过软件可以实现更多四轮定位仪的卖点。 从生产成本上，3D的售价比CCD的应还要低，因3D的成本只用两个数字CCD，采像板无电子元器件，无需维护。而CCD四轮定位仪用了四个或八个CCD传感器，CCD测量传感器还有单片机、无线蓝牙通讯系统、电池等电子元器件故障率高，寿命短。3D四轮定位仪即使使用高像素CCD（专业数字CCD）+专业采集卡和高密集采像板提高测量精度，只是相对软件计算量加大,成本增加。但普通数字CCD（工业数字CCD）用在四轮定位仪已经足够（CCD四轮定位仪测量精度的10倍以上），成本低廉。要说软件开发成本大，可以与各大CCD和采集卡厂家合作，他们是图像计算处理专家，有自己的软件工程师帮您设计。合作开发自己维护，投入市场快，开发成本低。 就现在市场，还都是CCD四轮定位仪与其他四轮定位仪，市场巨大。一旦3D四轮定位仪占有市场，价格低廉，3D四轮定位仪将是一个重新中国的市场。 四轮定位的意义 汽车悬吊系统主要的定位角度包括了：外倾角(Camber)，后倾角(Castor)，束角(Toe)，内倾角(K.P.I.)，转向时的前展(Toe-out on Turn)等。其意义分述如下： 1.外倾角(Camber) 定义为由车前方看轮胎中心线与垂直线所成的角度，向外为正，向内为负。其角度的不同能改变轮胎与地面的接触点及施力点，直接影响轮胎的抓地力及磨耗状况。并改变了车重在车轴上的受力分布，避免轴承产生异常磨损。此外，外倾角的存在可用来抵消车身荷重后，悬吊系统机件变形及活动面间隙所产生的角度变化。外倾角的存在也会影响车子的行进方向，这正如摩托车可利用倾斜车身来转弯，因此左右轮的外倾角必须相等，在力的平衡下不致影想车子的直进性，再与束角(Toe)配合，提高直进稳定性及避免轮胎耗不均。增加负的外倾角需配合增加Toe-out；增加正的外倾角则需配合增加Toe-in。 2.内倾角(K.P.I.) 定义为转向轴中心线与垂直线所成的角度。有了内倾角可使车重平均分布在轴承之上，保护轴承不易受损，并使转向力平均，转向轻盈。反之，若内倾角为0，则车重和地面的反作用力会在车轴产生很大的横向切应力，易使车轴受损，转向也会变得沉重无比。此外，内倾角也是前轮转向后回正力的来源。内倾角在车辆悬吊设计之初就已设定好，通常是不可调整的。 3.束角(Toe) 定义为由上方看左右两个轮胎所成的角度，向内为Toe-in，向外为Toe-out。束角的功用在于补偿轮胎因外倾角及路面阻力所导致向内或向外滚动的趋势，确保车子的直进性。Toe-in会造成转向不足，Toe-out则会增大转向过度的趋势。 4.后倾角(Caster) 定义为由车侧看转向轴中心线与垂直线所成的夹角，向前为负，向后为正。后倾角的存在可使转向轴线与路面的交会点在轮胎接地点的前方，可利用路面对轮胎的阻力让车子保持直进，其原理就如购物推车的前轮会自动转至你施力的方向并保持直进一般。后倾角越大车子的直进性越好，转向后方向盘的回复性也越好，但却会使转向变得沈重。一般车子的后倾角大约在12度之间。 5.转向时前展(Toe-out on Turn) 定义为转向时两前轮转向角度之差。过弯时弯内轮所转的角度通常大于弯外轮，相差在2度左右，其目的是在过弯时使车子能以后轴延伸线的瞬时中心为圆心顺利过弯。此外当弯内轮转角较大时，阻力也较大，阻力的不同可使车子偏向阻力大的一方使转向容易(请想像坦克车的转弯方式）。 Off-set Off-set定义为轮圈的接合面(Mounting Surface)和轮圈中心(Center of Rim)的距离，往外侧方向的为正(Positive Offset)，往轮圈内侧的为负(Negative Offset)。改变轮圈的Offset会改变车子的轮距，而轮距是指轮胎中心线间的距离，因此若只是单纯的加大轮圈和轮胎而不改变Off-set，对轮距并不造成影响。 改变Off-set的影响 若改用正的Off-set值较小的轮圈会将轮距加宽，如此可减少过弯时车身重心的转移，提高车子的过弯速度极限。但相对的也因为加大了转向轴中心与轮胎中心的距离，使得转向变得困难且使转向机构负荷加重，造成方向机连杆的变形量加大，因此必须适度的增加Toe-in来修正。不过这都是不正常的方式，所以应该尽可能使前轮的Off-set接近原来的Off-set值。 对后轮来说，改用较大的轮圈时，若不改变Off-set常会遇到轮胎内侧碰到悬吊机构的问题，因此在不会磨到轮拱的情况下，使用正Off-set值较小的轮圈倒是有好处的。但需注意的是对后轮为独立悬吊的车来说，如此的改变在加速及刹车时会加大后轮Toe的变化量，这对一般街车尚无影响，但对赛车来说却是个大问题。 我们以BMW的系列(E34)为例来看看加大轮圈时Off-set应如何改变。起初原厂提供的铁圈为15*7J、Off-set 47，铝圈则为15*6J、Off-set 36；改用17吋铝圈时，原厂提供的是17*7.5J、Off-set 35，Racing-Dydamic提供的是前轮17*8.5J、Off-set 18，后轮17*9J、Off-set 13，HARTGE提供的是前轮17*8.5J、后轮17*9J，Off-set则皆为18。 改变Off-set也会影响轴承的负荷，一般的车辆Off-set的设计都是以直行时最低的轴承负荷为目标，使用正Off-set值较小的轮圈虽会稍微增大车子直行时轴承的负荷（Off-set变化在50mm以内都不必过分忧虑轴承负荷的问题），但却可使过弯时的负荷减低。