CN108072490A - 动态平衡器 - Google Patents

Abstract

一种动态平衡器，包括具有框架板的支撑框架，框架板具有主轴开口，通过该主轴开口接收有具有旋转主轴的主轴组件。传感器板至少联接到支撑框架，并且至少一个力传感器联接在传感器板和主轴组件之间，以在可旋转主轴转动时检测其间的力的变化。一种用于检测轮胎的平衡状态的相关方法包括：提供相对于轮胎的旋转保持在大体水平的平面中的多个力传感器，将轮胎夹紧和充气，将轮胎旋转到预定速度，从所述多个力传感器产生力数据，从所述力数据计算不平衡条件，以及如果所述不平衡状态超过预定阈值，则在不平衡的位置标记轮胎。

Description

动态平衡器

技术领域

本发明涉及一种动态平衡器。特别地，本发明涉及一种用于确定由平衡器旋转的轮胎的平衡状态的动态平衡器。

背景技术

制造好的轮胎通常在向公众出售之前经过一定的测试。一种这样的测试包括通过高速旋转轮胎来测量轮胎的平衡。用于测量轮胎的平衡的机器必须将轮胎固定就位，使轮胎充气，然后高速旋转轮胎同时在轮胎旋转期间检测力。

现有技术的装置通常利用负载传感器来检测与轮胎的旋转成轴向关系的力。尽管对于该目的而言有效，但是据信可以更准确的确定平衡状态。因此，在本领域中需要一种改进的轮胎平衡器，该轮胎平衡器检测相对于轮胎的旋转的水平面中的力。并且，需要以有意义的方式收集和处理检测到的力，以便正确地识别轮胎不平衡状况的位置和数量。

发明内容

基于以上所述，本发明的第一方面提供一种动态平衡器。

本发明的另一方面提供一种动态平衡器，包括：支撑框架；框架板，其被所述支撑框架承载，所述框架板具有通过其的主轴开口；主轴组件，具有旋转主轴，所述主轴组件被接收在所述支撑框架中并沿所述主轴开口延伸；传感器板，至少与所述支撑框架联接；以及至少一个力传感器，其位于所述传感器板和所述主轴组件之间，以在所述旋转主轴旋转时检测其间力的变化。

本发明的又一方面提供一种动态平衡器，包括：支撑框架；主轴组件，所述主轴组件被接收在所述支撑框架，所述主轴组件具有旋转轮胎的旋转轴；以及多个力传感器，其位于所述支撑框架和所述主轴组件之间，每个所述力传感器产生力信号以确定所述轮胎的平衡状态。

本发明的又一方面提供一种用于检测轮胎平衡状况的方法，包括：提供多个力传感器，其相对于轮胎的旋转保持在大体水平的平面中；将轮胎夹紧以及充气；将轮胎旋转到预定速度；从所述多个力传感器产生力数据；从所述力数据计算不平衡条件；以及如果所述不平衡状态超过预定阈值，则在不平衡的位置标记轮胎。

附图说明

参照以下描述、所附权利要求和附图将可更好地理解本发明的这些和其它特征和优点，其中：

图1是根据本发明的构思的动态平衡器的立体图；

图2是根据本发明的构思的动态平衡器的侧视图；

图3是根据本发明的构思的动态平衡器的俯视图；

图4是根据本发明的构思在动态平衡器中使用的传感器板的俯视图；

图5是根据本发明的构思在动态平衡器的操作中使用的控制系统的示意图；

图6是根据本发明的构思设置在动态平衡器中使用的传感器板和力板之间的多个力传感器的示意图；

图7是示出根据本发明的构思在动态平衡器的操作中使用的控制系统的详细表示的示意图；

图8是示出根据本发明的构思利用动态平衡器获得轮胎重量的过程的操作流程图；

图9是示出根据本发明的构思用于(当轮胎由电动机旋转时)操作动态平衡器的以获得静态/耦合不平衡和校正重量的过程的操作流程图；以及

图10是示出根据本发明的构思(当轮胎允许以预定速度自由旋转时)操作动态平衡器以获得静态/耦合不平衡和校正重量的过程的操作流程图。

具体实施方式

用于测量轮胎或其他环形体的平衡的动态平衡器通常由图1-图4中的数字10表示。如下面将详细讨论的，动态平衡器10测试诸如轮胎的环形体，以确定不平衡特性，例如不平衡的位置，不平衡的重量，不平衡的联接力以及相关数据。通常，轮胎被接收在平衡器上并通过锁定机构与平衡器固定在一起。然后，轮胎被充气并以相对高的速度(例如400rpm)旋转。然后，可以在与轮胎的旋转相关的水平面中提供力传感器以测量力。来自力传感器和其他输入的数据可以被发送到控制器以确定不平衡特性并生成用于标记或进一步处理已测试的轮胎的报告或机器指令。

动态平衡器包括固定到地板或其他固定表面的支撑框架12。框架12可以包括向上竖立的支腿14，该向上竖立的支腿14可以通过横向框架构件16在顶端和底端处或在顶端和底端附近互连。可以根据需要采用附加的横向框架构件。框架板18可以由上部横向框架构件支撑。如图2和图5所示，框架板18提供穿过其中的主轴开口22，其中开口22可以大体居中定位在框架板18内。多个锁定开口24延伸穿过框架板18并围绕主轴开口22的外边缘定位。在所示的实施例中，提供了四个开口24，并且它们相对于开口22彼此以大体相等的角度增量间隔开。其他实施例可以采用不同数量的开口24。并且，开口24可以是相对于主轴开口22均匀地或不均匀地间隔。在本实施例中，开口24具有内螺纹以便接收紧固螺栓或类似物。如将理解的，其他紧固机构可以被接收在开口24中。

主轴组件30被容纳在支撑框架12中但不固定到支撑框架12，其中主轴组件30的外部由支撑框架支撑并承载，并且主轴(将要讨论的)可在该外部内旋转。如将理解的，主轴组件被支撑以使得在轮胎由主轴组件内的可旋转主轴旋转期间观察到的力不受主轴组件被支撑的方式影响。

发动机组件34可以由主轴组件30承载并且与适当地配置的齿轮箱35联接，以便以适当的速度旋转安装到主轴组件的轮胎。发动机组件34通过齿轮箱35使连接的皮带36旋转，该皮带36与主轴组件30的可旋转部分联接。如将讨论的，发动机组件34接收来自系统控制器的发动机信号38(由大写字母A指定)。本领域技术人员将理解，系统控制器还可以经由信号线38接收电机组件的反馈和/或操作性能。

主轴组件30包括延伸穿过主轴开口22的主壳体44(或外部)。从主壳体44径向向外延伸的是外壳体板46，多个外壳体板46可以通过多个角撑板48彼此连接。为了将主轴组件保持在框架12内，对重平衡(counter-balancing)支架50可以安装到框架板18和/或横向框架构件16和/或腿部14的下侧，并连接到主壳体44。对重平衡支架50可以提供由可压缩弹簧容纳的螺纹螺栓，以相对于支撑框架12支撑主轴组件。换句话说，对重平衡支架50可以用于平衡发动机组件35、齿轮箱35和相关部件的重量，并确保主轴组件相对于框架12的最佳角度定向。安装支架51还可用于将主壳体44的一部分与齿轮箱35和/或发动机组件34联接。

从主壳体44的两端延伸的是可旋转主轴58，其在主壳体内旋转并由带36旋转。在本实施例中，主轴是中空的或至少提供穿过其中的空气通道，以便于安装好的轮胎的充气和/或放气。本领域技术人员将进一步了解的是，在可旋转主轴58和主壳体44之间设置有适当的轴承，以允许轴以期望的速度旋转。编码器60联接到主轴58，并且在本实施例中，编码器安装在带36的下方。编码器监测主轴的角位置并产生编码器信号62，编码器信号62也可以由大写字母B表示并且将被传送到系统控制器(将要讨论的)。在一个实施例中，编码器是2000点线性增量编码器，其基于主轴的角位置报告用于位置0至1999的值。当然，如果需要，可以使用不同数量的位置。

旋转接头64定位在编码器下方并且与主轴58联接。旋转接头64进一步与加压空气供应器66连接，该加压空气供应器66根据需要对安装好的轮胎进行充气，其中空气供应器66产生压力信号68，该压力信号68(由大写字母C表示)被系统控制器接收。压力信号68用于在轮胎被固定到主轴组件30上时监测轮胎的充气压力。

下轮胎轮缘70被固定到主轴58的上端，并且被构造以接收不同直径尺寸的轮胎，特别是接收大写字母T表示的轮胎的胎圈。当轮胎安装到动态平衡器上时，具有对应的上轮胎边缘76的锁定件74被主轴58接收。锁定件74用于在平衡试验期间将轮胎保持在适当位置。在2016年5月27日提交、题为“用于在轮胎平衡机中保持轮胎的装置”、申请号为15/166,456的美国专利申请中公开了与示例性平衡机相关联的示例性锁定机构的详细操作，其通过引用并入本文。当然，可以使用用于固定和旋转轮胎的其它实施例来结合本发明的概念。本领域技术人员将理解，空气供应器和相关联的加压空气通过旋转接头64，穿过主轴58的空心轴，并且在测试之前和测试期间进入轮胎。

多个横向调节机构80可以安装到框架板18上，并且如将要描述的那样用于精确地定向力传感器的位置。在所示的实施例中，每个横向调节机构被安装在框架板的每一侧上并且靠近框架板的每一侧的拐角处。每个机构80可以包括调节板82，其通过一对螺纹紧固件84固定到框架板的侧面。当然，根据需要可以采用其它方法将调节板固定到框架板。每个调节板还提供可相对于调节板82轴向移动的可调节的内六角螺栓86或类似物。

如图3和图4所示，传感器板100可以被定位在框架板18上。传感器板100还提供传感器板开口101，其接收穿过其的主轴组件30。传感器板100提供彼此连接的横向边缘102和与框架板18相对的顶面104。传感器板100具有穿过其中延伸的多个螺栓开口105，其中每个螺栓开口105大体与相应的延伸穿过框架板18的锁定开口24对准。锁定垫圈106可以与至少每个开口105相关联。锁定螺栓110可被接收在螺栓开口105中，并与垫圈一起作用以固定传感器板18。本领域的技术人员将理解，每个螺栓110的外径小于接收其的螺栓开口105的直径。因此，传感器板100可以在框架板上移动，以通过与侧向调节机构80相关联的螺钉86的移动和调节允许传感器板的横向定位。具体地，传感器板100的侧边缘可由螺钉86移动，并且当获得期望的位置时，锁定螺栓110和相关联的垫圈106被紧固到框架板下方的适当的紧固件，以使得传感器板100相对于框架板18不升高或固定。

多个力传感器120(每个传感器具有不同的字母后缀A，B等)被安装到传感器板100，特别是被安装到顶表面104。力传感器120还与外壳体板46的下侧接触。换句话说，力传感器设置在传感器板100和外壳体板46之间。结果，主轴组件的全部重量由力传感器支撑。因此，由轮胎的旋转而通过主轴组件30和外壳体板施加的任何力或力的变化都由传感器120检测到。本领域技术人员将理解，传感器(也称为称重传感器)可以为任何类型，其检测施加的力或力的变化并产生相应的电信号。传感器可以是应变计或压电型装置的形式。每个力传感器120产生传感器信号122，传感器信号122具有对应的字母后缀(该字母后缀由大写字母D和对应的下标(_{1，2，3，X})表示)。这样，每个“传感器信号”122可以包括表示所有不同分量的力的值的多个信号。如将要讨论的，所有传感器信号122由系统控制器接收。每个传感器可以产生包括x，y和z取向中的分量的力的值的信号。力传感器120围绕传感器板以彼此等距的关系布置，并且以相对于主轴组件30的主壳体44的位置关系布置。在所示的实施例中，力传感器围绕主轴的旋转轴彼此相隔约90°定位。并且，如图4所示，来自每个传感器的x和y分量的力被定向在相同的方向。z分量力也被定向在相同的方向(指向进入页面的方向)。然后，每个力传感器检测由传感器产生的至少一个或多个力的分量以用于进一步分析。在任何情况下，每个力传感器可以与主轴组件的中心轴线等距离地定位，以使得没有力传感器比另一个处于更远离主轴组件的中心的位置。这通过将传感器板相对于框架板正确地定位并将传感器板锁定在如上相对于横向调节机构所讨论的位置来实现。因此，每个力传感器产生类似的信号，以便在平衡测试期间当轮胎旋转时适当地检测轮胎的不平衡部分。

现在参见图5，可以看出，用于动态平衡器的控制系统一般由标号150表示。系统150包括系统控制器152，其提供用于接收来自动态平衡器10的部件各种输入和用户输入的适当的硬件、软件和存储器，并且产生输出，该输出帮助技术人员确定被测轮胎的平衡状态。

控制器152从空气供应器66接收指示在旋转期间轮胎的压力的输入，从编码器60接收确定在测试期间轮胎的角位置的输入，从多个力传感器(其各自检测当轮胎由主轴58旋转时产生的力和/或力的变化)接收输入。换句话说，当轮胎旋转时，轮胎产生通过主轴、主轴58与主壳体44之间的轴承、然后到外壳体板46的力。结果，力通过中间的力传感器120被主轴组件传递到框架板，并且指示轮胎的平衡状态。然后，控制器152处理来自力传感器的接收信号，并产生轮胎的平衡读数156。将进一步理解的是，用户输入154可以被提供给控制器152，以对由控制器152接收的数据信号的分析进行过滤和/或调整。利用平衡读取报告，被测轮胎可以被适当地标记为可使用等。

现在参考图6，示出了在动态平衡器10中使用的力传感器的布局。可以看出，传感器以90°的角度围绕主轴轴线的中心点布置在水平面上，其中每个距离中心相等的距离。力传感器被表示为LC12，LC3，LC6和LC9，其中这些数字表示时钟表面上的数字并对应于力传感器120A-120D。本领域技术人员将理解，每个传感器可测量在三个方向上的力：X，Y和Z。每个轴提供正值或负值以表示力传感器在指定方向上的压缩力或张力。此外，每个力传感器相对于彼此对准，以使得它们的三个测量轴中的每一个都指向相同的方向。如在图2中观察到的那样，要测试的轮胎T被卡在一组位于水平面上方一定距离的轮缘70和76上，该水平面包含设置在力板和传感器板之间的力传感器。此外，轮胎的重量在正(+Z)方向上的所有四个称重传感器上产生重量。因此，给定任何三个测量，能够计算相对于轴的力矩。这样的公式考虑到常数a和b，它们与在负载单元之间在给定的轴上的距离相对应。常数c是被测试轮胎和称重传感器之间的高度的负值。

为了获得不平衡的位置和重量，平衡机10计算静态和耦合不平衡以及用于校正静态和耦合不平衡的重量。静态不平衡及其校正重量需要在Y方向上的力之和(Fy＝Fy₁₂+Fy₃+Fy₆+Fy₉)。耦合不平衡及其校正重量需要相对于X轴的力矩(Mx)，由下式给出：

其中Fz₁₂表示由力传感器LC12检测到的Z轴的力，等等。因此，现在参考图7，控制器152将传感器信号122A-122D接收到几个部件中。特别地，传感器120A，120B，120C和120D连接到电荷放大器180和求和模块182和186。在本实施例中，电荷放大器180负责维持压电元件(通常为石英)中的电荷，其被保持在力传感器中。该元件上的任何压缩力或张力对电荷产生非常小的变化，其中电荷由电荷放大器以皮库(picocoulombs)测量。电荷放大器通过模拟电路将该测量值转换为+/-10V范围内的电压。经过一段时间之后，力传感器中的剩余电量被消耗到不能再感测到力传感器的物理变化的水平。因此，每个力传感器必须定期充电。每个充电事件也将测量电平值归零。因此，平衡机在轮胎在平衡器中被夹紧、充气和旋转之后对力传感器进行充电，从而仅测量由于轮胎的旋转而施加到力传感器的力的变化。

电荷放大器直接从传感器120A-120D接收所有Z轴的力的信号。求和模块Y 182从传感器120A-120D接收所有Y轴的力的信号。类似地，求和模块X 186从传感器120A-120D接收所有X轴的力的信号。求和模块Y 182产生由电荷放大器180接收的求和信号184，并且类似地，求和模块X 186产生由电荷放大器180接收的求和信号188。数据获取模块190与电荷放大器180连接。模块190还接收由编码器60产生的编码器信号62。

在操作中，模块190对电荷放大器180产生的电压进行采样。在一个实施例中，数据采集模块190对以每秒13,333次从电荷放大器180接收的所有信号进行采样。并且，在该数据速率下，模块190对编码器60的状态采样2000次。因此，当轮胎在机器中以400RPM的值旋转时，可以获得每转约2,000个数据点然后，控制器从每个感兴趣的信号在对这每转2,000个点进行采样，并将其转换为不同的波形。在本实施例中，对波形中的每个数据点计算用于相对于X轴的力矩的公式。然后将离散傅里叶变换应用于每个波形以获得该波形的一次谐波和极限角。Y信号(Fy)之和的一次谐波和极限角用于计算静态不平衡及其校正重量。类似地，相对于X(Mx)的力矩的一次谐波和极限角用于计算耦合不平衡及其校正重量。

现在参见图8-图10，示出了用于获得轮胎重量和各种不平衡值和校正重量的操作步骤。

图8列出了用于获得轮胎重量的方法，其可用于其他目的或完全跳过。用于称重轮胎的方法一般用附图标记200表示。在第一步，在步骤202中，力传感器由充电放大器180(如前所述)充电。接下来，在步骤204，轮胎被接收并夹紧到平衡机中。在预定的等待时间(例如1秒)之后，数据采集模块190将所有的Z轴的力的信号(Fz)求和以获得总轮胎重量。接下来，在步骤208，该方法可以进行获得如图9和图10中所述的轮胎的不平衡值。

图9列出了用于获得轮胎不平衡值的的步骤(一般用附图标记220表示)。在步骤222中，轮胎被平衡器接收，夹紧就位，然后充气。接下来，在步骤224，轮胎由发动机组件旋转到预定速度。在本实施例中，速度被设定为400RPM，但本领域技术人员将理解可以利用其他速度。接下来，在步骤226，对力传感器进行充电，以将测量值归零。接下来，在步骤228，收集来自力传感器的数据(对轮胎的单一转)。如果需要，可以从附加的转中收集数据以进行额外的分析。接下来，在步骤230，在步骤228收集的数据被使用来计算轮胎的静态和耦合不平衡以及它们的校正重量。接下来，利用来自控制器的、用于标记其最大不平衡的位置处的数据，轮胎被发动机停止。最后，轮胎被放气并从卡盘中取出到下一个处理步骤，其中如果超过预定的阈值，轮胎可以被标记。

现在参考图10，一般用数字240表示利用自由旋转方法用于确定耦合不平衡和校正重量的过程。在该实施例中，轮胎在步骤242再次被卡住并充气。接下来，在步骤244，轮胎被旋转到预定速度再加上该速度的预定百分比。例如，轮胎可以旋转到约440RPM的速度，其比之前的方法中给出的标称值高10％。接下来，在步骤246，对力传感器进行充电，以将测量值重新设为零。接下来，在步骤248，发动机与主轴脱离，以使得轮胎在主轴上自由旋转。

在轮胎通过预定速度值(例如400RPM)减速的时候，数据采集模块随着轮胎减速而收集用于一圈的数据。接下来，在步骤252，计算静态和耦合不平衡及其校正重量。然后，如在先前的实施例中，在步骤254，轮胎在用于标记其最大不平衡的位置处停止，并且在步骤256，轮胎被放气并从卡盘移除到下一个处理步骤，其中如果超过预定的阈值，轮胎可以被标记。

本领域技术人员还将理解，可以从上述静态及耦合的不平衡值计算对于轮胎的上平面和下平面的动态不平衡测量。动态不平衡是静态不平衡和耦合不平衡的矢量相加，这在每个平衡平面中进行。因此，通过确定待测轮胎的纯静态不平衡加其耦合不平衡(或纯动态不平衡)，可以确定动态不平衡状况。

本文公开的动态平衡器和相关的数据收集方法是有利的，其可以更准确的确定负载平衡状况。还确信的是，通过将力传感器放置在平行于轮胎的旋转平面的水平平面中(而不是相对于主轴的旋转轴线处于径向位置)，可以更可靠的评估确定轮胎的平衡状况。

因此，可以看出，本发明的目的已经通过上述结构及其使用方法得到实现。虽然根据“专利法”仅提出和描述了最佳模式和优选实施例，但应当理解，本发明不限于此。因此，为了理解本发明的真实范围和广度，应参考以下权利要求。

Claims (17)

1.一种动态平衡器，包括：

支撑框架；

框架板，被所述支撑框架承载，所述框架板具有通过其的主轴开口；

主轴组件，具有旋转主轴，所述主轴组件被接收在所述支撑框架中并延伸穿过所述主轴开口；

传感器板，至少与所述支撑框架联接；以及

至少一个力传感器，位于所述传感器板和所述主轴组件之间，以在所述旋转主轴旋转时检测其间力的变化。

2.根据权利要求1所述的动态平衡器，包括：

多个横向调节机构，每个所述横向调节机构具有调节板，所述调节板固定到所述框架板，所述调节板具有接收在其中的调节螺栓，所述调节螺栓可与所述调节板接合。

3.根据权利要求1所述的动态平衡器，还包括：

外壳体板，从所述主轴组件径向延伸，其中所述至少一个力传感器位于所述外壳体板和所述传感器板之间。

4.根据权利要求3所述的动态平衡器，还包括：

编码器，与所述旋转主轴联接以检测所述旋转主轴的角位置。

5.根据权利要求4所述的动态平衡器，还包括：

空气供应器，其与所述旋转主轴联接，所述旋转主轴为中空的，其中轮胎安装在所述旋转主轴上，且通过所述旋转主轴由所述空气供应器充气。

6.根据权利要求5所述的动态平衡器，还包括：

控制器，从所述至少一个力传感器、所述编码器和所述空气供应器接收信号以在所述轮胎旋转期间确定所述轮胎的平衡特性。

7.根据权利要求6所述的动态平衡器，其中所述多个力传感器相对于所述旋转主轴的旋转轴彼此间隔约90°，其中每个所述力传感器检测至少两个力的分量。

8.根据权利要求7所述的动态平衡器，其中所述多个传感器相对于所述旋转主轴的旋转轴等距离地间隔开。

9.根据权利要求7所述的动态平衡器，其中每个所述力传感器检测x、y和z轴中的力的分量。

10.一种动态平衡器，包括：

支撑框架；

主轴组件，被接收在所述支撑框架，所述主轴组件具有旋转轮胎的旋转轴；以及

多个力传感器，位于所述支撑框架和所述主轴组件之间，每个所述力传感器产生力信号以确定所述轮胎的平衡状态。

11.根据权利要求10所述的动态平衡器，其中每个所述力传感器在三个方向上测量力，并且其中所述多个力传感器彼此对准以使得它们的三个测量轴中的每一个分别指向相同的方向。

12.根据权利要求11所述的动态平衡器，还包括：

求和模块，用于从每个所述力传感器接收Y方向信号以产生求和信号；以及

电荷放大器，用于从每个所述力传感器接收所述求和信号和Z方向信号，并产生相应的放大信号。

13.根据权利要求12所述的动态平衡器，还包括：

数据编码器，耦合到所述可旋转轴以产生角位置信号；以及

数据采集模块，用于接收所述放大的信号和所述角位置信号，以确定静态不平衡、耦合不平衡以及用于所述静态不平衡和所述耦合不平衡的校正重量。

14.一种用于检测轮胎平衡状况的方法，包括：

提供多个力传感器，其相对于轮胎的旋转保持在大体水平的平面中；

将轮胎夹紧以及充气；

将轮胎旋转到预定速度；

从所述多个力传感器产生力数据；

从所述力数据计算不平衡条件；以及

如果所述不平衡状态超过预定阈值，则在不平衡位置标记轮胎。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

当达到所述预定速度时，松开正在旋转轮胎的电动机；以及

当轮胎达到第二预定速度时，从所述多个力传感器生成力数据。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括：

将所述多个力传感器彼此对准，以使得它们的三个测量轴中的每一个分别指向相同的方向。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

在轮胎旋转时产生角位置信号；

将来自所述多个力传感器中的每一个的Y方向信号相加以产生求和信号；以及

从所述角位置信号、所述求和信号和来自每个所述力传感器的Z方向信号计算所述静态不平衡，耦合不平衡以及所述静态不平衡和所述耦合不平衡的校正重量。