吳暉彤，蔣曉琴，陳建明，王思霞，卜軍偉

（四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，四川 成都611130）

1 汽車車輪轉(zhuǎn)向角的概念

汽車車輪轉(zhuǎn)向角是指車輪在轉(zhuǎn)向時(shí)，輪胎的中心線與車輪在直行位置時(shí)輪胎中心線之間的夾角。車輪轉(zhuǎn)向時(shí)，首先路面會(huì)對(duì)汽車產(chǎn)生附加的阻力，其次當(dāng)左、右車輪以完全相同的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時(shí)，其轉(zhuǎn)彎半徑也是完全相同的，這就導(dǎo)致每個(gè)車輪將繞不同的轉(zhuǎn)向中心轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪將產(chǎn)生側(cè)滑，輪胎將有不正常的磨損。為了避免車輪輪胎的不正常磨損，轉(zhuǎn)向時(shí)左、右兩個(gè)車輪做純滾動(dòng)就是必然的，這時(shí)要求所有的車輪轉(zhuǎn)向時(shí)都圍繞一個(gè)轉(zhuǎn)向中心，故左、右車輪的轉(zhuǎn)向角就不會(huì)相等，從設(shè)計(jì)上汽車左、右車輪轉(zhuǎn)向角滿足阿克曼轉(zhuǎn)角的理論關(guān)系時(shí)，所有車輪將做無(wú)側(cè)滑的純滾動(dòng)。根據(jù)《汽車轉(zhuǎn)向系基本要求》（GB 17675—1999） 和《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2012）的相關(guān)要求，當(dāng)汽車前行向左或向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向盤向左向右的回轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力不得有顯著差異，根據(jù)阿克曼原理，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)形狀的幾何特性，車輪轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度大于外側(cè)輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度，當(dāng)加大轉(zhuǎn)向角時(shí)，內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)向角之間的差值也會(huì)加大。

2 左、右車輪轉(zhuǎn)向角測(cè)試的意義

左、右車輪轉(zhuǎn)向角之間的關(guān)系要滿足讓所有的車輪做純滾動(dòng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向裝置的幾何位置關(guān)系要符合阿克曼原理。當(dāng)車輛遭遇到如車禍、碰撞、不正確修理等的外在因素，轉(zhuǎn)向裝置就會(huì)遭到破壞，轉(zhuǎn)向裝置的幾何位置關(guān)系就不符合阿克曼原理，于是車輛就會(huì)出現(xiàn)一些異常，如車輪磨損明顯，低速行駛輪胎發(fā)出噪音等。轉(zhuǎn)向裝置幾何位置關(guān)系的破壞肉眼是無(wú)法觀察到的，這時(shí)需要用測(cè)試設(shè)備來(lái)加以檢測(cè)，即用測(cè)試設(shè)備測(cè)試遭破壞的車輛的左、右輪的轉(zhuǎn)向角，以及左、右輪轉(zhuǎn)向角的差值，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)不符合阿克曼角的變化規(guī)律。通過(guò)測(cè)試左、右車輪轉(zhuǎn)向角，以及它們的差值，繪制變化規(guī)律曲線，分析這一變化規(guī)律，即可判斷出車輛是否受損。

3 車輪轉(zhuǎn)向角測(cè)試現(xiàn)狀

目前測(cè)試車輪轉(zhuǎn)向角的一種設(shè)備為指針式的轉(zhuǎn)盤。這一轉(zhuǎn)盤是和四輪定位儀成套的設(shè)備，該設(shè)備主要用于檢查轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)向角度，當(dāng)然也可以測(cè)試轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角，但是用該設(shè)備測(cè)試左、右輪的轉(zhuǎn)向角精度較差，準(zhǔn)確性不高，且測(cè)試中要舉升汽車，用到舉升設(shè)備，因此在不具備舉升條件的地方用轉(zhuǎn)盤測(cè)試左、右車輪轉(zhuǎn)向角就較為困難。鑒于以上原因，研制一種精確度高、便于攜帶、讀數(shù)方便的測(cè)試設(shè)備十分必要。

4 電子測(cè)試儀的開(kāi)發(fā)與制作

4.1 便攜式汽車車輪轉(zhuǎn)向角電子測(cè)試儀的組成與原理

電子測(cè)試儀由機(jī)械和電子控制兩部分組成。其中機(jī)械部分的元件有夾具、連桿、帶大齒輪的連桿、小齒輪、機(jī)座等；電子控制部分有編碼器、微控制器、控制按鈕、顯示面板、電源模塊等。

該系統(tǒng)的工作原理為：將夾具水平夾持在車輪輪胎上，隨車輪的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，連桿一端與夾具相連，連桿的另外一端與帶有大齒輪的桿件相連，大齒輪與小齒輪嚙合，小齒輪與編碼器同軸旋轉(zhuǎn)，按照一定的傳動(dòng)比，大齒輪將車輪旋轉(zhuǎn)的角度轉(zhuǎn)換為小齒輪旋轉(zhuǎn)的角度，編碼器獲得小齒輪同樣的旋轉(zhuǎn)角度，將此角度傳遞給微控制器，微控制器接收到編碼器輸入的角度信息，將此角度信息根據(jù)大小齒輪的傳動(dòng)比計(jì)算出車輪相應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，將此角度顯示在顯示屏上，并將左、右輪的轉(zhuǎn)角差值顯示出來(lái)。

4.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

硬件模塊設(shè)計(jì)分布見(jiàn)圖1。

圖1 硬件模塊設(shè)計(jì)分布圖

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)的軟件流程圖

（1）開(kāi)機(jī)：接通電源。

（2）系統(tǒng)初始化：包括顯示模塊初始化、編碼器數(shù)據(jù)采集初始化、按鍵處理模塊初始化。

（3）數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)編碼器采集到數(shù)據(jù)之后輸送給微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，微控制器進(jìn)行角度顯示。

（4）檢測(cè)按鍵操作：判斷是否有按鍵按下，包括復(fù)位按鍵、置零按鍵是否按下，此信息輸送入微處理器進(jìn)行判斷處理。

4.3 測(cè)試設(shè)備測(cè)試和數(shù)據(jù)分析步驟

將該測(cè)試設(shè)備安裝在汽車上，測(cè)試轉(zhuǎn)向角度數(shù)據(jù)，測(cè)試過(guò)程如下。

（1）準(zhǔn)備測(cè)試的車輛：測(cè)試的車輛有凱越1.8L、賽歐。

（2）檢測(cè)車輛：保證車輛完好，沒(méi)有受損，調(diào)整好車輛的前束值在規(guī)定范圍內(nèi)。

（3）安裝設(shè)備：將夾具正確地安裝在車輪上，同時(shí)連接好連桿、齒輪等機(jī)械裝置，將微控制器、編碼器、電源、顯示器等正確安裝到位。

（4）記錄數(shù)據(jù)、繪制圖形。

5 試驗(yàn)檢驗(yàn)

5.1 凱越1.8L轎車試驗(yàn)數(shù)據(jù)

測(cè)試前的檢查：該轎車每個(gè)輪胎的氣壓達(dá)到該車的標(biāo)準(zhǔn)氣壓，做車輛定位參數(shù)的校準(zhǔn)，達(dá)到規(guī)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)該車沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)碰擦、車禍等。

記錄凱越1.8L 轎車車輪左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)時(shí)左、右輪的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 凱越1.8L轎車車輪左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)表

表1 （續(xù)）

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制曲線走向圖。凱越1.8L轎車左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 凱越1.8L轎車左轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線圖

圖4 凱越1.8L轎車右轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線圖

凱越1.8L 轎車左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線的變化趨勢(shì)分析表明：左、右轉(zhuǎn)向，兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角有差異，保證純滾動(dòng)，外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角小于內(nèi)側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角；內(nèi)、外轉(zhuǎn)角差隨轉(zhuǎn)角的增大，差值呈上升趨勢(shì)。

圖3、圖4 曲線變化趨勢(shì)顯示，內(nèi)輪轉(zhuǎn)角大于外輪轉(zhuǎn)角，測(cè)試的凱越1.8L 轎車的轉(zhuǎn)向梯形沒(méi)有受到外力的破壞，車輪的偏轉(zhuǎn)角大體上接近于阿克曼理論所呈現(xiàn)的轉(zhuǎn)向角的變化規(guī)律。

5.2 賽歐轎車試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

按照上述相同的方式，記錄賽歐車的車輪左、右轉(zhuǎn)向時(shí)左、右車輪的轉(zhuǎn)向角及角度差，如表2所示。

表2 賽歐轎車車輪左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)表

根據(jù)表2數(shù)據(jù)作出曲線趨勢(shì)走向圖。賽歐轎車車輪左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線分別如圖5、圖6所示。。

圖5 賽歐轎車左轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線圖

圖6 賽歐轎車右轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線圖

賽歐轎車左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線的變化趨勢(shì)分析表明：左、右轉(zhuǎn)向兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角有差異，不相等，外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)向角小于內(nèi)側(cè)車輪的轉(zhuǎn)向角，保證車輛的純滾動(dòng)，內(nèi)、外轉(zhuǎn)角差隨轉(zhuǎn)角的增大，差值呈上升趨勢(shì)。

圖5、圖6 曲線變化趨勢(shì)顯示，內(nèi)輪轉(zhuǎn)角大于外輪轉(zhuǎn)角，測(cè)試的賽歐轎車的轉(zhuǎn)向梯形沒(méi)有受到外力的破壞，車輪的偏轉(zhuǎn)角大體上接近于阿克曼原理所呈現(xiàn)的轉(zhuǎn)向角的變化規(guī)律。

6 結(jié)論

便攜式汽車車輪轉(zhuǎn)向角電子測(cè)試儀能夠在汽車不被舉升的情況下，通過(guò)夾具、連桿、大小齒輪、編碼器將車輪的轉(zhuǎn)角信息傳遞給微控制器，微控制器經(jīng)過(guò)處理將左、右車輪的轉(zhuǎn)角顯示在顯示屏上，測(cè)試者可根據(jù)顯示器顯示的數(shù)據(jù)繪制變化規(guī)律曲線，并分析變化規(guī)律曲線是否符合阿克曼原理所呈現(xiàn)的轉(zhuǎn)角變化規(guī)律，從而判斷該車是否有被損壞的跡象，為維修和進(jìn)一步的檢測(cè)提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。

[1] GB 17675—1999，汽車轉(zhuǎn)向系基本要求[S].

[2] GB 7258—2012，機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件[S].

[3] 李朝暉，楊新樺.汽車新技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2010.

[4] 顏伏伍.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京：人民交通出版社，2007.

[5] 湯姆·登頓.汽車電氣與電子控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[6] 紀(jì)光蘭，戈秀龍.汽車電器設(shè)備構(gòu)造與維修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.