车轮外倾角在车辆生产中的监控与优化

熊 冉

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

车轮外倾角在车辆生产中的监控与优化

熊 冉

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

提出了一种针对桥装配四轮定位模拟设备的校准方法，该方法充分考虑了车辆外倾角的实际状况，通过实际验证，该方法可有效提高外倾角预估数据的准确性。此后，针对无外倾角调整机构的多连杆悬架，提出了一种通过副车架上控制臂安装孔的位置调整实现后轮外倾角的优化，该方法可有效降低对悬架部件的尺寸精度要求，降低质量风险。

桥装配；四轮定位；车轮外倾角；多连杆悬架

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.053

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-167-04

引言

在现代汽车中，四轮定位对于车辆的操纵稳定性、行驶安全性、轮胎及悬架衬套的使用寿命都具有重要的影响。据资料统计表明，由车轮定位参数不准确引起的故障占整车故障的30%左右[1]。四轮定位与悬架系统的设计密切相关,很多高档车为了最大限度的实现后轮外倾角在车辆全寿命周期内的稳定性，不设置后轮外倾角调整机构。由于外倾角相关的尺寸链较长，对悬架零部件和车身的制造精度、以及后桥装配精度提出了更加严格的质量控制要求，增加了工程技术难度和生产制造成本。

1、四轮定位与多连杆后桥结构

1.1 四轮定位与车轮外倾角

四轮定位指以后轮平均推进方向为定位基准，来测量和校正四轮相关的定位角度，使车辆在行驶时，车轮、悬架系统元件以及转向系统元件能保持适当的几何关系[2]。四轮定位参数主要包括车轮前束、车轮外倾角、主销内倾角和主销后倾角。其中，车轮外倾角是指在汽车的横向平面内，车轮中心平面与纵向垂直平面之间的夹角。当车轮顶部向汽车外部倾斜时角度为正，反之为负[3]。

合理设置车轮外倾角可以起到减小作用于转向节上的负载，防止车轮松脱，减小转向操纵力，防止因载荷作用而引起不必要的外倾角等方面的作用。

1.2 多连杆后悬架及四轮定位调整方式

多连杆悬架是由三根或三根以上杆件连接组成，杆件承受侧向力和纵向力，杆件数量的增多能够增强悬架对车轮的控制，使车轮运动保持良好的轨迹。当该结构被用于前悬架时，多连杆悬架可以在车轮转向时减轻不足转向，使转向更加准确。当被用于后悬架时，多连杆悬架在汽车转向时可以改变前束值，使后轮有一定的随前轮转向能力，同时达到良好的操纵性和平顺性[4]。

如图2为某车型五连杆后桥结构。副车架作为悬架的载体，具有较高的抗弯曲强度，前后端通过四个压装衬套与车身后地板相连。弹簧连杆、上控制臂、扭力杆、横拉杆及推力臂五根控制臂外端通过球铰链与后转向节相连，内端与副车架通过橡胶衬套连接。通过各连杆长度的精确匹配，保证四轮定位参数在车轮跳动过程中具有良好的动态特性。车轮所受的大部分纵向力、侧向力及其力矩，均由这五个控制臂传递给车身。

后桥作为非转向轮，仅有车轮前束和外倾角两个车轮定位参数。前束的调整一般通过前横拉杆内端的偏心螺栓实现，如图3所示。很多高档车型，为保证车辆全寿命周期内的后轮外倾角的稳定性，不设置外倾角调整机构，且前束的调整对外倾角的影响很小。成品车辆的外倾角仅依靠相关零部的加工精度和桥装配精度保证，质量控制难度较大。

2、四轮定位设备及检测方法

四轮定位检测技术经历了从几何中心线定位，到推力线定位，再到完全四轮定位三个发展阶段[5,6]。由于四轮定位对车辆行驶安全性所起的重要作用，四轮定位已成为车辆生产过程中质量控制的重要环节。根据生产环节的不同，可分为桥装配厂四轮定位模拟检测和整车厂实车四轮定位检测两种类型。

2.1 桥装配厂四轮定位模拟检测

对于无外倾角调节机构的后桥，一旦出现成品车辆外倾角不合格的现象，只能通过更换整个后桥的方式解决，严重影响生产效率。现在普遍采用的方法是在桥装配过程中，增加四轮定位预调整和检测工位，通过专业设备对悬架在使用过程中的受力情况进行模拟，并对可调节的四轮定位参数进行预调整和检测。该方法可以有效减少整车厂四轮定位调整的工作量，提高生产效率。此外，对预调整后的定位参数实施监控也是保证成品车辆下线质量的重要手段。

四轮定位模拟检测设备一般通过伺服电机驱动弹簧，以实现对悬架载荷力的模拟。通过轮边支撑机构的上下移动实现对悬架高度的模拟。所有四轮定位参数均在设计载荷状态下进行调整和测量。对于后轮外倾角无法调节的后桥结构，在前束值调整完毕后，该设备自动进行后桥外倾角的监控，如判定超差，自动报警。此外，为保证四轮定位参数的模拟精度，此类设备一般都预留offset参数，用户可根据该参数对四轮定位预估值进行修正。

2.2 整车厂实车四轮定位检测

（1）车辆的检测状态

车轮外倾角受后桥载荷状态的影响。当后桥载荷变大时，车轮上部有向内侧倾斜的趋势，外倾角数值将变小。同理，当载荷变小时，外倾角将变大。常用的载荷状态有以下三种：

◇ K0状态：车辆的设计状态，桥的装配过程及四轮定位模拟检测均采用此状态。

◇ FF状态：整车整备状态。

◇ PL状态：整车下线状态。与FF状态相比，油箱仅加注少量燃油。

K0状态是四轮定位检测的基准状态，四轮定位模拟设备通过对悬架施加理论作用力实现对K0状态的模拟。整车生产过程受到生产节拍的限制，无法将每辆车的质量状态都修正为K0状态，往往采用PL状态直接进行四轮定位参数的调整与检测。

（2）PL状态外倾角公差要求的确定

PL状态的外倾角公差一般通过K0状态的外倾角公差转化得到。较普遍的做法是，对PL状态与K0状态的成品车辆进行大量的外倾角数据测量，结合工程师的实际经验，通过反复尝试，确定合理的offset参数，保证桥装配厂四轮定位的准确性。此外，K0状态外倾角与后桥高度紧密相关，如图4所示，PL状态外倾角公差需要考虑后桥高度的影响。此外，桥装配厂的公差带宽度一般严于整车厂的公差，以保证产品质量的可靠性。

（3）整车厂四轮定位测试台

图5为整车生产厂使用的四轮定位检测设备。该设备除常规四轮定位功能外，还具有大灯标定、通讯系统标定、MPC摄像头校准、车距控制系统调整等多项功能。除车轮前束值需人工调整外，整个测量过程自动化运行。在测量过程中，外倾角公差要求基于车辆高度测量数据计算得到。

3、四轮定位模拟设备的校准方法

桥装配厂四轮定位模拟检测设备可通过offset值进行测量值的修正。由于整车厂与桥装配厂四轮定位检测的载荷状态不同，offset无法通过数据对比直接获得，需要进行数据分析间接获得，offset值的准确性取决于工程师的实际经验。为解决此问题，下面提出了一种offset计算方法，其主要思想是通过寻找外倾角测量值的修正参数，最大限度实现整车厂和桥装配厂的外倾角均值相对于公差带的相对位置保持一致，如图6所示。

设整车厂外倾角样本数为n，第i个样本点的外倾角数值为,对于每个样本点的公差上限值、理论值、下限值分别为。设对应的桥装配厂样本数值、公差带上限值、理论值和下限值分别为。

① 数据的筛选

对桥装配厂和整车厂的后桥外倾角数据进行分析，去除异样的样本点（即该数据明显较其它数据大或小的样本点），以增加公差带矫正的准确性。对筛选后的n个样本点进行排序。

② 计算整车厂外倾角样本到公差中线的均值

③ 计算整车厂外倾角公差带宽的均值

④ 计算整车厂外倾角均值相对于公差带的位置XP

⑤ 求解最佳的桥装配厂外倾修正参数Δ（即offset变化量）

设TY为桥装配厂公差带宽度。外倾值偏移Δ后，样本均值相对于公差带的位置YP有：

令XP=YP，可解得：

下面通过实例对该方法的有效性进行验证。在某车型的试制中，有3辆试制车左后轮外倾角超差，其余车辆左后外倾角均处在下公差线附近，如图11所示。通过调阅桥装配厂四轮定位模拟数据，发现左后轮外倾数据处于中值附近，如图12所示，与实车情况存在较大偏差。桥装配厂四轮定位模拟设备无法对外倾角进行有效监控，车辆生产存在质量风险。

采用了上述offset值修正方法，采用上述方法对15辆试制车辆外倾角数据进行计算，得到左、右侧外倾角最优下移量为Δ=15.72’。修正后的桥装配厂WAM外倾检测结果如图13。通过对比图7和图8，调整后的桥装配厂外倾值较好的预估了车辆的实际外倾角参数，有效解决了桥装配厂四轮定位模拟设备的准确性问题，验证了该方法的有效性。

4、外倾角的优化方法

对于无车轮外倾角调节机构的多连杆后桥结构，一旦出现下线车辆四轮定位超差，只能通过更换整个后桥的方式解决，极大的影响车辆的生产效率和报废成本。由于外倾角相关的尺寸链一般较长，涉及的零部件较多，在优化车辆外倾角的过程中，需要综合考虑各方面的因素，并结合零部件的生产工艺考虑技术方案的可行性，尽量减少尺寸调整产生的成本提高及其它负面影响。对于多连杆后悬架结构，可采用对后副车架上控制臂安装孔的位置调整实现对成品车辆外倾角的优化，以降低生产风险，如图10所示。此方案的优点有以下几方面：

◇ 上控制臂安装角度接近Y向，如图11所示，主要影响车轮外倾角，对前束的影响较小。

◇ 若实现相同的外倾角变化量，上控制臂安装孔位移动量较小。

◇ 安装支架孔心位置由加工设备冲头位置决定，冲头位置调整较为方便。

◇ 上控制臂仅起悬架导向和承载作用，无其它部件安装点，对车辆其他功能无影响。

针对第三部分中提到的左后轮外倾超差问题，采用此方法进行了外倾角的优化。将后副车架焊接支架孔心位置向外侧调整1mm，调整后的车辆实际生产数据如图12所示，可以看出外倾角数据得到了有效地改善，提高了成品车辆四轮定位检测的合格率，降低了产品的质量风险。

5、结语

本文介绍了桥装配过程中四轮定位模拟检测设备的工作原理。与成品车辆四轮定位检测进行对比，阐述了载荷状态差异对于车轮外倾角的影响。提出了一种计算四轮定位模拟检测设备offset值的方法，该方法可有效提高四轮定位参数模拟的准确性，保证成品车辆质量状态。对于外倾角无法调节的多连杆后桥，提出了一种通过副车架上控制臂安装孔位的调整实现后轮外倾角的优化，并通过实际案例验证了该方法的有效性。

[1] 夏士国,刘功洲. 现代汽车的车轮定位及其检修[J]. 汽车维护与修理, 1998(6).

[2] 陆耀迪. 汽车四轮定位基础教程[M]. 北京：机械工业出版社, 2014: 52.

[3] 崔胜民.汽车车轮定位参数检测方法的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学. 2005:9.

[4] 戴逢权，多连杆悬架系统性能仿真研究[D]. 武汉:武汉理工大学, 2011:12.

[5] 郭锋.轮胎磨损与车轮定位关系研究和探讨[D].沈阳:东北大学. 2007: 53.

[6] 雷玉泉.现代汽车四轮定位技术的研究与探讨[D].上海:上海海事大学. 2006.

Monitoring and optimization of wheel camber in vehicle production

Xiong Ran
( Beijing Benz Automotive Co , Ltd., Beijing 100176 )

A calibration method for wheel alignment equipment in axle assembly process has been introduced.The actual condition of vehicle camber has been fully considered. The effectiveness of this method has been proved by practical verification. After that, as to multi-link suspension with no camber angle adjustment mechanism, putting forward a camber optimization method by moving hole position of camber arm bracket in the rear sub-frame. This method sharply reduced the suspension opponent’s dimension accuracy requirement and vehicle quality risk.

axle assembly; wheel alignment; camber; multi-link suspension

U467.3

A

1671-7988(2016)10-167-04

熊冉，（1984.12-），男，职称： 中级工程师，就职于北京奔驰汽车有限公司研发中心。北京奔驰研发中心主任工程师。研究方向：底盘技术方向（桥装配、副车架、轮胎等）。