CN102759335A - 汽车车轮检测机气体静压测头机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了汽车车轮检测机气体静压测头机构，包括测杆，测头，测头呈圆球形状，测头通过连接在测杆上的气体静压支撑机构支撑；所述气体静压支撑机构的结构为：包容件连接在测杆上，包容件上设有测头的支撑球面，支撑球面与测头之间留有一定的间隙，包容件上设有通气孔，支撑球面上设有多个对称设置的节流小孔，节流小孔与通气孔连通；当气体从包容件上的通气孔流入，经节流小孔进入测头与支撑球面之间的间隙，形成具有一定的刚度及承载能力的气膜，此时测头能在支撑球面上万向旋转。本发明创新结构，形成具有一定的刚度及承载能力的气膜，实现测头在支撑球面上的万向旋转，保证测头与被测车轮之间的相对运动为纯滚动，可大幅降低检测所需的驱动力，提高检测精度。

Description

汽车车轮检测机气体静压测头机构
技术领域
本发明涉及汽车车轮检测机上的一种新型测头机构，尤其是气体静压测头机构。
背景技术
汽车车轮是汽车的重要组成部件，并直接关系到车辆高速行驶的安全性和舒适性。汽车车轮检测的关键指标中，汽车车轮的径向跳动及轴向跳动的检测是其中检测的指标之一。 汽车车轮轴向跳动和径向跳动有效测量部位的空间尺寸非常小，又要考虑检测效率，需要一个测头机构同时检测轴向跳动和径向跳动。测头机构可分为接触式和非接触式，由于非接触式测头稳定性差，工程上一般选用接触式测头机构。在检测过程中，车轮在回转驱动机构带动下旋转，测头与被测车轮在检测部位相接触，测头相对于车轮存在两个方向的表面移动，现有的测头机构一般只能保证一个方向上为滚动，在另一个方向为滑动。这样，在检测过程中不仅测头容易磨损，需要频繁更换测头，而且摩擦力还会影响测量精度。也有汽车车轮检测机采用滚动测量轮进行检测，但也不能完全保证其相对运动为纯滚动，而且这种机构结构复杂，装备难度大。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽车车轮检测机气体静压测头机构，，在检测过程中能够万向旋转，保证测头与被测车轮之间的相对运动为纯滚动，以提高检测精度。
为此，本发明的技术方案如下：汽车车轮检测机气体静压测头机构，包括测杆，测头，其特征在于：测头呈圆球形状，测头通过连接在测杆上的气体静压支撑机构支撑；所述气体静压支撑机构的结构为：包容件连接在测杆上，包容件上设有测头的支撑球面，支撑球面与测头之间留有一定的间隙，包容件上设有通气孔，支撑球面上设有多个对称设置的节流小孔，节流小孔与通气孔连通；当气体从包容件上的通气孔流入，经节流小孔进入测头与支撑球面之间的间隙，形成具有一定的刚度及承载能力的气膜，此时测头能在支撑球面上万向旋转。
有益效果：本发明创新结构，从包容件上的通气孔流入，经节流小孔进入测头与支撑球面之间的间隙，形成具有一定的刚度及承载能力的气膜，实现测头在支撑球面上的万向旋转，保证测头与被测车轮之间的相对运动为纯滚动，测头在检测过程中几乎无磨损，可大幅降低检测所需的驱动力，提高检测精度。
附图说明
图1是本发明气体静压测头机构的检测原理图。
图2是本发明气体静压测头机构的主视图。
图3是本发明气体静压测头机构的俯视剖面图。
图4是本发明气体静压测头机构无偏心量（非工作状态）的气膜压力分布示意图。
图5是本发明气体静压测头机构有偏心量（工作状态）的气膜压力分布示意图。
图中所示：1为被测车轮；2为测头；3为轴向位移传感器；4为径向位移传感器；5为测杆；6为十字滑台；7、8为螺栓；9、10为定位销；11、12为夹板；13为气管接头（共4个）；14为气膜；15为节流小孔（共8个）；16为通气孔（共4个）；A为径向跳动方向；B为轴向端面跳动方向；                                                
Figure 487223DEST_PATH_IMAGE001
为气源压力；
Figure 52197DEST_PATH_IMAGE002
为测头无偏心量各节流孔出口压力；为测头有偏心量右侧各节流孔出口压力；为测头有偏心量左侧各节流孔出口压力；
Figure 361321DEST_PATH_IMAGE005
为环境压力；
Figure 413591DEST_PATH_IMAGE006
为测头无偏心量径向平均间隙；e为偏心量。
具体实施方式
如图1所示，是本发明气体静压测头机构的检测原理。检测时，车轮径向跳动的位移传递路线为：测头2→测杆5沿A向移动→十字滑台6→径向位移传感器4；车轮轴向跳动的位移传递路线为：测头2→测杆5沿B向移动→十字滑台6→轴向位移传感器3。
如图2、3所示的汽车车轮检测机气体静压测头机构，包括测杆5，测头2，测头2呈圆球形状，测头2通过连接在测杆上的气体静压支撑机构支撑；所述气体静压支撑机构的结构为：连接板11、连接板12通过螺栓7、螺栓8及定位销9、定位销10对称固定在测杆5上，连接板11、连接板12构成包容件，连接板11及连接板12的头部设有球窝，两个球窝构成测头的支撑球面，支撑球面与测头5之间留有一定的间隙，连接板11及连接板12设有通气孔16，连接板11的球窝及连接板12的球窝表面上设有多个对称设置的节流小孔15，节流小孔与通气孔16连通；当气体从连接板上的通气孔流入，经节流小孔进入测头与支撑球面之间的间隙，形成具有一定的刚度及承载能力的气膜14，此时测头能在支撑球面上万向旋转。连接板11、连接板12构成的包容件包容支撑测头，承受在检测过程中所产生的径向和轴向载荷。
连接板11及连接板12上的球窝表面上分别设有四个对称设置的节流小孔15，连接板11及连接板12上分别设有两个通气孔16，每个通气孔与两个节流小孔连通。
下面分析该种气体静压测头的承载能力和刚度：
在工作过程中，气体静压测头要承受水平方向和垂直方向的载荷。首先，分析水平方向上的载荷。将包容件与测头相对应的球面分成左右两半，每个半球面（球窝）由顶角为θ1和θ2的圆锥截出。
图4中是在每个半球面上以θ0为顶角的锥面上开设了4个节流孔。
气体从节流孔流入气膜会产生一定压力降，即从气源压力P0降至节流孔口压力Pd。如图4所示，是测头不检测（非工作）时的状态，测头与球面同心，它们间的间隙（气膜厚度为h0）处处相等。气体从节流孔流出后分两路，一路向内经θ1圆锥内边界流入大气，另一路向外经θ2圆锥外边界流入大气。气体压力将自孔口的Pd向两端降至大气压力Pa。压力的分布如图4所示，可见由于结构的对称，流动也完全对称(各节流孔出口压力都为
Figure 663307DEST_PATH_IMAGE002
)。所以，此时压力的合力为零，即测头机构没有支承外载荷的能力。
如图5所示，是测头检测（工作）时的状态，当测头在球面内沿水平方向产生一偏心量e时，测头（钢珠）与球面之间的间隙就要发生变化。由于气膜厚度的不同，造成气流的阻力也不一样。气膜厚度大的位置阻力小，而气膜厚度小的位置阻力大。因而气体自节流孔向环境区域流动时，测头左侧阻力小流动变快，使流经左侧节流孔的气流压力降变大，所以左侧节流孔孔口压力与无偏心量时相比较，有不同程度的下降(左侧各节流孔出口压力为
Figure 253774DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 563533DEST_PATH_IMAGE004
<
Figure 103099DEST_PATH_IMAGE002
)，从而引起气膜内的压力相应的下降（见图5）。而右侧恰与左侧相反，由于气膜厚度比无偏心量时小，流动阻力变大，速度变小，使节流孔孔口压力升高(右侧各节流孔出口压力为
Figure 156505DEST_PATH_IMAGE003
，>
Figure 70421DEST_PATH_IMAGE002
)。因而整个右侧气膜内压力也有程度不同的升高（见图5）。由于测头机构上下对称，作用在测头上的气体压力在垂直方向上的合力为零，而在水平方向上合力为
                         
Figure 831703DEST_PATH_IMAGE007
                          （1）
由上式（1）计算出的合力W的作用方向与偏心e的移动方向相反。W即为产生偏心e时对外反应出来的支承外载荷的能力，称为承载能力。
由于不同的e对应不同的W，所以在供气压力及节流器给定的情况下，就有一个相对应的关系，即
                         
Figure 688801DEST_PATH_IMAGE008
                            （2）
对上式（4.2）进行求导，可得到测头机构的刚度，即
                        
Figure 976563DEST_PATH_IMAGE009
                               （3）
假设气膜中的流动为等温状态下的一维流动，即测头右侧气膜压力分布表达式为（见刘暾等编著的《静压气体润滑》）
Figure 96965DEST_PATH_IMAGE010
  
                                    （
Figure 142282DEST_PATH_IMAGE011
≤
Figure 537491DEST_PATH_IMAGE012
<
Figure 679759DEST_PATH_IMAGE013
）           （4）
Figure 767801DEST_PATH_IMAGE014
                                           （
Figure 503676DEST_PATH_IMAGE013
≤
Figure 296052DEST_PATH_IMAGE012
<
Figure 699351DEST_PATH_IMAGE015
）        （5）
作用于等锥角θ的环形微元体上的力投影到水平方向上，然后积分并减去对应面上环境压力
Figure 427136DEST_PATH_IMAGE005
的影响，即可得到测头右侧合力，
       
Figure 181465DEST_PATH_IMAGE016
      （6）
当已知节流孔出口处压力
Figure 511952DEST_PATH_IMAGE017
时，就可以利用式（6）计算出测头右侧承载能力（左侧合力同理）。可以套用解非线性的气体静压轴承通用曲线方程得到，方程见式（7），
                  
Figure 934023DEST_PATH_IMAGE018
                   （7）
式中：
Figure 503545DEST_PATH_IMAGE019
表示气体通道系数；
Figure 44248DEST_PATH_IMAGE020
表示工作介质系数；
Figure 156560DEST_PATH_IMAGE021
表示结构系数（具体公式见刘暾等编著的《静压气体润滑》）。为无因次供气压力的倒数，
Figure 814123DEST_PATH_IMAGE023
；β为节流孔的节流压力比，
Figure 892938DEST_PATH_IMAGE024
。
测头的结构参数为：R=30mm，
Figure 859757DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 365825DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 175518DEST_PATH_IMAGE027
，n=4，d=0.2mm，
Figure 58023DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 879348DEST_PATH_IMAGE029
，测头平均间隙为
Figure 415372DEST_PATH_IMAGE030
。测头选择环形孔式节流器，计算不同偏心量时测头的承载能力，数值见表1。
表1中，
Figure 853307DEST_PATH_IMAGE031
与偏心量e的关系式为
Figure 742765DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 215335DEST_PATH_IMAGE033
与偏心量e的关系式为
Figure 656680DEST_PATH_IMAGE034
。
     表1
从表1和可以看出，
Figure 275061DEST_PATH_IMAGE031
为0.005mm至0.010mm之间某个值时，测头刚度最大。可以用插值法从表1中的数据计算出。
经计算，当水平方向上的偏心量e为0.0159mm时，测头水平方向上刚度最大，为
Figure 195612DEST_PATH_IMAGE036
；此时测头水平方向上的承载能力为72.92N。
同理，在垂直方向上的偏心量e为0.0169mm时，测头垂直方向上刚度最大，为
Figure 479963DEST_PATH_IMAGE037
；此时测头垂直方向上的承载能力为42.65N。

Claims (3)

1.汽车车轮检测机气体静压测头机构，包括测杆，测头，其特征在于：测头呈圆球形状，测头通过连接在测杆上的气体静压支撑机构支撑；所述气体静压支撑机构的结构为：包容件连接在测杆上，包容件上设有测头的支撑球面，支撑球面与测头之间留有一定的间隙，包容件上设有通气孔，支撑球面上设有多个对称设置的节流小孔，节流小孔与通气孔连通；当气体从包容件上的通气孔流入，经节流小孔进入测头与支撑球面之间的间隙，形成具有一定的刚度及承载能力的气膜，此时测头能在支撑球面上万向旋转。
2.根据权利要求1所述的汽车车轮检测机气体静压测头机构，其特征在于所述包容件的一种结构：连接板（11）、连接板（12）通过螺栓（7）、螺栓（8）及定位销（9）、定位销（10）对称固定在测杆（5）上，连接板（11）、连接板（12）构成包容件；连接板（11）及连接板（12）的头部设有球窝，两个球窝构成测头的支撑球面，连接板（11）及连接板（12）设有通气孔（16），连接板（11）的球窝及连接板（12）的球窝表面上设有多个对称设置的节流小孔（15），节流小孔与通气孔（16）连通。
3. 根据权利要求2所述的汽车车轮检测机气体静压测头机构，其特征在于：所述连接板（11）及连接板（12）上的球窝表面上分别设有四个对称设置的节流小孔（15），连接板（11）及连接板（12）上分别设有两个通气孔（16），每个通气孔与两个节流小孔连通。
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