CN100462708C - 主轴系统不平衡量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述主轴系统不平衡量的测量方法，是建立在先行确定轮胎不平衡质量与动平衡测试机上、下校正面不平衡力偶量之间的对应线性关系，进而测得多组成对不平衡量实测值并计算出主轴系统实际不平衡量值。

Description

主轴系统不平衡量的测量方法

技术领域

本发明涉及轮胎动平衡主轴系统不平衡量的测量方法。

背景技术

目前国内单位和家庭购买汽车的数量大幅增长，对于汽车轮胎使用寿命的质量标准提出了更高要求。

汽车用轮胎是一种筒状断面的圆环型可旋转体，其是由多层带有钢丝帘线的橡胶预制材料、复合橡胶预制材料经贴合、成型、硫化定型加工而成。所述结构的轮胎，其构成材料不可避免地存在着分布不均或质量中心与轮胎的几何中心不重合(所谓的质量偏心)等问题，也就是常说的轮胎不平衡量。根据相关力学原理，存在一定程度质量偏心的轮胎，在高速旋转情况下必定会产生交变的径向力，从而会引起汽车的振动或噪声，也会影响到汽车运行的速度、舒适度或平稳度。如果轮胎的不平衡量过大，严重的还会损坏汽车零部件，甚至会引发交通事故。

现有轮胎制造过程中对于轮胎不平衡量的检测，是必须和关键的一个流程。如申请号为02106779，用于测量轮胎均匀性和/或动平衡的设备和方法的专利，其设备包括一根可转动地支承在一个被刚性支承的主轴壳体中的主轴，所述轮胎固定地安装在所述主轴上，当测量进行时，所述主轴被转动；以及至少一个安装在所述主轴壳体上的压电式力传感器，当所述主轴转动时，所述至少一个压电式力传感器检测轮胎转动产生的力。

如上述专利所披露的检测装置和方法，并未揭示和说明对于主轴系统不平衡的大小如何测量和标定出来.如果对于主轴系统本身的不平衡量不加以标定的话，无论如何改进被测轮胎的不平衡量检测，仍会产生不确定值和误差。对于纠正轮胎不平衡量来说，只能是从一种不平衡到另一种不平衡.

本发明所述主轴系统不平衡量的测量方法，其目的旨在解决上述问题和不足而提供有主轴系统不平衡量的测量方法.

本发明所述的测量方法，是建立在先行确定轮胎不平衡质量与动平衡试验机上、下校正面不平衡力之间的对应线性关系，即对包括主轴系统的动平衡试验机标定出其不平衡量的标定系数。

本发明所述的测量方法，当将被测轮胎装卡在主轴系统上时，可以多次按180°旋转被测轮胎，以测得多组成对不平衡量实测值。而这多组不平衡量实测值，是主轴系统和被测轮胎不平衡量合值。

对于同一被测轮胎来说，按180°旋转后得出的多组成对不平衡量产生的力，均具有大小相等、方向相反的特性，即合力为零，也就是合计值为零。

通过将上述被测轮胎产生的多组合力去除，即可得到主轴系统的不平衡量。

只要将主轴系统的不平衡量测算并标识出，再就达到使用动平衡试验机对任一轮胎进行准确测量轮胎不平衡量的目的。

本发明所述的测量方法步骤是：

第一步，取一只标准轮胎放在主测单元并装卡在主轴系统上，进行充气；

按一定转速旋转主轴系统，并测得主轴系统和被测轮胎的合成的不平衡量为M₀，停止旋转，放气，上轮辋升起；

第二步，将轮胎在主轴系统上旋转360°/n(n＝2，4，6，...，n为测量次数；理论上要求n为偶数，实际应用一般n≤10)；重复第一步操作，上轮辋下降，装卡轮胎并充气，充气气压保持不变；依次得到主轴系统和被测轮胎的合成的不平衡量，直至将n次测量完；

第三步，将n次测量的结果Mi(i＝0，1，...，n-1)进行矢量和计算，并标度变换后除n。

被测轮胎的不平衡量被抵消，则得到的是主轴系统不平衡量M，即

$M=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Mi}}{n}$

本发明所述的主轴系统不平衡量的测量方法，需要多次测量主轴系统和被测轮胎的不平衡量值，因而实现所述测量方法的前提是要准确标定出主轴系统所产生的不平衡量值。

这就需要被测轮胎和主轴系统在动平衡试验机校正面产生的不平衡量，通过实测得到的校正面不平衡力与标定系数来最终确定。

因此，确定动平衡试验机不平衡量的标定系数，是实现本发明所述主轴系统不平衡量测量方法的关键问题。

所述不平衡量的标定系数，设定为k1、k2、k3、k4，而且其标定系统是确定不变的，无论被测轮胎的不平衡质量(设定为m)怎样变化。

所以，可以通过选择任一被测轮胎来测算出上述标定系数k1、k2、k3、k4。具体地：

第一步，推导出上、下校正面的离心力与测力传感器实测值间的对应线性关系。即：

根据力矩平衡原理，上、下校正面求矩的结果应为0，因而可以建立被测轮胎在上校正面所产生的离心力F_s，分别与上、下力传感器实测值的N_s、N_x之间的线性关系表达式；以及，被测轮胎在下校正面所产生的离心力Fx，分别与上、下力传感器实测值的N_s、N_x之间的线性关系表达式。

第二步，通过被测轮胎上、下校正面产生的离心力F_s、F_x计算出轮胎偏心质量m。

第三步，通过轮胎质量偏心m，确立被测轮胎上、下校正面的不平衡质量m_s、m_x与力传感器实测得不平衡力N之间的线性关系，(包括N_s、N_x)之间的对应关系，即标定系数k1、k2、k3、k4。

如上所述，通过标定系数k1、k2、k3、k4，可以确定被测轮胎不平衡质量m与力传感器实测得不平衡力N之间的线性关系。

确定标定系数k1、k2、k3、k4的数值，可以利用上述m与N之间的线性关系，通过多次在上校正面、下校正面加装一定质量的、加装角度相同的砝码、以一定的转速实际测得的不平衡力N来计算出来。

标定系数k1、k2、k3、k4数值一旦确定，即可针对主轴系统的不平衡量进行测算并最终完成其标识工作。

综上所述的主轴系统不平衡量的测量方法，可以直观地测算出主轴系统本身所产生的不平衡量，从而建立一种具有基准尺度的轮胎不平衡量测量方法。建立在上述主轴系统不平衡量测量方法上，所测得轮胎不平衡量较为准确，可实现具有针对性的、从不平衡到平衡的轮胎校正操作。

附图说明

图1是动平衡测试机的主要结构示意图。

如图1所示，应用本发明所述主轴系统不平衡量测量方法的的动平衡试验机，主要包括有下轮辋1，上轮辋2，砝码3，上校正面4，轮胎5，下校正面6，上轮辋卡紧机构7，上力传感器8，主轴支承9，下力传感器10、旋转编码器11。其中，

Ns是上力传感器实测值，

Nx是下力传感器实测值，

A是两个力传感器之间的距离，

B是上传感器到下轮辋下表面的距离，

C是轮胎的胎面宽度(也就是上、下轮辋间的工作距离)，

r是上、下校正面(轮辋)的半径。

具体实施方式

实施例1，结合图1所示的动平衡试验机结构，本发明所述主轴系统不平衡量的测量方法，在确定并将动平衡试验机安装到位后，选择任一具有偏心质量m的被测轮胎，首先建立标定系数k与被测轮胎不平衡质量m、以及实测得不平衡力N之间的线性数学表达式，其线性模型推导过程是：

第一步，如图1所示，根据力矩平衡原理，对上、下校正面分别求矩，并计算出被测轮胎上、下校正面产生的离心力。

即对上校正面求矩，其结果应为0，即∑Ms＝0。解得：

$F_x=\frac{B+C}{C}{N}_s-\frac{A+B+C}{C}{N}_x---\left(1\right)$

其中，F_x是被测轮胎分解到下校正面的离心力。

再对下校正面求矩，其结果应为0，即∑Mx＝0。解得：

$F_s=\frac{A+B}{C}{N}_x-\frac{B}{C}{N}_s---\left(2\right)$

其中，F_s是被测轮胎分解到上校正面的离心力。

第二步，通过被测轮胎分解到上、下校正面的离心力，有：

F＝F_s+F_x              (3)

其中，F是偏心质量m在半径为r轮辋处产生的离心力。

根据离心力产生原理，可计算出轮胎质量偏心m；

m＝F/rω²               (4)

r是上、下校正的半径，

ω是轮胎旋转的角速度，逆时针旋转力矩为正，顺时针旋转力矩为负；

第三步，通过轮胎偏心质量m，确立被测轮胎等效分解到校正面的质量m_s、m_x与传感器实测得不平衡力N_s、N_x之间的线性关系，即标定系数k；

将上述方程(1)、(2)、(3)、(4)式联立，建立以下线性关系的表达式

$\left\{\begin{array}{c}{m}_s=k_1{N}_s+k_2{N}_x\\ m_x=k_3{N}_s+k_4{N}_x\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中：

m_s是被测轮胎分解到上校正面的不平衡质量，

m_x是被测轮胎分解到下校正面的不平衡质量，

k1、k2、k3、k4是所述的标度变换系数，即标定系数。

通过如上所述的线性模型推导过程，标定系数k1、k2、k3、k4对于特定具体的动平衡试验机来说是确定不变的，无论被测轮胎的不平衡质量m怎样变化。

因而，只需测算出标定系数k1、k2、k3、k4，即可用数值的形式来表达出被测轮胎上、下校正面的不平衡质量m_s、m_x。

以下是测算标定系数k1、k2、k3、k4的具体流程：

第一步，仅安装被测轮胎的测试取值。

将被测轮胎安装在上、下轮辋之间，并在200-1000rpm之间选择某一转速进行旋转，测得轮胎和主轴系统的整体不平衡量，即整体不平衡量对应上、下传感器的实测为N_s0、N_x0。测得上述实测值后，即停止旋转。

第二步，在上校下面加一定质量砝码后的测试取值。

在上校正面加质量为m1(一般为50-200g)的砝码，然后仍上步骤的转速进行旋转，测得加装砝码后的轮胎和主轴系统的整体不平衡量，即对应上、下传感器的实测值N_ss、N_xs。

测得上述实测值后，即停止旋转。

根据上述方程式(5)，可以得出

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1(N_{\mathrm{ss}}-N_{s0})+k_2(N_{\mathrm{xs}}-N_{x0})=m1\\ k_3(N_{\mathrm{ss}}-N_{s0})+K_4(N_{\mathrm{xs}}-N_{x0})=0\end{array}\right.---\left(6\right)$

上述表达式中有4个未知量k1、k2、k3、k4，尚不能解算出具体值，因而还需再取一组数值。

第三步，在下校下面加一定质量砝码后的测试取值。

从上校正面取下质量为m1的砝码加在下校正面的同一角度上，并采用与上步相同的转速旋转，测得加装砝码后的轮胎和主轴系统的整体不平衡量，即对应上、下传感器的实测值N_sx、N_xx。测得上述实测值后，即停止旋转。

基于相同原理，根据方程式(5)，可以得出

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1(N_{\mathrm{sx}}-N_{s0})+k_2(N_{\mathrm{xx}}-N_{x0})=0\\ k_3(N_{\mathrm{sx}}-N_{s0})+K_4(N_{\mathrm{xx}}-N_{x0})=m1\end{array}\right.---\left(7\right)$

实际上，N_s0、N_x0、N_ss、N_xs、N_sx、N_xx、m1均为已知值，因而可将方程组(6)、(7)联立，

设N_ss-N_s0＝T1，N_xs-N_x0＝T2，N_sx-N_s0＝T3，N_xx-N_x0＝T4，从而可以解得：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=m1T_4/(T_1{T}_4-T_2{T}_3)\\ k_2=m1T_3/(T_2{T}_3-T_1{T}_4)\\ k_3=m1T_2/(T_2{T}_3-T_1{T}_4)\\ k_4=m1T_1/(T_1{T}_4-T_2{T}_3)\end{array}\right.$

此时所求得的标定系数k1、k2、k3、k4是实际测算值。

应用上述动平衡测试机，对于任一被测轮胎均可通过方程式(5)，并根据标定系数k1、k2、k3、k4，以及上、下力传感器实测值N_s、N_x，最终确定被测轮胎上、下校正面的不平衡质量m_s、m_x。

应用上述测算出的标定系数k1、k2、k3、k4，可按以下流程来计算包括主轴系统和被测轮胎的整体不平衡量。其测量步骤是：

第一步，取一只标准轮胎放在主测单元并装卡在主轴系统上，进行充气；

按一定转速旋转主轴系统，并测得主轴系统和被测轮胎的合成的不平衡量为M₀，停止旋转，放气，上轮辋升起；

第二步，将轮胎在主轴系统上旋转360°/n(n＝2，4，6，...，n为测量次数；理论上要求n为偶数，实际应用一般n≤10)；重复第一步操作，上轮辋下降，装卡轮胎并充气，充气气压保持不变；依次得到主轴系统和被测轮胎的合成的不平衡量，直至将n次测量完；

第三步，将n次测量的结果Mi(i＝0，1，...，n-1)进行矢量和计算，并标度变换后除n。

被测轮胎的不平衡量被抵消，则得到的是主轴系统不平衡量M，即

$M=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Mi}}{n}$

Claims (3)

1.一种主轴系统不平衡量的测量方法，其应用于轮胎动平衡试验机上，其特征在于：所述测量方法，是建立在先行确定轮胎不平衡质量与动平衡试验机上、下校正面不平衡力之间的标定系数基础上；

将被测轮胎装卡在主轴系统上并多次按180°旋转被测轮胎，以测得多组成对不平衡量实测值Mi，i＝0，1，...，n-1；

在将上述n次实测值Mi进行矢量和计算后，通过抵消掉被测轮胎的不平衡量来测量出主轴系统的不平衡量M，所述测量方法的流程是：

第一步，取一只标准轮胎放在主测单元并装卡在主轴系统上，进行充气；

按一定转速旋转主轴系统，并测得主轴系统和被测轮胎的合成的不平衡量为M₀，停止旋转，放气，上轮辋升起；

第二步，将轮胎在主轴系统上旋转360°/n，n＝2，4，6，...，n为测量次数；n为偶数，n≤10；重复第一步操作，上轮辋下降，装卡轮胎并充气，充气气压保持不变；依次得到主轴系统和被测轮胎的合成的不平衡量，直至将n次测量完；

第三步，将n次测量的结果Mi，i＝0，1，...，n-1，进行矢量和计算，并标度变换后除n；

被测轮胎的不平衡量被抵消，则得到的是主轴系统不平衡量M，即

$M=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Mi}}{n},$

所述的测量方法中，需要建立轮胎不平衡质量与动平衡试验机校正面不平衡力之间的标定系数k1、k2、k3、k4；标定系数对于相同的动平衡试验机同一规格的轮胎是确定不变的；对于某一轮胎动平衡试验机，在将被测轮胎安装到校正面后实际测得的不平衡力N，包括所述动平衡试验机的上、下力传感器实测值N_s、N_x，以及被测轮胎不平衡质量m，包括被测轮胎上、下校正面的不平衡质量m_s、m_x，来确定标定系数k1、k2、k3、k4的具体数值，

所述标定系数的测算包括以下两个流程，即确定被测轮胎不平衡质量m与实测得校正面不平衡力偶量N之间的线性关系；以及，应用上述m与N之间的线性关系，通过在所述动平衡测试机的上、下校正面分别加装一定质量和固定角度的相同砝码、并以相同的转速旋转而实际测得的不平衡力N来计算出标定系数k1、k2、k3、k4的具体数值。

2.根据权利要求1所述的主轴系统不平衡量的测量方法，其特征在于：所述的确定被测轮胎不平衡质量m与实测得不平衡力N之间的线性关系的流程是：

第一步，根据力矩平衡原理，对上、下校正面分别求矩，并计算出被测轮胎上、下校正面产生的离心力；

即对上校正面求矩，其结果应为0，即∑Ms＝0；解得：

$F_x=\frac{B+C}{C}{N}_s-\frac{A+B+C}{C}{N}_x---\left(1\right)$

其中，F_x是被测轮胎分解到下校正面的离心力；

A是两个力传感器之间的距离，

B是上传感器到下轮辋下表面的距离，

C是轮胎的胎面宽度，也就是上、下轮辋间的工作距离；

再对下校正面求矩，其结果应为0，即∑Mx＝0；解得：

$F_s=\frac{A+B}{C}{N}_x-\frac{B}{C}{N}_s---\left(2\right)$

其中，F_s是被测轮胎分解到上校正面的离心力；

第二步，通过被测轮胎分解到上、下校正面的离心力，有：

F＝F_s+F_x  (3)

其中，F是偏心质量m在半径为r轮辋处产生的离心力；

根据离心力产生原理，可计算出轮胎质量偏心m；

m＝F/rω²    (4)

r是上、下校正的半径，

ω是轮胎旋转的角速度，逆时针旋转力矩为正，顺时针旋转力矩为负；

第三步，通过轮胎偏心质量m，确立被测轮胎等效分解到校正面的质量m_s、m_x与传感器实测得不平衡力N_s、N_x之间的线性关系，即标定系数k；

将上述方程(1)、(2)、(3)、(4)式联立，建立以下线性关系的表达式

$\left\{\begin{array}{c}{m}_s=k_1{N}_s+k_2{N}_x\\ m_x=k_3{N}_s+k_4{N}_x\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中：

m_s是被测轮胎分解到上校正面的不平衡质量，

m_x是被测轮胎分解到下校正面的不平衡质量，

k1、k2、k3、k4是所述的标度变换系数，即标定系数。

3.根据权利要求2所述的主轴系统不平衡量的测量方法，其特征在于：具体地测算标定系数k1、k2、k3、k4的流程是：

第一步，仅安装被测轮胎的测试取值；

将被测轮胎安装在上、下轮辋之间，并在200-1000rpm之间选择某一转速进行旋转，测得轮胎和主轴系统的整体不平衡量，即整体不平衡量对应上、下传感器的实测为N_s0、N_x0，测得上述实测值后，即停止旋转；

第二步，在上校下面加一定质量砝码后的测试取值；

在上校正面加质量为m1为50-200g的砝码，然后仍上步骤的转速进行旋转，测得加装砝码后的轮胎和主轴系统的整体不平衡量，即对应上、下传感器的实测值N_ss、N_xs；测得上述实测值后，即停止旋转；

根据上述方程式(5)，得出

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1(N_{\mathrm{ss}}-N_{s0})+k_2(N_{\mathrm{xs}}-N_{x0})=m1\\ k_3(N_{\mathrm{ss}}-N_{s0})+k_4(N_{\mathrm{xs}}-N_{x0})=0\end{array}\right.---\left(6\right)$

第三步，在下校下面加一定质量砝码后的测试取值；

从上校正面取下质量为m1的砝码加在下校正面，并采用与上步相同的旋转，测得加装砝码后的轮胎和主轴系统的整体不平衡量，即对应上、下传感器的实测值N_sx、N_xx；测得上述实测值后，即停止旋转；

基于相同原理，根据方程式(5)，得出

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1(N_{\mathrm{sx}}-N_{s0})+k_2(N_{\mathrm{xx}}-N_{x0})=0\\ k_3(N_{\mathrm{sx}}-N_{s0})+k_4(N_{\mathrm{xx}}-N_{x0})=m1\end{array}\right.---\left(7\right)$

实际上，N_s0、N_x0、N_ss、N_xs、N_sx、N_xx、m1均为已知值，因而可将方程组(6)、(7)联立，

设N_ss-N_s0＝T1，N_xs-N_x0＝T2，N_sx-N_s0＝T3，N_xx-N_x0＝T4，从而可以解得：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=m1T_4/(T_1{T}_4-T_2{T}_3)\\ k_2=m1T_3/(T_2{T}_3-T_1{T}_4)\\ k_3=m1T_2/(T_2{T}_3-T_1{T}_4)\end{array}\right.$

k₄＝m1T₁/(T₁T₄-T₂T₃)。

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