张庆良，赵树国
(邯郸职业技术学院机电系，河北邯郸 056005)
摘要：分析了转向轮定位参数中主销后倾角和主销内倾角静态检测的检测原理，给出了转向轮绕主销转动后，转向节轴线相对于水平面夹角变化的几何图形，推导了转向轮定位参数的计算公式，讨论了标定角度与实测参数相对于车轮转角的误差关系，提出了相对独立的两套角度测量系统的解决办法。测量时需用转角测量仪测量车轮转动角度，分析了当车轮中心平面与转角测量仪平面接触点为转角测量仪几何中心时的误差，提出了将红外线发射仪附着在主销底端的方案。 关键词：转向轮定位；主销后倾角；主销内倾角；转角测量仪
中图分类号:U472.9 文献标识码:B 文章编号:1006-0006(2010)02-0038-02
M ea su rem en t and E rr o rs o f S tee ri ng W hee l A li gnm en t P a ram e te rs
ZHAN G Q ing 2liang,ZHAO S hu 2guo
(Mechatr onics Depart m ent,Handan Polytechnic College,Handan 056005,China )
Ab s tra c t:The measuring p rinci p le of static check f or caster angle and kingp in inclinati on of the steering wheel
align ment parameters was analyzed .The steering geometry of the steering knuckle axis in relati on t o the horizontal p lane was p resented after the steering wheel r otated ar ound kingp in .For mulas of steering wheel align ment parameters were derived .The err or relati on of scale angle relative t o the measured value was discussed .The s olving methods of t w o independent angle measuring system s were p resented .The steering angle scale was used t o measure the wheel ’s angle of r otati on .Err ors were analyzed when the geometry center of the steering angle scale is the contact bet w een the center of the wheel and the p lane of the equi pment .The method of attaching an infrared trans m itter at the bott om of kingp in was put f or ward .
Key wo rd s:Steering wheel align ment;Caster angle;Kingp in inclinati on;Steering angle scale
为保证汽车直线行驶，应使转向轮具有自动回正作用，这可以通过转向轮定位角来保证。设计转向桥时，应使主销在汽车纵向平面和横向平面内都有一定的倾角。在纵向平面内，主销上部向后倾斜γ角，称为主销后倾角；在横向平面内，主销上部向内倾斜β角，称为主销内倾角[1]。
目前车轮定位参数检测方法有静态检测法和动态检测法两种类型。静态检测法是在汽车静止状态下，根据车轮旋转平面与各车轮定位间的几何关系，用专门检测设备对车轮定位参数进行几何角度测量的方法。车轮前束和车轮外倾角为直接测量；而主销后倾角和主销内倾角为间接测量，测量时需要通过车轮左、右转动一定角度而实现。动态检测法是汽车以一定车速行驶过试验台，用检测设备检测车轮的侧滑量，以此确定车轮前束与车轮外倾角匹配是否恰当。
汽车转向轮定位是评价汽车前轮直线行驶稳定性、操纵稳定性、前轴和转向系技术状况的重要诊断参数[2]。本文主要分析转向轮定位参数的静态检测及其误差。
1 转向轮定位参数测量原理
1.1 主销后倾角
由于主销后倾，当转向轮绕主销转动后，转向节轴线相对于水平面的夹角会发生改变。将基准零位调整为水平后，使转向轮绕主销向相反方向转动，则主销相对于地面产生垂直升降位移，即测点与主销间有位置变化。根据它们的几何关系，可求得主销后倾角。为便于几何分析，假定转向轮转动后，主销不产生垂直位移，而是测点随着转向轮绕主销转动而产生垂直位移。以左前轮为例，从汽车左侧
向右看，主销后倾角测量原理的投影视图如图1
所示。
图1 主销后倾角测量原理
F i g.1M ea su rem e n t P ri nc i p l e o f C a ste r Ang l e
在xyz 空间坐标中，图1中的虚线为左前轮。假定前轮外倾角和主销内倾角均为零，主销OA 的后倾角
为γ。转向轮处于直线行驶位置时，测点C 位于转向节轴线延长线x 轴上。转向轮右转φ角后，测点C 随转向节轴线转动到C ′，则OC 扫过的平面OCC ′与水平面的夹角为主销后倾角γ。连接C ′与其在水平面的投影点B 后，做BC 垂直于x 轴，则平面BCC ′垂直于x 轴，由解析几何二面角定义可知∠BCC ′=γ。OC ′与水平面的夹角∠BOC ′=ω，此夹角为测点C 相对于主销上升而产生的角度,ω角为要测的间接测量角。由图1可得
tan ω=B C ′/OB sin φ=B C /OB tan γ=B C ′/B C
由以上3个等式可知tan ω=sin φtan γ，则当φ为定值时,ω角与γ角一一对应，因而通过标定ω角可求得主销后倾角γ。
收稿日期:2009-06-09；收修改稿日期:2009-07-03
・
83・第37卷第2期 拖拉机与农用运输车 Vol .37No .22010年4月 Tract or &Far m Trans porter Ap r .,2010
为了消除主销内倾角和车轮外倾角的影响，测量时通过转向机构使转向轮先向内转(左轮向左转，右轮向右转)φ角，将基准调为水平后，再向相反方向转动2
φ角。由于转向节轴线从汽车直线行驶位置分别向内、向外转动相同的角度，因而主销内倾角对测量值影响互相抵消。并且测量时车轮转动了2
φ角，可提高测量精度和灵敏度。1.2 主销内倾角
主销内倾角的测量与主销后倾角类似，也不能直接测出，而只能利用转向轮绕主销转动时的几何关系进行间接测量。它们间最大差异在于主销内倾角和主销后倾角相对于主销在空间位置上成90°角，因而投影视图不同。以左前轮为例，从汽车后部向前看，主销内倾角测量原理投影视图如图2
所示。
图2 主销内倾角测量原理
F i g .2M e a su rem e n t P ri nc i p l e o f Ki ngp i n I nc li na ti o n
在xyz 空间坐标系中，图2中的虚线为左前轮。假定前轮外倾角和主销后倾角均为零，主销OA 的内倾角为β。当转向轮处于直线行驶位置时，测点C 位于转向节轴线延长线x 轴上。当转向轮处于制动状态时向右转过φ角后，测点C 随转向节轴线转到C ′,OC ′与水平面的夹角为β。做C ′在水平面上的投影点B ，则∠C ′OB =β。做BC 垂直于x 轴，则平面BCC ′垂直于x 轴，由解析几何二面角定义可知∠B CC ′=θ,θ角为要测的间接测量角。由图2可知
tan θ=B C ′/B C tan φ=CD /B C sin β=B C ′/CD
由以上3个等式可知tan θ=tan φsin β。因此当φ角为定值时,θ角与β角有一一对应关系，通过标定θ角可计算出β角。
同理，为了消除主销后倾角对间接测量角的影响，以及出于提高测量灵敏度和精度的考虑，测量时将转向轮从直线行驶状态先向内转φ角，将基准调为水平后，再向相反的方向转动2
φ角。2 误差分析
2.1 测量仪器固有误差
由上述测量原理分析可知，当转向轮转动时，测点C 在以测点到主销中心距离为半径的球体上运动，所需测得的间接测量角可由测点运动轨迹在不同方向上的投影而得
[3]
。其中ω角相对于汽车而
言为横向角度，而θ角则为纵向角度。根据他们与主销后倾角和主销内倾角的函数表达式，当θ=20°时，可得间接测量角ω,θ与主销定位角的关系图，如图3
所示。
图3 间接测量角与主销定位角关系示意
F i g .3Schem a ti c o f I nd irec tM e a su ri ng Ang l e and Ki ngp i n A li gnm e n t Ang l e
由图3可以看出,γ和β在转角φ=20°范围内与间接测量角ω和θ近似成线性关系。系统的固有误差体现在间接测量角均小于主销定位角的实际值；对相同的间接测量角而言，主销后倾角的实际值大于主销内倾角的实际值；随着间接测量角的增大，主销后倾角和主销内倾角差值逐渐增大。若要消除这种误差，应在测量主销后倾角和主销内倾角时使用相互独立的两套角度测量系统。
2.2 车轮转角测量误差
测量主销定位角时，需要转动转向盘使转向轮向左、向右转动一定角度，因此使用车轮转角仪配合测量。测量时将被检汽车的两前轮分别放置于两个转角仪上，并且使主销延长线与转角仪的中心重合，而后将后轮置于与转角仪相同高度的台架上，以保证各车轮均位于同一水平面上。如果放置前轮时仅仅将车轮中心平面与转角仪平面的交点与转角仪中心重合
，则会产生车轮转角测量误差，如图4所示。
图4 转向轮与转角仪位置关系
F i g.4Po siti o n R e l a ti o n be t w e e n S te e ri ng W hee l a nd S te e ri ng Ang l e S ca l e
图4中,C 为转角仪的几何中心，同时也是车轮中心平面与转角仪的接触点,CP 为转角仪的几何半径。O 为主销轴线延长线与转角仪平面的交点，即为转角仪的实际旋转中心,O P 为实际旋转半径,
EPG 为转角仪指针的实际运动轨迹。OD 与OB 值与主销定位角和
车轮几何尺寸有关。主要原因为：在转向轮定位中，主销后倾使主销轴线延长线与转角仪交点位于车轮与转角仪接触点前面
；而主销内倾则使主销轴线延长线与转角仪平面交点到车轮中心平面与转角仪平面交线的距离减小，如图5所示。
图5 主销定位角示意
F i g .5Schem a ti c o f Ki ngp i n A li gnm e n t
综合分析图4和图5可知，图4中的OD 为图5a 中的a ，图4中的OB 为图5b 中的c 。
由图4可知，通过转向盘转动前轮时，转角仪指针显示转角(绕几何中心C 旋转)为φ=l EPG /CP，而其实际转角(绕实际旋转中心O 旋转)为φ′=l EPG /O P 。CP 值由转角仪确定,O P 值可由点O 位置确定，因此在图4所示情况下，对于确定的转角仪，车轮转角测量误差仅与点O 位置有关，亦即与主销定位角和车轮几何尺寸有关。由φ和φ′的数学表达式可导出
多拉寻物大冒险φ′=φ
CP
管坯
(CP +OD )2+OB 2
现代高速汽车由于轮胎气压降低弹性增加，而引起稳定力矩增加,γ角可以减小到接近于零，甚至为负值，但最大不超过1.5°。以桑塔纳2000轿车为例，其轮胎直径为600mm，则桑塔纳2000轿车的
a 为0～8mm 。距离c 一般为40～60mm [1]。交通部交通行业标准
(下转第42页)
・
93・张庆良等：转向轮定位参数检测及误差
图5 进气端不同A /R 值的BM EP 图
F i g .5BM EP M ap unde r D i ffe re n t I n ta ke A /R Va l
ue
图6 排气端不同A /R 值的BM EP 图牵引头
F i g .6BM EP M ap unde r D i ffe re n t Exhau st A /R Va l
ue
图7 不同发动机转速的BM EP 图
F i g .7BM EP M ap unde r D i ffe re n t Eng i ne Sp e e d
由图5～图7可知，涡轮A /R 值对发动机BMEP 有较大的影响，若A /R 值小，即入口小，则相对废气流量就快，因此涡轮的转速相当快，低转速的反应比较好，涡轮迟滞的现象就不明显；反之,A /R 值越大，低速反应因为入口较大显得迟钝，涡轮迟滞现象就明显，但高转速域(≈4000r/m in )的BMEP 值增加。这表明,A /R 值小的属于低
转速取向涡轮,A /R 值大的为高转速取向涡轮。
4 结论和讨论
本文通过建立涡轮增压发动机的AMESi m 模型，求解发动机燃烧时缸内压力方程组、焓流量方程组和涡轮输出转矩方程组，模拟了涡轮增压发动机缸内BMEP 的变化情况。采用改变进气侧A /R 值和排气侧A /R 值、使用不同发动机转速迭代计算，得到了不同A /R 值下、不同发动机转速值下的BMEP 分布，分析了A /R 值和发动机转速对涡轮迟滞的影响。对计算结果的分析表明:
1)不同涡轮转动惯量下的仿真计算值与试验值吻合较好，模型
构建合理;
2)A /R 值和发动机转速对涡轮迟滞都有影响;
3)在同一转速下,A /R 值越大，涡轮迟滞现象越明显，这尤其表
现在排气管侧。
4)对于同一涡轮，随着发动机转速的增大，涡轮迟滞反而减小,
但超过4000r/m in 后，涡轮迟滞又重新增大。
本文计算的是小排量发动机转速及其涡轮A /R 值对迟滞的影响，实际上大排量模型更为复杂，后续可进一步模拟分析。
参考文献:
[1] 陆家祥.内燃机涡轮增压技术[M ].北京：机械工业出版社,2001.[2] 朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M ].北京：机械工业出版社,1992.[3] JUL I E N B ,FRANCO I S L.A Ne w Coup ling App r oach U sing a 1d Syste m
Si m ulati on S oft w are and a 3d Co mbusti on Code App lied t o Transient Engine Operati on[R ].S AE Paper :2004-01-3002,2004.
[4] 王恩华，周明，欧阳明高，等.可变喷嘴涡轮增压器电控系统的设计与匹
配[J ].内燃机学报,2002(6):559～563.
[5] 顾兆林，高秀峰，蒋德明，等.新型汽油机用废气涡旋增压器的研究[J ].
小型内燃机与摩托车,2000(3):1～7.
[6] WALLACE F J,HOWARD D ,ROBERTS E .Variable Geo metry Turbocharg 2
ing Op ti m izati on and Contr ol Under Steady State Conditi ons[A ].I nst of M e 2chanical Engineers .Third I nternati onal Conference on Turbocharging and Turbochargers[C ].London:I nst ofM echanical Engineers,1986:215～226.
(编辑 刘红云)
作者简介：吴壮文(1980-)，男，浙江衢州人，讲师，硕士，主要研究方向为汽车动力系统数值模拟。
(上接第39页)
JT/T 505-2004四轮定位仪[4]中要求转角仪直径不小于350mm 。为
便于分析误差，以φ=20°,CP =200mm 转角仪为研究对象，则可得桑塔纳2000车轮实际转角φ′与车轮定位角的关系图线，如图6
自动扶梯装饰
所示。
图6 车轮转角随主销定位参数变化曲线
F i g .6W he e l Tu ri ng Ang l e V s .Ki ngp i n A li gnm e n t P a ram e te rs
由图6可以看出，车轮实际转角均小于转角仪显示转角。对转角有较大影响的是a ，即主销后倾角比主销内倾角对车轮转角有更大影响。为了消除此项影响，可将红外线发射仪附着在主销下端，以
保证主销延长线与转角仪的中心重合。防静电涂层
3 结束语
锁扣对转向轮定位的静态检测原理进行了分析，依据所给出的转向轮定位角的空间几何图形，讨论了其测量误差产生的原因，比较了主销后倾角与主销内倾角差值与车轮转动角度的关系，测量转向轮定位角时使用车轮转角仪配合测定车轮转动角度，分析了车轮中心平面与转角仪平面接触点为转角仪中心时的误差。参考文献:
[1] 陈家瑞.汽车构造[M ].第3版.北京：人民交通出版社,1995.
[2] S ANJAY Singh .Design of Fr ontW heel Active Steering f or I m p r oved Vehicle
Handling and Stability[J ].S AE,2000-01-1619.
[3] 张庆余，刘卷苍.汽车车轮定位参数束值角的计算原理及其应用[J ].西
安公路交通大学学报,1998(增B ):221～224.[4] JT/T 505-2004，四轮定位仪[S ].
(编辑 姜洪君)
・
24・拖拉机与农用运输车 第2期2010年4月
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议