CN110132490A - 一种行驶车辆车轮动平衡检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种行驶车辆车轮动平衡检测系统，包括传感器处理模块以及人机交换模块，所述传感器处理模块的输出端通过导线与人机交换模块的输入端连接，所述传感器处理模块的输入端分别连接与光电检测单元、线加速度检测单元、温度检测单元以及压力检测单元输出端通过信号连接，所述所述传感器处理模块包括功能传感器接口模块、功能传感器算法模块、无线单片机与功能传感器配置模块。本发明传感器信号经由传感器处理模块中无线单片机对信号进行实时处理，实现动平衡计算以获得平衡块到车轮中心距离，通过伺服执行机构调整平衡块位置，以此实现车辆动平衡自补偿，该方法原理科学合理，易于实现，推广应用价值较高。

Description

一种行驶车辆车轮动平衡检测系统

技术领域

本发明涉及车轮平衡检测技术领域，具体为一种行驶车辆车轮动平衡检测系统。

背景技术

目前车辆车轮平衡检测可分为离车式与就车式两种，就车式车辆车轮平衡检测因其车轮无需从车上拆下，直接在车上对车轮进行高速动平衡测试，检测车轮不平衡度及车轮转动部分质量，相较于离车式车辆车轮平衡检测，其更接近于车轮实际工作状况，但仍存在安装不方便、测试操作繁琐，不易保证精度等问题，另一方面，智能化、自动化、实时化技术已成为汽车产业、汽车工程领域发展的时代潮流。

传统的装置在如下不足：同时传统的检测系统使用时，通常大多仍存在安装不方便的情况，同时在具体测试中操作较复杂繁琐，不便于具体操作，极大的降低了工作效率，提高了检测的成本，同时不易保证精度等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种行驶车辆车轮动平衡检测系统，以解决往往传统的检测系统使用时，通常大多仍存在安装不方便的情况，同时在具体测试中操作较复杂繁琐，极大的降低了工作效率，同时不易保证精度等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种行驶车辆车轮动平衡检测系统，包括传感器处理模块以及人机交换模块，所述传感器处理模块的输出端通过导线与人机交换模块的输入端连接，所述传感器处理模块的输入端分别连接与光电检测单元、线加速度检测单元、温度检测单元以及压力检测单元输出端通过信号连接，所述所述传感器处理模块包括功能传感器接口模块、功能传感器算法模块、无线单片机与功能传感器配置模块，所述人机交换模块的输出端分别连接有显示单元、触摸单元、报警单元与CAN接口的输入端通过导线连接，所述人机交换模块包括无线单片机与ARM处理模块。

优选的，所述无线单片机集成无线收发电路和单片机，所述传感器处理模块内的无线单片机的输出端分别与功能传感器算法模块、功能传感器接口模块的输入端连接，所述功能传感器配置模块的输出端分别与功能传感器算法模块、功能传感器接口模块和无线单片机连接。

优选的，所述人机交换模块内的无线单片机的输出端与ARM处理模块的输入端连接。

优选的，所述光电检测单元为光电传感器，所述线加速度检测单元为线加速度传感器，所述温度检测单元为温度传感器，所述压力检测单元为压力传感器。

优选的，所述显示单元为液晶屏，所述触摸单元为触摸屏，所述报警单元为蜂鸣器。

优选的，所述CAN接口设置有若干组，所述CAN接口外安装有保护罩。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过设置传感器处理模块以及人机交换模块，具体使用过程中，有效的保证了系统的高效进行，同时通过设置有光电检测单元、线加速度检测单元、温度检测单元以及压力检测单元，使用时，便于对线加速度传感器进行车轮转动角度、车轮旋转角速度、车身速度信号、车轮胎温、胎压信号进行实时测量；

2、本发明通过设置无线单片机集成无线收发电路和单片机，用于进行传感采集、运算并实现与车内中央控制单元的双向通信功能，高度集成ARM处理器将通过无线单片机接收、处理后的数字信号与ARM处理器相连，同时在显示单元的作用下，便于有效的通过信息进行显示，同时通过设置有触摸单元，便于有效的对参数进行设置及数据查询；

3、本发明通过设置有报警单元，当出现故障时，由ARM处理器驱动作用下，有效的驱动蜂鸣器发出警示报警信息有效的提高了装置的安全性，通过设置有CAN接口，使用时，便于提供其他CAN设备访问信息，提高了装置的实用性。

附图说明

图1为一种行驶车辆车轮动平衡检测系统旋转体的偏心距与离心力示意图；

图2为一种行驶车辆车轮动平衡检测系统不平衡点的离心力与平衡转矩示意图；

图3为一种行驶车辆车轮动平衡检测系统行驶车辆车轮受力分析示意图；

图4为一种行驶车辆车轮动平衡检测系统整体结构示意图。

图中：1、传感器处理模块；2、人机交换模块；3、光电检测单元；4、线加速度检测单元；5、温度检测单元；6、压力检测单元；7、功能传感器接口模块；8、功能传感器算法模块；9、无线单片机；10、功能传感器配置模块；11、显示单元；12、触摸单元；13、报警单元；14、CAN接口；15、ARM处理模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种行驶车辆车轮动平衡检测系统，包括传感器处理模块1以及人机交换模块2，所述传感器处理模块1的输出端通过导线与人机交换模块2的输入端连接，所述传感器处理模块1的输入端分别连接与光电检测单元3、线加速度检测单元4、温度检测单元5以及压力检测单元6输出端通过信号连接，所述所述传感器处理模块1包括功能传感器接口模块7、功能传感器算法模块8、无线单片机9与功能传感器配置模块10，所述人机交换模块2的输出端分别连接有显示单元11、触摸单元12、报警单元13与CAN接口14的输入端通过导线连接，所述人机交换模块2包括无线单片机9与ARM处理模块15。

本发明中，所述无线单片机9集成无线收发电路和单片机，所述传感器处理模块1内的无线单片机9的输出端分别与功能传感器算法模块8、功能传感器接口模块7的输入端连接，所述功能传感器配置模块10的输出端分别与功能传感器算法模块8、功能传感器接口模块7和无线单片机9连接，便于对传感器进行调控。

本发明中，所述人机交换模块2内的无线单片机9的输出端与ARM处理模块15的输入端连接，便于对信号进行快速的处理。

本发明中，所述光电检测单元3为光电传感器，所述线加速度检测单元4为线加速度传感器，所述温度检测单元5为温度传感器，所述压力检测单元6为压力传感器，保证了工作的高效性。

作为优选，所述显示单元11为液晶屏，所述触摸单元12为触摸屏，所述报警单元13为蜂鸣器，当出现故障时，便于由ARM处理单元15驱动蜂鸣器发出警示报警信息。

作为优选，所述CAN接口14设置有若干组，所述CAN接口14外安装有保护罩，便于提供其他CAN设备访问信息。

工作原理：由传感器模块、传感器处理模块1、人机交换模块2等组成，其中，通过车轮动平衡理论：

如图1所示，当车轮的重心与旋转中心不重合，车轮重心在旋转时产生离心力，就会引起振动。当旋转物体本身质量不均匀时，其重心与旋转中心间有一偏心距，在旋转时产生离心力，根据动力学原理，有

（1）

式中 F——离心力，G——车轮总质量，E——偏心距，W——车轮旋转角速度,V——车辆车速，R——车轮滚动半径。

不平衡量等于不平衡质量与其质心至轴线距离的乘积，不平衡质量是指位于转自特定半径的质量，该质量与向心加速度的乘积为不平衡离心力。如图2所示，在车轮A、B两平面内有两个不平衡点，作用半径相同，相位相反（,）的两质点m1、m2，当车轮旋转时，两质点产生的离心力形成力偶，使车轮处于动不平衡。如果在m1、m2同一作用半径的相反方向（）上配上相同质量的m3=m1，m4=m2，形成一个与m1、m2相反方向的平衡转矩，此时车轮处于动平衡状态。

动平衡的条件是离心力的合力为0且传递到车轮上的转矩的矢量和为0，即分布在回转件上各个质量的离心惯性力合力为0；同时离心力所引起的力偶的合力偶矩也为0。动平衡的方法是：首先选则两个平面（平衡面），根据力系等效原理，分别向两个平面分解，然后在两平面内做平衡，则惯性力和惯性力矩都得到平衡。

通过行驶车辆车轮受力分析：

对行驶车辆车轮进行受力分析，如图3所示建立平面直角坐标系，x轴正向为水平向右，y轴正向为竖直向上。图中O为车轮中心，C为车轮质心(重心)，r为车轮半径，m为平衡块质量，为车轮旋转角速度，θ为车轮中心与重心的连线和水平线所形成的夹角，M为传递到车轮上的转矩，F1和F2分别为车轮高速旋转时偏心质量和平衡块产生的离心力。

参照图3 行驶车辆车轮受力分析

点C的坐标为

(2)

首先测量离心力F，安装测力传感器，车轮旋转时产生连续变化的波形，将两个传感器测得的力进行合成并折算到轮胎的各个面，就可计算出离心力：

（3）

因此求出偏心质量即不平衡点相对于对称点缺少或增加的质量 （4）

车轮所受重力G的大小为车轮原质量减去m1乘以重力加速度g所得的积。然后根据前面离心力公式求得偏心距

（5）

车轮与地面接触产生微小变形，是尺度极小的面接触，地面对圆柱的约束力是接触面上的不均匀的分布力系。将这个分布力系向重力和地面交点A简化，得到的力系包括法向约束力Fn，切向静摩擦力Ff，和一个滚动摩阻力偶Mf。车轮作纯滚动，Fn为不均匀的分布力系，不方便测量。Ff为静摩擦力，方向与车轮相对地面的滑动趋势相反，即与车轮转动方向相同。大量物理实验证明，最大静摩擦力的大小和当时法向约束力（又称正压力）的大小Fn成正比，即：

（6）

式中，fs称为静摩擦因数，它取决于相互接触物体材料及接触面的状况（如粗糙度、温度和湿度等），而与接触面的大小无关。

滚动摩阻力偶Mf阻止车轮的滚动，方向与转动方向相反。实验证明Mf，max与当时法向约束力的大小成正比，即：

（7）

式中，δ称为滚动摩阻系数，其值主要取决于物体与接触面的变形程度，而与接触面的粗糙程度无关。因为克服最大滚动摩阻力偶远比克服最大静摩擦力容易，故当Mf达到最大值后圆柱开始纯滚动，此时静摩擦力未达到最大值。当车轮高速旋转时，平衡块产生的离心力为

（8）

式中，x为平衡块到车轮中心距离。

Jc为车轮对质心C的转动惯量，由定义得，

（9）

将平衡块对车轮的力看做外力，当车辆匀速行驶时，车轮中心O的加速度为0，车轮转动角加速度α也为0。根据刚体两点间加速度关系得：

(10)

(11)

式中，Fy和Fx为车轮对平衡块的力，根据作用力与反作用力关系，平衡块对车轮的力如图3所示。

根据前面行驶车辆动平衡的条件，由y轴方向的质心运动定理，有

(12)

x轴方向力的投影值和为0(Ff是根据力平衡条件变化的)，即

(13)

车轮为具有质量对称面的刚体。车轮在作用面与质量对称面重合的等效力系的作用下，其质量对称面沿自身所在平面运动。故根据平面运动刚体的动量矩定理，，有：

(14)

联立公式(9)、(12)、(13)、(14)，得，

(15)

显然，平衡块到车轮中心O的距离x与滚动摩阻系数、离心力、平衡块质量、车轮的转矩、车轮中心与重心连线和水平线所形成的夹角θ和车轮旋转角速度w等参数有关，同时通过上述车轮动平衡理论与行驶车辆车轮受力分析对该装置进行论证，使用时，光电传感单元3将车辆车轮的振动信号转化为电信号，线加速度传感单元4进行车轮转动角度、车轮旋转角速度、车身速度信号实时测量，温度传感单元5、压力传感单元6实时测量车轮胎温、胎压信号，所有实时信号经由传感器处理模块1中无线单片机9对信号进行处理，实现动平衡计算以获得平衡块到车轮中心距离，通过伺服执行机构调整平衡块位置，以此实现车辆动平衡自补偿，无线单片机9集成无线收发电路和单片机，用于进行传感采集、运算并实现与车内中央控制单元的双向通信功能，高度集成ARM处理模块15将通过无线单片机9接收、处理后的数字信号与ARM处理模块15相连，通过显示单元11输出显示信息，通过触摸单元12设置参数如平衡块移动的最小阈值、平衡块移动的最大阈值、平衡块移动的最小时间间隔等、查询数据如一天时间内平衡块移动的次数、位移、位置点分布，即时车辆车轮动平衡评价指数、动平衡自动补偿评价等，当出现故障时，由ARM处理模块15驱动报警单元13发出警示报警信息，CAN接口14用于提供其他CAN设备访问信息。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种行驶车辆车轮动平衡检测系统，包括传感器处理模块（1）以及人机交换模块（2），其特征在于：所述传感器处理模块（1）的输出端通过导线与人机交换模块（2）的输入端连接，所述传感器处理模块（1）的输入端分别连接与光电检测单元（3）、线加速度检测单元（4）、温度检测单元（5）以及压力检测单元（6）输出端通过信号连接，所述所述传感器处理模块（1）包括功能传感器接口模块（7）、功能传感器算法模块（8）、无线单片机（9）与功能传感器配置模块（10），所述人机交换模块（2）的输出端分别连接有显示单元（11）、触摸单元（12）、报警单元（13）与CAN接口（14）的输入端通过导线连接，所述人机交换模块（2）包括无线单片机（9）与ARM处理模块（15）。

2.根据权利要求1所述的一种行驶车辆车轮动平衡检测系统，其特征在于：所述无线单片机（9）集成无线收发电路和单片机，所述传感器处理模块（1）内的无线单片机（9）的输出端分别与功能传感器算法模块（8）、功能传感器接口模块（7）的输入端连接，所述功能传感器配置模块（10）的输出端分别与功能传感器算法模块（8）、功能传感器接口模块（7）和无线单片机（9）连接。

3.根据权利要求1所述的一种行驶车辆车轮动平衡检测系统，其特征在于：所述人机交换模块（2）内的无线单片机（9）的输出端与ARM处理模块（15）的输入端连接。

4.根据权利要求1所述的一种行驶车辆车轮动平衡检测系统，其特征在于：所述光电检测单元（3）为光电传感器，所述线加速度检测单元（4）为线加速度传感器，所述温度检测单元（5）为温度传感器，所述压力检测单元（6）为压力传感器。

5.根据权利要求1所述的一种行驶车辆车轮动平衡检测系统，其特征在于：所述显示单元（11）为液晶屏，所述触摸单元（12）为触摸屏，所述报警单元（13）为蜂鸣器。

6.根据权利要求1所述的一种行驶车辆车轮动平衡检测系统，其特征在于：所述CAN接口（14）设置有若干组，所述CAN接口（14）外安装有保护罩。