便携式汽车车轮转向角电子测试仪的制作及测试

吴晖彤，蒋晓琴，陈建明，王思霞，卜军伟

（四川交通职业技术学院汽车工程系，四川 成都611130）

1 汽车车轮转向角的概念

汽车车轮转向角是指车轮在转向时，轮胎的中心线与车轮在直行位置时轮胎中心线之间的夹角。车轮转向时，首先路面会对汽车产生附加的阻力，其次当左、右车轮以完全相同的转角转向时，其转弯半径也是完全相同的，这就导致每个车轮将绕不同的转向中心转动，车轮将产生侧滑，轮胎将有不正常的磨损。为了避免车轮轮胎的不正常磨损，转向时左、右两个车轮做纯滚动就是必然的，这时要求所有的车轮转向时都围绕一个转向中心，故左、右车轮的转向角就不会相等，从设计上汽车左、右车轮转向角满足阿克曼转角的理论关系时，所有车轮将做无侧滑的纯滚动。根据《汽车转向系基本要求》（GB 17675—1999） 和《机动车运行安全技术条件》（GB 7258—2012）的相关要求，当汽车前行向左或向右转弯时，转向盘向左向右的回转角和转向力不得有显著差异，根据阿克曼原理，转向系统形状的几何特性，车轮转向时内侧轮转过的角度大于外侧轮转过的角度，当加大转向角时，内、外轮转向角之间的差值也会加大。

2 左、右车轮转向角测试的意义

左、右车轮转向角之间的关系要满足让所有的车轮做纯滚动，转向系统的转向装置的几何位置关系要符合阿克曼原理。当车辆遭遇到如车祸、碰撞、不正确修理等的外在因素，转向装置就会遭到破坏，转向装置的几何位置关系就不符合阿克曼原理，于是车辆就会出现一些异常，如车轮磨损明显，低速行驶轮胎发出噪音等。转向装置几何位置关系的破坏肉眼是无法观察到的，这时需要用测试设备来加以检测，即用测试设备测试遭破坏的车辆的左、右轮的转向角，以及左、右轮转向角的差值，就会发现这些参数不符合阿克曼角的变化规律。通过测试左、右车轮转向角，以及它们的差值，绘制变化规律曲线，分析这一变化规律，即可判断出车辆是否受损。

3 车轮转向角测试现状

目前测试车轮转向角的一种设备为指针式的转盘。这一转盘是和四轮定位仪成套的设备，该设备主要用于检查转向轮的最大转向角度，当然也可以测试转向轮的转角，但是用该设备测试左、右轮的转向角精度较差，准确性不高，且测试中要举升汽车，用到举升设备，因此在不具备举升条件的地方用转盘测试左、右车轮转向角就较为困难。鉴于以上原因，研制一种精确度高、便于携带、读数方便的测试设备十分必要。

4 电子测试仪的开发与制作

4.1 便携式汽车车轮转向角电子测试仪的组成与原理

电子测试仪由机械和电子控制两部分组成。其中机械部分的元件有夹具、连杆、带大齿轮的连杆、小齿轮、机座等；电子控制部分有编码器、微控制器、控制按钮、显示面板、电源模块等。

该系统的工作原理为：将夹具水平夹持在车轮轮胎上，随车轮的旋转而旋转，连杆一端与夹具相连，连杆的另外一端与带有大齿轮的杆件相连，大齿轮与小齿轮啮合，小齿轮与编码器同轴旋转，按照一定的传动比，大齿轮将车轮旋转的角度转换为小齿轮旋转的角度，编码器获得小齿轮同样的旋转角度，将此角度传递给微控制器，微控制器接收到编码器输入的角度信息，将此角度信息根据大小齿轮的传动比计算出车轮相应转过的角度，将此角度显示在显示屏上，并将左、右轮的转角差值显示出来。

4.2 系统开发

硬件模块设计分布见图1。

图1 硬件模块设计分布图

系统的软件设计流程见图2。

图2 系统的软件流程图

（1）开机：接通电源。

（2）系统初始化：包括显示模块初始化、编码器数据采集初始化、按键处理模块初始化。

（3）数据显示：当编码器采集到数据之后输送给微控制器进行数据处理，微控制器进行角度显示。

（4）检测按键操作：判断是否有按键按下，包括复位按键、置零按键是否按下，此信息输送入微处理器进行判断处理。

4.3 测试设备测试和数据分析步骤

将该测试设备安装在汽车上，测试转向角度数据，测试过程如下。

（1）准备测试的车辆：测试的车辆有凯越1.8L、赛欧。

（2）检测车辆：保证车辆完好，没有受损，调整好车辆的前束值在规定范围内。

（3）安装设备：将夹具正确地安装在车轮上，同时连接好连杆、齿轮等机械装置，将微控制器、编码器、电源、显示器等正确安装到位。

（4）记录数据、绘制图形。

5 试验检验

5.1 凯越1.8L轿车试验数据

测试前的检查：该轿车每个轮胎的气压达到该车的标准气压，做车辆定位参数的校准，达到规定的参数标准，确认该车没有出现过碰擦、车祸等。

记录凯越1.8L 轿车车轮左转、右转时左、右轮的转角数据如表1所示。

表1 凯越1.8L轿车车轮左转、右转转角数据表

表1 （续）

根据表1数据绘制曲线走向图。凯越1.8L轿车左转、右转向数据统计曲线分别如图3、图4所示。

图3 凯越1.8L轿车左转向数据统计曲线图

图4 凯越1.8L轿车右转向数据统计曲线图

凯越1.8L 轿车左转、右转向数据统计曲线的变化趋势分析表明：左、右转向，两侧车轮的转角有差异，保证纯滚动，外侧车轮的转角小于内侧车轮的转角；内、外转角差随转角的增大，差值呈上升趋势。

图3、图4 曲线变化趋势显示，内轮转角大于外轮转角，测试的凯越1.8L 轿车的转向梯形没有受到外力的破坏，车轮的偏转角大体上接近于阿克曼理论所呈现的转向角的变化规律。

5.2 赛欧轿车试验测试数据

按照上述相同的方式，记录赛欧车的车轮左、右转向时左、右车轮的转向角及角度差，如表2所示。

表2 赛欧轿车车轮左转、右转转角数据表

根据表2数据作出曲线趋势走向图。赛欧轿车车轮左转、右转角度数据统计曲线分别如图5、图6所示。。

图5 赛欧轿车左转向数据统计曲线图

图6 赛欧轿车右转向数据统计曲线图

赛欧轿车左转、右转向数据统计曲线的变化趋势分析表明：左、右转向两侧车轮的转角有差异，不相等，外侧车轮的转向角小于内侧车轮的转向角，保证车辆的纯滚动，内、外转角差随转角的增大，差值呈上升趋势。

图5、图6 曲线变化趋势显示，内轮转角大于外轮转角，测试的赛欧轿车的转向梯形没有受到外力的破坏，车轮的偏转角大体上接近于阿克曼原理所呈现的转向角的变化规律。

6 结论

便携式汽车车轮转向角电子测试仪能够在汽车不被举升的情况下，通过夹具、连杆、大小齿轮、编码器将车轮的转角信息传递给微控制器，微控制器经过处理将左、右车轮的转角显示在显示屏上，测试者可根据显示器显示的数据绘制变化规律曲线，并分析变化规律曲线是否符合阿克曼原理所呈现的转角变化规律，从而判断该车是否有被损坏的迹象，为维修和进一步的检测提供数据和依据。

[1] GB 17675—1999，汽车转向系基本要求[S].

[2] GB 7258—2012，机动车运行安全技术条件[S].

[3] 李朝晖，杨新桦.汽车新技术[M].重庆：重庆大学出版社，2010.

[4] 颜伏伍.汽车发动机原理[M].北京：人民交通出版社，2007.

[5] 汤姆·登顿.汽车电气与电子控制系统[M].北京：机械工业出版社，2008.

[6] 纪光兰，戈秀龙.汽车电器设备构造与维修[M].北京：机械工业出版社，2010.