福田欧曼GTL重卡汽车前轴检验仪的设计

李亚文

(山西机电职业技术学院，山西　长治　046011)

0　引言

随着电子技术的大力发展，汽车的电控系统不断完善，使得行驶的安全性、动力性、燃油经济性、操纵稳定性和乘坐舒适性也有了很大的改善。由于汽车的结构变得更加复杂和紧凑，在汽车的修理过程中会遇到很多棘手的问题，为了能够快速、准确、方便地诊断汽车的运行故障和检测汽车的使用性能，必须大力发展汽车检测技术和检测设备。为此，本文针对福田欧曼GTL重卡汽车设计了一套前轴激光检验仪，可对汽车前轴进行精确地检验(包括前轴受损修复后的检验)。

1　福田欧曼GTL重卡汽车前轴结构及受力分析

1.1　前轴结构

福田欧曼GTL重卡汽车的前轴是轴式转向桥的主体，其断面形状采用工字形，用以提高抗弯强度、减轻质量。前轴两端翘起部分断面形状逐渐由工字型向方形过渡，至两端略呈方形[1]。由于前轴中部下凹使发动机的位置得以降低，进而降低汽车质心，扩展驾驶员视野，减小传动轴与变速器输出轴之间的夹角。汽车前轴两端加粗呈拳形，其中有通孔，主销插入孔内与转向节连接。为防止主销在孔内转动，用带有螺纹的楔形销将其固定。前轴下沉部分的两端各有一个加宽面，上面钻有4个螺栓孔，用以安装钢板弹簧。在前轴两端装有限位凸块，与转向节上的限位螺栓相配合，以调整转向轮的最大转角[2]。

1.2　前轴受力分析

(1) 在垂直平面内(对地面而言)，车轮的法向反作用力通过前轴和钢板弹簧传给车架，使前轴承受垂直弯曲力矩。

(2) 在水平平面内，紧急制动时产生的纵向制动力以及起步过猛产生的纵向惯性力都通过前轴传给车架，使前轴承受水平弯曲力矩。

(3) 制动时前轴在钢板弹簧座外侧的部分还承受制动力引起的扭矩[3]。

2　汽车前轴失效形式

汽车使用条件相当复杂，前桥承受经常变化的载荷，前轴作为前桥的主要部件之一承受多重作用力，主要是垂直弯矩。当汽车制动时，前轴负荷增大；当汽车通过凹凸不平路面时，前轴受冲击负荷，容易引起金属疲劳，从而在弯曲应力最大处产生裂纹。所以前轴的刚度和强度最为重要，影响汽车的使用寿命和安全性能，如果不能满足其强度和刚度的要求，可能就会发生前轴的断裂[4]，如图1所示。主销孔处最容易发生断裂，尤其是与转向节连接的地方。

图1　前轴形状及易断裂位置

3　前桥的常见故障

汽车的转向系(包括前桥)故障不但决定于其本身，而且还与行驶系及底盘的其他部分密切相关。汽车前桥经长期使用后，各部件会产生磨损、变形甚至断裂，这些缺陷将使汽车的操纵稳定性能、制动性能和传动性能降低，影响汽车的正常行驶。因此，对前桥的故障要及时诊断与排除。

前桥的技术故障现象往往和转向系联系在一起，常见的故障有转向沉重、低速摆头、行驶跑偏、高速摆振、轮胎不正常磨损等[5]。

4　福田欧曼GTL重卡汽车前轴检验仪的设计

4.1　前轴检验标准

福田欧曼GTL重卡汽车前轴的检验标准如下(本文的检验标准以福田欧曼GTL重卡汽车维修手册为依据)：经探伤检查不得有任何裂纹；钢板弹簧座上U型螺栓承孔及定位孔的磨损量不得大于1 mm ；两钢板弹簧座平面在其公共平面法线方向的位置度公差应为1.0 mm；由于钢板弹簧座平面横向长度大于160 mm，且平面度公差为0.5 mm，因此磨损修复后钢板弹簧座厚度减少量不得大于2 mm；前轴主销孔端面磨损修复后的厚度减少量不得大于2 mm。

4.2　前轴检验系统的结构以及主要部件的选取

前轴检验系统主要由激光器、透镜、角锥棱镜等组成，其结构框图如图2所示。

图2　前轴检验系统结构框图

4.2.1激光器的选取

本前轴检验系统的激光器选用红宝石激光器。红宝石激光器一般用氙气作光泵激励，氙灯以脉冲方式工作，脉冲持续时间为几毫秒，单脉冲输出能量为几千焦耳，激光效率为25%左右。红宝石激光器对光泵的要求为：①应该使光泵的输出光谱落在激光工作物质的吸收带内；②应考虑光泵光源的使用寿命。同时，为了使光泵光源发出的光均匀有效地照射到红宝石晶体棒上，必须把光源和晶体棒放置在一个聚光腔内，聚光腔可以是圆柱形或椭圆柱形，无论哪种形状的聚光腔，腔体内壁必须高度抛光，并镀有高反射率的膜层，常用的为铝、银或金等反射膜[6]。

4.2.2角锥棱镜的选取

角锥棱镜是一种作为回射用的玻璃元件，它由3个90°角将入射光束进行反射。这些玻璃角的误差必须在几秒精度以内，入射面可以有5′以上的误差，这样角锥棱镜的性能才不会受到明显的影响[7]。角锥棱镜材料为BK7，尺寸为Φ12.7 mm的六棱角锥，此六棱角锥棱镜的综合度误差为±5′。

4.3　前轴检验仪的工作原理

激光由红宝石激光器射出，经过透镜1的耦合进入到单模光纤里，激光由单模光纤传输，再经过透镜2的扩散，然后通过角棱锥镜反射到接收器上，最后经信号处理器和A/D转换器到达计算机。测量时，激光器和接收器放在前轴的一端，角锥棱镜沿前轴移动，激光由角锥棱镜反射在接收装置上，角锥棱镜在移动的过程中如果前轴发生变形，会使激光光束和角锥棱镜之间产生相对位移，接收器上的激光由于受到前轴变形的影响，从而使激光的位移发生了偏移，接收器上输出的电压信号和激光在接收器上的位移量成正比，电压信号经A/D转换后进入计算机，计算机将这些信号进行汇总、编译和处理，将电信号转变为数字信号，得到较为准确的偏移量，如果偏移量小于0.80∶1.00,则表明前轴弯曲较小，反之，则需要对前轴进行校正。

在这个检验系统中，采用了四象限探测原理，四象限探测器测量的是激光在角锥棱镜上的光斑位置变化，用特定的计算方法来测量角锥棱镜的激光直线度误差[8]，如图3所示。

图3中，黑色区域表示光斑的位置，图3(a)中光斑位于正中间，光线没有偏移；图3(b)中光斑出现偏离，4个象限将光斑分成4份A、B、C、D，对应的面积分别为W1、W2、W3、W4，4个象限产生的阻抗电流分别为i1、i2、i3、i4。由(i1+i4) /(i2+i3)的值可以确定角锥棱镜的直线度误差。角锥棱镜的位移与光束移动的关系如图4所示。角锥棱镜在移动的过程中，如果前轴有变形，则会在水平和垂直两个方向产生位移偏量δ，激光在经角锥棱镜的反射后会产生2δ的偏移，所以，角锥棱镜作为检测的元件能够使检测仪灵敏度提高(提高1倍)。前轴检验仪工作示意图如图5所示。

图3　检验系统探测器原理

图4　角锥棱镜位移与光束移动的关系

图5　前轴检验仪工作示意图

5　结语

激光检验仪是汽车前轴检验的重要工具，可以精确测量出汽车前轴由于受到外界冲击力而产生的变形量，实现精确无误的测量功能。

参考文献：

[1]丁鸣朝.北京福田系列汽车使用与检修[M].北京：金盾出版社，2015.

[2]吴文琳.图解汽车底盘构造[M].北京：化学工业出版社，2007.

[3]陈明宏.底盘修理[M].北京：国防工业出版社，2014.

[4]李燕华.北京福田系列汽车的构造与维修[M].北京：国防工业出版社，2012.

[5]张建俊.汽车诊断与检测技术[M].北京:人民交通出版社，2013.

[6]姚启钧.光学教程[M].第4版.北京：高等教育出版社，2008.

[7]金国藩，李景镇.激光测量学[M].北京：科学出版社，2009.

[8]陈强华，吴健，殷纯永.双频激光远程直线度/同轴度测量系统[J].中国激光,2002(7):15-16.