郭曉冬　閆　軍　郭　超

(內(nèi)蒙古計(jì)量測試研究院，呼和浩特 010020)

0　引言

水準(zhǔn)式車輪定位測量儀是測量汽車轉(zhuǎn)向輪外傾角、轉(zhuǎn)動(dòng)主銷內(nèi)傾角、轉(zhuǎn)動(dòng)主銷后傾角及車輪前束的計(jì)量器具。全國成千上萬家的汽車維修企業(yè)和幾千個(gè)機(jī)動(dòng)車性能檢測站都配備和使用了此種儀器。水準(zhǔn)式車輪定位測量儀就是測量汽車車輪定位參數(shù)的儀器，其技術(shù)性能與汽車操縱穩(wěn)定性密切相關(guān)，對(duì)汽車行駛安全越來越重要，因此其量值的準(zhǔn)確與否直接影響到汽車行駛安全。所以，對(duì)水準(zhǔn)式車輪定位測量儀校準(zhǔn)是十分必要的。

原機(jī)械工業(yè)部有JJG(汽車)03-95《水準(zhǔn)車輪定位儀》檢定規(guī)程，但隨著社會(huì)進(jìn)步及計(jì)量技術(shù)水平提升，該規(guī)程已不能滿足要求。作為規(guī)程的主要起草人，經(jīng)過兩年多的努力，在征求國內(nèi)知名專家和各個(gè)科研院所意見的基礎(chǔ)上，研制了輔助直角座，實(shí)現(xiàn)了在角度標(biāo)準(zhǔn)裝置上對(duì)兩組垂直方向水準(zhǔn)泡的校準(zhǔn)，同時(shí)經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，制定了該校準(zhǔn)規(guī)范。

JJF 1377—2012《水準(zhǔn)式車輪定位測量儀》校準(zhǔn)規(guī)范已于2013年03月12日正式執(zhí)行，本文主要是對(duì)規(guī)范的特點(diǎn)和規(guī)范名稱命名的原因進(jìn)行了說明，然后分析和討論了其中幾項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，以便更好地指導(dǎo)實(shí)際校準(zhǔn)工作。

JJF 1377—2012《水準(zhǔn)式車輪定位測量儀》校準(zhǔn)規(guī)范是為水準(zhǔn)式車輪定位測量儀校準(zhǔn)而制定的，同時(shí)也是各地市建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)?？紤]到“車輪定位儀”不僅可以用于測量汽車前輪(轉(zhuǎn)向輪)的外傾角、轉(zhuǎn)動(dòng)主銷后傾角、轉(zhuǎn)動(dòng)主銷內(nèi)傾角及前束，而且可以測量汽車后輪的外傾角及前束，所以，名稱用“車輪定位測量儀”更合適。同時(shí)，根據(jù)其測量原理，本規(guī)范就命名為“水準(zhǔn)式車輪定位測量儀計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范”。

本校準(zhǔn)規(guī)范的主要依據(jù)是GB 7258—2004《 機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》和GB/T 3730.3—1992《 汽車和掛車的術(shù)語及其定義車輛尺寸》，同時(shí)參考了原機(jī)械工業(yè)部JJG(汽車)03-1995《水準(zhǔn)車輪定位儀檢定規(guī)程》。嚴(yán)格地說，水準(zhǔn)式車輪定位測量儀是一種測量角度的組合式計(jì)量器具，因此，在制定校準(zhǔn)規(guī)范的過程中充分考慮了其組合式的特殊性，確保校準(zhǔn)方法和技術(shù)特性具有科學(xué)性、普遍性和實(shí)用性。

1　本規(guī)范的主要特點(diǎn)

1)在概述中明確闡述了水準(zhǔn)測量器的測量原理，并將主銷后傾角與主銷內(nèi)傾角水泡角度示值與該水準(zhǔn)泡軸線的水平傾斜角度的比例關(guān)系以比例系數(shù)ηθ進(jìn)行定義， 同時(shí)在附錄中給出推導(dǎo)過程便于讀者理解。

2)水準(zhǔn)式車輪定位測量儀的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)中都沒有提到“分度值”的技術(shù)指標(biāo)，考慮到計(jì)量器具分度值的重要性，在這里本規(guī)范提出水準(zhǔn)測量器及轉(zhuǎn)盤的分度值均為0.5°，前束尺的分度值為1mm。

3)水準(zhǔn)式車輪定位測量儀的示值誤差，基本上都為5%，因?yàn)楫?dāng)測量1°時(shí)，5%誤差即為0.05°=3′，在水準(zhǔn)器上是根本無法認(rèn)定的。所以，本規(guī)范規(guī)定：水準(zhǔn)測量器的示值誤差為“ ± 0.5°或± 5% ”，滿足兩組要求中任一項(xiàng)即可，因?yàn)樗疁?zhǔn)測量器的分度值規(guī)定為0.5°，估讀1/5是可行的。

4)轉(zhuǎn)盤示值誤差，也為5%，在測量轉(zhuǎn)動(dòng)主銷內(nèi)傾角及后傾角時(shí)，因?yàn)樗鼈兪强臻g立體角，必須采用轉(zhuǎn)盤左轉(zhuǎn)20°，再右轉(zhuǎn)20°才能得到。所以，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角的正確性將直接影響到轉(zhuǎn)動(dòng)主銷內(nèi)傾角及后傾角的測量結(jié)果準(zhǔn)確性。

主銷內(nèi)傾角β數(shù)學(xué)模型

β=φ/2sinθ

式中，φ為車軸傾斜角(車軸與水平面的夾角)。

我們假設(shè)，車軸傾斜角φ為5°，計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角正確性對(duì)主銷內(nèi)傾角示值誤差的影響

從表1中的數(shù)據(jù)可以看到，主銷內(nèi)傾角的示值誤差允許± 0.5°，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角的準(zhǔn)確性以不超過± 1.0°為宜。

5)前束尺的示值誤差，因?yàn)橐话丬囕v同軸左右輪的輪距在2～4m，為保證前束測量的準(zhǔn)確性，其示值誤差為±2mm比較恰當(dāng)。

6)增加了“輔助直角座”，由于水準(zhǔn)測量器實(shí)際上是由兩組相互垂直的“水泡”構(gòu)成，所以在一個(gè)定軸旋轉(zhuǎn)的角度標(biāo)準(zhǔn)裝置上，必須加上“輔助直角座”才能滿足校準(zhǔn)需要。

7)對(duì)轉(zhuǎn)盤的校準(zhǔn)給出了兩種方法，其中采用經(jīng)緯儀校準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤相對(duì)較為方便。經(jīng)緯儀的準(zhǔn)確度是可以忽略的，目前市場上比較普遍的是DJ6級(jí)經(jīng)緯儀，只要檢定合格就可使用。而且，規(guī)范中規(guī)定：“用望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)處(>15m)目標(biāo)線”，在這種情況下，即使“經(jīng)緯儀豎軸中心”與轉(zhuǎn)盤中心偏差10mm時(shí)，所引起的角度差也滿足要求(10mm/15m)=0.00067rad≈0.038°)。

2　用經(jīng)緯儀校準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤測量不確定度的評(píng)定

2.1　數(shù)學(xué)模型

校準(zhǔn)時(shí)，將經(jīng)緯儀安置在被校轉(zhuǎn)盤上，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度值ω時(shí)，讀取經(jīng)緯儀的標(biāo)準(zhǔn)角度值ω*。被校水準(zhǔn)式車輪定位測量儀轉(zhuǎn)盤示值誤差測量結(jié)果的數(shù)學(xué)模型為

Δω=ω-ω*

(1)

依方程

(2)

由式(1)得方差

(3)

式中：u(ω)為轉(zhuǎn)盤角度示值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；u(ω*)為經(jīng)緯儀角度示值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。

傳播系數(shù)

c(ω)=?Δω/?ω=1

(4)

c(ω*)=?Δω/?ω*=-1

(5)

根據(jù)式(4)、(5)得標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u2(Δω)=(1)2u2(ω)+(-1)2u2(ω*)

(6)

2.2　輸入量的不確定度來源

1)被檢轉(zhuǎn)盤角度示值ω對(duì)準(zhǔn)偏差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(ω)=u1

2)由經(jīng)緯儀重復(fù)性測量結(jié)果估計(jì)值ω*引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

uA(ω*) =uA

3)由經(jīng)緯儀豎軸中心與轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)中心不重合引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(ω*)=u2

4)由經(jīng)緯儀本身準(zhǔn)確度ω*引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2(ω*)=u3

2.3　標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

2.3.1被校轉(zhuǎn)盤示值ω對(duì)準(zhǔn)偏差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

根據(jù)測量方法，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度值時(shí)，讀取經(jīng)緯儀的標(biāo)準(zhǔn)角度值。由于轉(zhuǎn)盤刻度及指標(biāo)線比較粗糙，對(duì)準(zhǔn)誤差估計(jì)為1/10分度值。一般轉(zhuǎn)盤的分度值為1°，測量某一角度時(shí)，首先對(duì)準(zhǔn)“零”刻線，再對(duì)準(zhǔn)所測量刻度線，需要對(duì)準(zhǔn)2次。按均勻分布計(jì)，則引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.3.2經(jīng)緯儀重復(fù)性測量結(jié)果估計(jì)值ω*的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度值時(shí)，讀取經(jīng)緯儀的標(biāo)準(zhǔn)角度值。由于轉(zhuǎn)盤分度值比較“粗”及刻度線的對(duì)準(zhǔn)等因素，使對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤同一測量點(diǎn)所得經(jīng)緯儀的標(biāo)準(zhǔn)角度值會(huì)有所變化。采用A類方法進(jìn)行評(píng)定。在標(biāo)準(zhǔn)裝置及被校轉(zhuǎn)盤正常工況條件下，在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)至30°時(shí)等精度重復(fù)測量10次，測得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)至30°時(shí)重復(fù)測量測得數(shù)據(jù)

實(shí)際測量時(shí)，在每個(gè)測量點(diǎn)讀取1次，故測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

uA(ω*)=6.3′

2.3.3經(jīng)緯儀豎軸中心與轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)中心不重合引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

根據(jù)校準(zhǔn)方法，應(yīng)將經(jīng)緯儀的豎軸中心O*處于轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)中心O上，實(shí)際上不存在偏心量e。經(jīng)多次試驗(yàn)經(jīng)緯儀的豎軸中心與轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)中心的偏心差超過10mm。根據(jù)規(guī)范規(guī)定經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)距轉(zhuǎn)盤中心(≥15m)的A和B，如圖1所示。

圖1　經(jīng)緯儀校準(zhǔn)“轉(zhuǎn)盤”示值誤差方法示意圖

偏心引起的角度誤差(按最大測量角30°計(jì))為

=arcsin(0.00033)= 1.1′

按均勻分布計(jì)，引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.3.4經(jīng)緯儀本身準(zhǔn)確度ω*引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，允許采用DJ6級(jí)經(jīng)緯儀測量，根據(jù)JJG 414—2003《光學(xué)經(jīng)緯儀》規(guī)程規(guī)定一測回水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差為20″(即0.33 ′)，則u2(ω*)=0.33 ′，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表見表3。

表3　標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表

2.4　合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

由于各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量相互無關(guān)，故

2.5　擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

U=k·uc= 16′=0.27°(取k=2)

2.6　測量不確定度的報(bào)告

根據(jù)被校準(zhǔn)水準(zhǔn)式車輪定位測量儀對(duì)轉(zhuǎn)盤示值誤差不得超過±1.0°的要求，測量結(jié)果擴(kuò)展不確定度評(píng)定為U=0.27°

3　結(jié)束語

通過對(duì)本規(guī)范主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析和解讀，可得出以下結(jié)論： 我們制定的 《水準(zhǔn)式車輪定位測量儀校準(zhǔn)規(guī)范》用于水準(zhǔn)式車輪定位測量儀的校準(zhǔn)是可行的,達(dá)到了國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范在制定中提出的計(jì)量性能及技術(shù)要求，主要技術(shù)指標(biāo)科學(xué)合理、操作性強(qiáng)，而且便于實(shí)施。

[1]GB 7258—2004機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件

[2]JJF 1001—2011通用計(jì)量術(shù)語及定義

[3]JJF 1071—2010國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則

[4]JJF 1059—2012測量不確定度評(píng)定與表示

[5]JJG(汽車)03—1995水準(zhǔn)車輪定位儀檢定規(guī)程

[6]GB/T 3730.3—1992汽車和掛車的術(shù)語及其定義車輛尺寸

[7]汽車檢測人員崗位培訓(xùn)教材.汽車綜合性能檢測.上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2000

[8]JJG 892—2011《驗(yàn)光儀》檢定規(guī)程的解讀與分析.計(jì)量技術(shù)，2013(10)