汽車輪胎動(dòng)平衡試驗(yàn)的研究與分析

1、新產(chǎn)品 新技術(shù)汽車輪胎動(dòng)平衡試驗(yàn)的研究與分析伍江濤 , 夏松茂(北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院 , 北京 100039 摘要 :本文從汽車輪胎動(dòng)平衡試驗(yàn)出發(fā) , 闡述了平衡試驗(yàn)與均勻性試驗(yàn)的關(guān)系 , 動(dòng)平衡試驗(yàn)的原 理以及試驗(yàn)設(shè)備 。 在重復(fù)性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上表明了試驗(yàn)設(shè)備精度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響 , 同時(shí)陳述 了試驗(yàn)條件和不平衡質(zhì)量的確定方法以及保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性的建議 。關(guān)鍵詞 :動(dòng)平衡 ; 靜平衡 ; 力偶平衡 ; 均勻性 動(dòng)平衡試驗(yàn)可進(jìn)行在線檢驗(yàn)也可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室 檢驗(yàn) 。 盡管在汽車制造廠對(duì)配套輪胎的質(zhì)量要求 中 , 一般都有對(duì)輪胎不平衡量的限制 , 如果具有高 精度的輪胎生產(chǎn)工藝及裝備 , 并具備嚴(yán)

2、格的管理 和健全的質(zhì)量保證體系 , 可將輪胎不平衡量控制 在小的范圍內(nèi)且保持產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定 , 在輪胎生產(chǎn) 線上可不對(duì)產(chǎn)品的平衡性做在線逐條檢驗(yàn) 。 但對(duì) 于高性能輪胎尤其是乘用車輪胎 , 全面控制其不 平衡量是必要的也是重要的 。 本文從該試驗(yàn)的基 本原理出發(fā) , 對(duì)此項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行了初步的研究與分 析以供參考 。1平衡試驗(yàn)與均勻性試驗(yàn)的關(guān)系均勻性試驗(yàn)包括形狀對(duì)稱性 、 剛性一致性和 質(zhì)量分布平衡性等三個(gè)要素 。 平衡試驗(yàn)為測(cè)量輪 胎靜不平衡量 、 力偶不平衡量 、 校正面不平衡量以 及它們的圓周位置 。因此 , 在均勻性試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量的輪胎力波動(dòng) 中 , 應(yīng)該包含輪胎的不平衡離心力 。但由于普通

3、均勻 性 試 驗(yàn) 機(jī) 的 輪 軸 轉(zhuǎn) 速 太 低 , 例 如 :60r min 21。 不平衡離心力在輪胎力波動(dòng)中占的比率 太小 , 不足以反映輪胎質(zhì)量分布不平衡的程度 。 以 175/70R13輪胎為例 , 在 60r min 21的轉(zhuǎn) 速下 , 位于輪胎校正半徑處的 60g 的不平衡質(zhì)量 , 僅產(chǎn)生約 0. 4N 的離心力 , 其引起的徑向力波動(dòng) 只占約 0. 5%。 因此平衡試驗(yàn)與常規(guī)的均勻性試 驗(yàn)只能互補(bǔ) , 不能取代 。 而高速均勻性試驗(yàn)機(jī) , 那 就另當(dāng)別論了 , 但目前只在實(shí)驗(yàn)室中使用 , 尚未用 于在線檢驗(yàn) 。2平衡試驗(yàn)原理2. 1靜平衡 、 力偶平衡和動(dòng)平衡輪胎平衡性與車輪激

4、振的關(guān)系 , 可應(yīng)用一質(zhì) 點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)離心力方程和多質(zhì)點(diǎn)力系的合成來(lái)陳述。 物體以恒速繞定軸旋轉(zhuǎn)時(shí) , 所產(chǎn)生的不平衡 力均起源于離心力 。 離心力的方向垂直于定軸并 向外拉定軸 , 它作用在定軸上的力值不變 , 其方向 與時(shí)間的關(guān)系呈正弦函數(shù)的變化規(guī)律 。 多質(zhì)點(diǎn)力 系可以用平行四邊形法進(jìn)行矢量疊加 , 合成為等 效的單一質(zhì)點(diǎn)力系 。輪胎和其他車輪都屬于質(zhì)量連續(xù)分布系統(tǒng) , 單一質(zhì)點(diǎn)系和等效質(zhì)點(diǎn)系說(shuō)明該連續(xù)系統(tǒng)中某點(diǎn) (如重點(diǎn) 的力學(xué)行為是有效的 , 但要全面表述該 連續(xù)系統(tǒng)則需要引入質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的概 念 。 質(zhì)心位置用于表述定軸的平動(dòng) 。 如果輪胎的 質(zhì)心位于旋轉(zhuǎn)軸線上 , 作用于定軸上

5、的平動(dòng)合力 就等于零 , 即為靜平衡 。當(dāng)輪胎的質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn) 軸線時(shí) , 定軸上的平動(dòng)合力即不平衡離心力 , 此時(shí) 為靜不平衡 。 輪胎的靜不平衡量等于輪胎質(zhì)量乘 以質(zhì)心偏心距 。在質(zhì)量連續(xù)分布系統(tǒng)中 , 慣量是供表述定軸 的轉(zhuǎn)動(dòng)用的 。 如果輪胎的主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線重 合或平行時(shí) , 作用于定軸上的合力矩等于零 , 即為 力偶平衡 。 當(dāng)輪胎的主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不重合但在質(zhì)心相交時(shí) , 作用于定軸上的合力矩為不平 衡離心力力偶矩 , 此時(shí)為力偶不平衡 。力偶不平 衡量等于輪胎的軸向慣量減去徑向慣量后乘以輪 胎主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線之間的夾角 (因?yàn)楫?dāng)該夾 角以 rad 為單位時(shí) ,sin 再除以

6、校正面間距 。 實(shí)際上 , 輪胎的不平衡大多是由靜不平衡和 力偶不平衡合成的不平衡 , 即為動(dòng)不平衡 。動(dòng)不 平衡輪胎的主慣軸與旋轉(zhuǎn)軸線既不平行也不在質(zhì) 心相交 , 因此它在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不平衡的離心力 及其力偶矩 。靜平衡 、 力偶平衡和動(dòng)平衡是輪胎平衡性中 的術(shù)語(yǔ) 。 前兩者為力學(xué)行為不同的兩個(gè)術(shù)語(yǔ) , 后 者系前兩者的綜合性術(shù)語(yǔ) 。 但有時(shí)把力偶平衡與 動(dòng)平衡等同起來(lái) , 以致產(chǎn)生動(dòng)平衡試驗(yàn)只能測(cè)量 力偶不平衡量而不能測(cè)量靜不平衡量的看法 。 2. 2靜平衡試驗(yàn)與動(dòng)平衡試驗(yàn)靜平衡與力偶平衡之間的區(qū)別可歸結(jié)為以下 三點(diǎn) 。 首先 , 靜平衡表示在二維平面內(nèi)的輪胎質(zhì) 量分布狀況 , 力偶平衡指

7、輪胎質(zhì)量在第三維的分 布狀況 , 因此也可把前者稱為單面平衡 , 而后者則 為雙面平衡 。其次 , 質(zhì)量分布平衡性是通過(guò)測(cè)量 其所產(chǎn)生的力或力矩間接地評(píng)定的 , 靜平衡作為 力的平衡進(jìn)行測(cè)定 , 而力偶平衡則作為力矩的平 衡予以認(rèn)可 。再之 , 靜不平衡量可以單獨(dú)進(jìn)行測(cè) 量 , 但力偶不平衡量和靜不平衡量同存于動(dòng)不平 衡量中 , 需要通過(guò)運(yùn)算將力偶不平衡量和靜不平 衡量從測(cè)量值中分解出來(lái) 。所以 , 輪胎平衡試驗(yàn) 按測(cè)量項(xiàng)目分為靜平衡試驗(yàn)和動(dòng)平衡試驗(yàn)兩類 。 靜平衡試驗(yàn)可以采用測(cè)量靜止輪胎 (呈水平 姿態(tài)或站立姿態(tài) 圓周上的不平衡重力的方法 , 也 可通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)輪胎上的不平衡離心力的方法 。

8、 動(dòng)平衡試驗(yàn)只能在輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行 , 通過(guò)測(cè)量它 的不平衡離心力和不平衡力矩 , 獲得輪胎的靜不 平衡量 、 力偶不平衡量和它們的重點(diǎn)位置 。也就 是說(shuō) , 靜平衡試驗(yàn)只能測(cè)定輪胎的靜不平衡 , 而動(dòng) 平衡試驗(yàn)?zāi)軠y(cè)定靜和力偶兩者的不平衡 。2. 3平衡表征輪胎如同其他旋轉(zhuǎn)體都采用不平衡量即不平 衡質(zhì)量與其位置半徑的乘積來(lái)表示平衡性 , 其單 位為 g cm 。 這意味重點(diǎn)的徑向位置在輪胎半徑 范圍內(nèi)是可變的 , 且不平衡質(zhì)量也隨之改變 。為 了避免上述不確定性 , 按照平衡配重的實(shí)際位置 和國(guó)際慣例 , G B/T18505對(duì)靜不平衡量和力偶 不平衡量中的位置半徑作出了規(guī)定 , 并將該半徑 定

9、義為校正半徑 。 校正半徑為輪胎平衡配重中心 位置至輪軸中心線的距離 。力偶不平衡量是由力偶矩不平衡量簡(jiǎn)化而 得 。 在力偶不平衡量中含有重點(diǎn)的徑向和橫向兩 個(gè)位置尺寸因素 。因此除校正半徑外 , 橫向位置 尺寸為校正面間距 。 它的定義是在供平衡配重用 的輪胎兩側(cè)對(duì)稱的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)平面之間的距離 。 在 呈水平姿態(tài)的輪胎上的校正面分別稱為上校正面 和下校正面 。靜不平衡和力偶不平衡在輪胎圓周上的位置 用重點(diǎn)位置角表示 。 它的定義是產(chǎn)生不平衡的重 點(diǎn)與指定基準(zhǔn)點(diǎn)之間的圓周夾角 。 力偶不平衡的 重點(diǎn)位置角以上校正面為準(zhǔn) , 下校正面的重點(diǎn)位 置角應(yīng)等于上校正面的重點(diǎn)位置角再加 180°

10、。 2. 4靜不平衡和力偶不平衡的合成為了便于給不平衡輪胎配重 , 需要計(jì)算出輪 胎兩個(gè)校正面上位于校正半徑處的不平衡質(zhì)量和 重點(diǎn)位置角 。 計(jì)算上和下校正面的不平衡質(zhì)量的 不平衡質(zhì)量的公式如下 :式中 :mU 上校正面不平衡質(zhì)量 ,g ; m l 下校正面不平衡質(zhì)量 ,g ; U S 靜不平衡量 ,g cm ; U C 力偶不平衡量 ,g cm ; R 校正半徑 ,cm ; S 靜不平衡的重點(diǎn)位置角 , ° C 力偶不平衡的重點(diǎn)位置角 , °。 計(jì)算兩個(gè)校正面不平衡的重點(diǎn)位置角 , 用公 式計(jì)算 。式中 :u m u 與 U C /R 之間的夾角 , °其它符號(hào)

11、的解釋與公式 (1 相同 。因?yàn)?180°>s -c >0, 故上校正面不平衡的 重點(diǎn)位置角 u =c -u 。但在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出 現(xiàn) 4種圖形 , 其所應(yīng)用的計(jì)算公式見表 1。上述 分析也適用于輪胎的下校正面 , 求得用于計(jì)算 l 的如下公式 。 下校正面重點(diǎn)位置角的計(jì)算公式見 表 1 。式中 :l m l 與 U C /R 之間的夾角 , °其它符號(hào)的解釋與公式 (1 相同 。表 1 校正面重點(diǎn)位置角的計(jì)算公式圖形上校正面 下校正面 180°>s -c 0°u =c -u =c +180°-l s -c 180°

12、u =c -u=c +180°+l180°>s -c 0°u =c +u =c +180°+l s -c 180°u =c +u=c +180°-l3動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī) 3. 1類型用于測(cè)量輪胎的靜不平衡量 、 力偶不平衡量 和它們的重點(diǎn)位置角的試驗(yàn)設(shè)備稱為輪胎動(dòng)平衡 試驗(yàn)機(jī) 。 為給平衡配重提供信息 , 有些試驗(yàn)設(shè)備 以輪胎的兩個(gè)校正面不平衡質(zhì)量和它們的重點(diǎn)位 置角作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù) , 因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)都是由靜 不平衡和力偶不平衡的測(cè)量值計(jì)算而得 , 故這類 試驗(yàn)設(shè)備也系輪胎動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī) 。動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)按試驗(yàn)對(duì)象分為車輪用的和輪 胎專用

13、的兩類 。 由前者得到的測(cè)量數(shù)據(jù)輪胎和輪 輞組合體的綜合結(jié)果 , 在后者獲得的數(shù)據(jù)中則剔 除了試驗(yàn)輪輞及其他非輪胎部件的成分 , 可以認(rèn) 為是純輪胎的 。 動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)按輪胎放置姿態(tài)又 分為立式和臥式 。 立式一般用于實(shí)驗(yàn)室和汽車維 修部門 ; 臥式的自動(dòng)化程度高 , 效率也高 , 都用于 輪胎廠和輪輞廠的生產(chǎn)線上 。 早期很多的動(dòng)平衡 試驗(yàn)機(jī)和靜平衡試驗(yàn)機(jī) , 它們的輪軸采用軟支座 , 允許輪軸有一定范圍的擺動(dòng) , 通過(guò)測(cè)量輪軸的擺 動(dòng)量獲得輪胎不平衡數(shù)據(jù) 。 現(xiàn)代的輪胎動(dòng)平衡試 驗(yàn)機(jī)的輪軸大多采用硬支座 , 擺動(dòng)量極其微小 , 一 般采取測(cè)量輪軸力的方法 。目前 , 在我國(guó)的轎車輪胎生產(chǎn)中

14、普遍使用的 平衡試驗(yàn)設(shè)備是臥式 、 硬支座 、 測(cè)力型的輪胎專用動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī) 。據(jù)初步統(tǒng)計(jì) , 投入使用的上述設(shè) 備已有幾十余臺(tái) , 各生產(chǎn)配套用轎車輪胎的企業(yè) 都擁有 , 主要機(jī)型有美國(guó) Micro 2poise 公司生產(chǎn)的 A IT 2238型 和 日 本 國(guó) 際 計(jì) 測(cè) 器 公 司 生 產(chǎn) 的 FABM 26142型 。 3. 2輪軸轉(zhuǎn)速在動(dòng)平衡試驗(yàn)中 , 輪胎質(zhì)量分布平衡與否是 通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)輪胎的不平衡離心力和力矩來(lái)確定 的 , 離心力又與角速度的平方成正比 , 所以輪輞轉(zhuǎn)速是否穩(wěn)定直接影響測(cè)量精度 。 例如 ,1%的轉(zhuǎn)速偏差將引起 2%的不平衡量變化 。再則 , 雖然輪 軸轉(zhuǎn)速的高低

15、主要取決于測(cè)力傳感器的靈敏度 , 但輪胎屬于粘彈性體 , 它的斷面形狀在離心力作 用下會(huì)發(fā)生變形 , 因此輪胎的質(zhì)心偏心距和轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量均可視為轉(zhuǎn)速的函數(shù) 。 為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的 精度和不同機(jī)臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)的可比性 , 必須對(duì)輪軸 轉(zhuǎn)速的范圍和精度提出要求 。 對(duì)它們的要求有 :轉(zhuǎn)速范圍 :200500r min 21; 轉(zhuǎn)速精度 :測(cè) 量轉(zhuǎn)速的 ±0. 5%。 目前 , 國(guó)內(nèi)在用的主要機(jī)型的輪軸轉(zhuǎn)速為 250r min 21(A IT 2238型 和 400r min 21(FABM 26142型 , 個(gè)別也有 650r min 21的 。隨 著試驗(yàn)機(jī)采用高靈敏度傳感器和其他先進(jìn)技術(shù) , 應(yīng)逐步縮小輪軸轉(zhuǎn)速的范圍 , 以減少試驗(yàn)誤差 。(未完待續(xù) 繼雙星全鋼子午線輪胎獲 “ 中國(guó)名牌” 產(chǎn)品 之后 , 近日 , 雙星輪胎公司再獲殊榮 :在中國(guó)質(zhì)量 監(jiān)督管理協(xié)會(huì)和中國(guó)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研