1、新產品 新技術汽車輪胎動平衡試驗的研究與分析伍江濤 , 夏松茂(北京橡膠工業研究設計院 , 北京 100039 摘要 :本文從汽車輪胎動平衡試驗出發 , 闡述了平衡試驗與均勻性試驗的關系 , 動平衡試驗的原 理以及試驗設備 。 在重復性試驗的基礎上表明了試驗設備精度對試驗結果準確性的影響 , 同時陳述 了試驗條件和不平衡質量的確定方法以及保證試驗準確性的建議 。關鍵詞 :動平衡 ; 靜平衡 ; 力偶平衡 ; 均勻性 動平衡試驗可進行在線檢驗也可進行實驗室 檢驗 。 盡管在汽車制造廠對配套輪胎的質量要求 中 , 一般都有對輪胎不平衡量的限制 , 如果具有高 精度的輪胎生產工藝及裝備 , 并具備嚴

2、格的管理 和健全的質量保證體系 , 可將輪胎不平衡量控制 在小的范圍內且保持產品質量穩定 , 在輪胎生產 線上可不對產品的平衡性做在線逐條檢驗 。 但對 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 。 本文從該試驗的基 本原理出發 , 對此項試驗進行了初步的研究與分 析以供參考 。1平衡試驗與均勻性試驗的關系均勻性試驗包括形狀對稱性 、 剛性一致性和 質量分布平衡性等三個要素 。 平衡試驗為測量輪 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 , 在均勻性試驗機上測量的輪胎力波動 中 , 應該包含輪胎的不平衡離心力 。但由于普通

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

4、振的關系 , 可應用一質 點的旋轉離心力方程和多質點力系的合成來陳述。 物體以恒速繞定軸旋轉時 , 所產生的不平衡 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 與時間的關系呈正弦函數的變化規律 。 多質點力 系可以用平行四邊形法進行矢量疊加 , 合成為等 效的單一質點力系 。輪胎和其他車輪都屬于質量連續分布系統 , 單一質點系和等效質點系說明該連續系統中某點 (如重點 的力學行為是有效的 , 但要全面表述該 連續系統則需要引入質心位置和轉動慣量的概 念 。 質心位置用于表述定軸的平動 。 如果輪胎的 質心位于旋轉軸線上 , 作用于定軸上

5、的平動合力 就等于零 , 即為靜平衡 。當輪胎的質心偏離旋轉 軸線時 , 定軸上的平動合力即不平衡離心力 , 此時 為靜不平衡 。 輪胎的靜不平衡量等于輪胎質量乘 以質心偏心距 。在質量連續分布系統中 , 慣量是供表述定軸 的轉動用的 。 如果輪胎的主慣性軸與旋轉軸線重 合或平行時 , 作用于定軸上的合力矩等于零 , 即為 力偶平衡 。 當輪胎的主慣性軸與旋轉軸線不重合但在質心相交時 , 作用于定軸上的合力矩為不平 衡離心力力偶矩 , 此時為力偶不平衡 。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 胎主慣性軸與旋轉軸線之間的夾角 (因為當該夾 角以 rad 為單位時 ,sin 再除以

6、校正面間距 。 實際上 , 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 , 即為動不平衡 。動不 平衡輪胎的主慣軸與旋轉軸線既不平行也不在質 心相交 , 因此它在旋轉時會產生不平衡的離心力 及其力偶矩 。靜平衡 、 力偶平衡和動平衡是輪胎平衡性中 的術語 。 前兩者為力學行為不同的兩個術語 , 后 者系前兩者的綜合性術語 。 但有時把力偶平衡與 動平衡等同起來 , 以致產生動平衡試驗只能測量 力偶不平衡量而不能測量靜不平衡量的看法 。 2. 2靜平衡試驗與動平衡試驗靜平衡與力偶平衡之間的區別可歸結為以下 三點 。 首先 , 靜平衡表示在二維平面內的輪胎質 量分布狀況 , 力偶平衡指

7、輪胎質量在第三維的分 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 , 質量分布平衡性是通過測量 其所產生的力或力矩間接地評定的 , 靜平衡作為 力的平衡進行測定 , 而力偶平衡則作為力矩的平 衡予以認可 。再之 , 靜不平衡量可以單獨進行測 量 , 但力偶不平衡量和靜不平衡量同存于動不平 衡量中 , 需要通過運算將力偶不平衡量和靜不平 衡量從測量值中分解出來 。所以 , 輪胎平衡試驗 按測量項目分為靜平衡試驗和動平衡試驗兩類 。 靜平衡試驗可以采用測量靜止輪胎 (呈水平 姿態或站立姿態 圓周上的不平衡重力的方法 , 也 可通過測量旋轉輪胎上的不平衡離心力的方法 。

8、 動平衡試驗只能在輪胎旋轉時進行 , 通過測量它 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位置 。也就 是說 , 靜平衡試驗只能測定輪胎的靜不平衡 , 而動 平衡試驗能測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體都采用不平衡量即不平 衡質量與其位置半徑的乘積來表示平衡性 , 其單 位為 g cm 。 這意味重點的徑向位置在輪胎半徑 范圍內是可變的 , 且不平衡質量也隨之改變 。為 了避免上述不確定性 , 按照平衡配重的實際位置 和國際慣例 , G B/T18505對靜不平衡量和力偶 不平衡量中的位置半徑作出了規定 , 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化而 得 。 在力偶不平衡量中含有重點的徑向和橫向兩 個位置尺寸因素 。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 的輪胎兩側對稱的兩個旋轉平面之間的距離 。 在 呈水平姿態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 用重點位置角表示 。 它的定義是產生不平衡的重 點與指定基準點之間的圓周夾角 。 力偶不平衡的 重點位置角以上校正面為準 , 下校正面的重點位 置角應等于上校正面的重點位置角再加 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 , 需要計算出輪 胎兩個校正面上位于校正半徑處的不平衡質量和 重點位置角 。 計算上和下校正面的不平衡質量的 不平衡質量的公式如下 :式中 :mU 上校正面不平衡質量 ,g ; m l 下校正面不平衡質量 ,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 靜不平衡的重點位置角 , ° C 力偶不平衡的重點位置角 , °。 計算兩個校正面不平衡的重點位置角 , 用公 式計算 。式中 :u m u 與 U C /R 之間的夾角 , °其它符號

11、的解釋與公式 (1 相同 。因為 180°>s -c >0, 故上校正面不平衡的 重點位置角 u =c -u 。但在實際應用中會出 現 4種圖形 , 其所應用的計算公式見表 1。上述 分析也適用于輪胎的下校正面 , 求得用于計算 l 的如下公式 。 下校正面重點位置角的計算公式見 表 1 。式中 :l m l 與 U C /R 之間的夾角 , °其它符號的解釋與公式 (1 相同 。表 1 校正面重點位置角的計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動平衡試驗機 3. 1類型用于測量輪胎的靜不平衡量 、 力偶不平衡量 和它們的重點位置角的試驗設備稱為輪胎動平衡 試驗機 。 為給平衡配重提供信息 , 有些試驗設備 以輪胎的兩個校正面不平衡質量和它們的重點位 置角作為最終試驗數據 , 因為這些數據都是由靜 不平衡和力偶不平衡的測量值計算而得 , 故這類 試驗設備也系輪胎動平衡試驗機 。動平衡試驗機按試驗對象分為車輪用的和輪 胎專用

13、的兩類 。 由前者得到的測量數據輪胎和輪 輞組合體的綜合結果 , 在后者獲得的數據中則剔 除了試驗輪輞及其他非輪胎部件的成分 , 可以認 為是純輪胎的 。 動平衡試驗機按輪胎放置姿態又 分為立式和臥式 。 立式一般用于實驗室和汽車維 修部門 ; 臥式的自動化程度高 , 效率也高 , 都用于 輪胎廠和輪輞廠的生產線上 。 早期很多的動平衡 試驗機和靜平衡試驗機 , 它們的輪軸采用軟支座 , 允許輪軸有一定范圍的擺動 , 通過測量輪軸的擺 動量獲得輪胎不平衡數據 。 現代的輪胎動平衡試 驗機的輪軸大多采用硬支座 , 擺動量極其微小 , 一 般采取測量輪軸力的方法 。目前 , 在我國的轎車輪胎生產中

14、普遍使用的 平衡試驗設備是臥式 、 硬支座 、 測力型的輪胎專用動平衡試驗機 。據初步統計 , 投入使用的上述設 備已有幾十余臺 , 各生產配套用轎車輪胎的企業 都擁有 , 主要機型有美國 Micro 2poise 公司生產的 A IT 2238型 和 日 本 國 際 計 測 器 公 司 生 產 的 FABM 26142型 。 3. 2輪軸轉速在動平衡試驗中 , 輪胎質量分布平衡與否是 通過測量旋轉輪胎的不平衡離心力和力矩來確定 的 , 離心力又與角速度的平方成正比 , 所以輪輞轉速是否穩定直接影響測量精度 。 例如 ,1%的轉速偏差將引起 2%的不平衡量變化 。再則 , 雖然輪 軸轉速的高低

15、主要取決于測力傳感器的靈敏度 , 但輪胎屬于粘彈性體 , 它的斷面形狀在離心力作 用下會發生變形 , 因此輪胎的質心偏心距和轉動 慣量均可視為轉速的函數 。 為了保證測量數據的 精度和不同機臺測量數據的可比性 , 必須對輪軸 轉速的范圍和精度提出要求 。 對它們的要求有 :轉速范圍 :200500r min 21; 轉速精度 :測 量轉速的 ±0. 5%。 目前 , 國內在用的主要機型的輪軸轉速為 250r min 21(A IT 2238型 和 400r min 21(FABM 26142型 , 個別也有 650r min 21的 。隨 著試驗機采用高靈敏度傳感器和其他先進技術 , 應逐步縮小輪軸轉速的范圍 , 以減少試驗誤差 。(未完待續 繼雙星全鋼子午線輪胎獲 “ 中國名牌” 產品 之后 , 近日 , 雙星輪胎公司再獲殊榮 :在中國質量 監督管理協會和中國質量標準研