硬支承式輪胎動平衡機新型振動系統(tǒng)設計與分析*

尹燕剛，陳進偉，馮顯英，李沛剛

(1.山東大學 機械工程學院，濟南 250061；2.青島中科明新能源設備有限公司，山東 青島 266499)

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硬支承式輪胎動平衡機新型振動系統(tǒng)設計與分析*

尹燕剛1，陳進偉2，馮顯英1，李沛剛1

(1.山東大學 機械工程學院，濟南 250061；2.青島中科明新能源設備有限公司，山東 青島 266499)

摘要：針對傳統(tǒng)雙面立式動平衡機應用過程中平面分離性能差，靜偶分離效果不理想的情況，通過建立傳統(tǒng)立式動平衡試驗機的振動測量模型，分析其性能不佳的原因，并在此基礎上提出了一種雙面立式輪胎動平衡試驗機的新型振動結構，建立其力學模型，并對該新型振動系統(tǒng)的性能以及校正面的解算進行了詳細說明，提高了輪胎動平衡試驗機的平面分離及靜偶分離性能。

關鍵詞：雙面立式輪胎動平衡機；振動結構；校正面解算；靜偶分離

0引言

隨著社會經濟的快速發(fā)展，汽車已融入生活的方方面面，輪胎性能的好壞直接關系到駕駛者的駕駛體驗與行車安全。當輪胎存在不平衡量時，高速旋轉過程中會產生靜不平衡量與偶不平衡量，前者引起輪胎的上下跳動，后者引起輪胎的左右擺動，嚴重影響行車安全[1]。輪胎動平衡試驗機就是在輪胎出廠前對其進行動平衡檢測，其振動系統(tǒng)在輪胎不平衡量的離心力作用下受迫產生振動，該振動信號經壓電傳感器采集，將物理信號轉換成電信號，由信號處理電路處理后傳到上位機進行數(shù)據(jù)的分析處理，最終得到輪胎的不平衡量[2]。目前國內輪胎動平衡試驗機結構多借鑒國外專利設備[3-6]，缺乏創(chuàng)新性。由于傳統(tǒng)立式動平衡機本身的結構缺陷，靜偶分離及平面分離性能相對較差，嚴重影響了輪胎不平衡量的測量精度，因此，研究設計具有新的振動結構的輪胎動平衡機具有十分重要的意義[7-9]。

1傳統(tǒng)雙面立式動平衡機振動系統(tǒng)

目前，國內輪胎動平衡機的支承振動系統(tǒng)多借鑒國外設備，整個主軸系通過拉桿和吊桿懸掛于機架底座上，其振動系統(tǒng)的結構原理圖如圖1所示。

圖1　主軸振動系統(tǒng)結構原理圖

圖1所示的主軸振動系統(tǒng)結構原理圖中L為吊桿的長度(吊桿半徑為r，彎曲剛度為K1，拉壓剛度為K2)，m1為輪胎的靜不平衡量，A為偶不平衡量的力臂，力偶為mA，a、b分別為上、下測量面到振動系統(tǒng)原點的距離，l為系統(tǒng)振動中心到原點的距離，h為工件靜不平衡量與系統(tǒng)原點間的距離。

當主軸以等角速度ω繞Z軸旋轉時，該振動系統(tǒng)的運動微分方程為：

(1)

解方程(1)得：

(2)

(3)

由式(3)可知，對于傳統(tǒng)的立式動平衡機Wθ>>Wy，所以η很小，表明力偶的影響較小，即靜偶分離性能較差。

較差的靜偶分離性能嚴重影響了動平衡機的測試精度，當輪胎的不平衡量的位置相對于上下兩個校正平面發(fā)生變化時，偶不平衡量的影響不明顯，表現(xiàn)為檢測支承反力的兩壓電傳感器的數(shù)值變化不明顯，導致平面解算得到的上下校正平面的不平衡量與實際不平衡量不匹配，較大程度上降低了不平衡量的平面分離能力[10]。

2新型輪胎動平衡機振動系統(tǒng)

2.1新型輪胎動平衡機振動系統(tǒng)結構設計

輪胎的不平衡量表現(xiàn)為靜不平衡量Ms與偶不平衡量Mc，兩者與解算到上下兩校正平面上不平衡質量的關系如圖2所示。

圖2　靜偶不平衡量的分解

圖2中Mu為上校正平面的不平衡量，Ml為下校正平面的不平衡量，則：

(4)

傳統(tǒng)立式動平衡機通過平面解算得到Mu、Ml，經式(4)求得輪胎的靜偶不平衡量，無法準確得到輪胎的不平衡情況，若在振動量的測量環(huán)節(jié)就實現(xiàn)靜偶不平衡量的分離，提高系統(tǒng)的靜偶分離比，在保證測得靜偶不平衡量的準確性的前提下，由式(4)求得上下校正平面的不平衡量，則可有效地提高動平衡試驗機的測量精度。基于此設計的新型輪胎動平衡振動系統(tǒng)的結構圖如圖3、圖4所示。

圖3　新型振動系統(tǒng)結構簡圖

圖4　新型振動系統(tǒng)實際結構圖

該振動系統(tǒng)中主軸基板為35mm厚鋼板與主軸系固結，為剛性結構，左側通過柔性鉸鏈與左板簧焊接在一起，右側與變截面板簧上端的矩形拉桿連接，傳感器采用壓電傳感器，其中傳感器A水平布置，傳感器B垂直布置，兩者皆位于通過主軸軸心的YZ平面內，兩傳感器通過螺桿安裝，螺桿的頂端采用球形結構，保證其所受到的力均為正壓力。

該新型結構的運動形式可分解為主軸基板在水平面內的往復運動以及主軸基板繞柔性鉸鏈處的轉動，前者由輪胎不平衡量的靜不平衡量引起并通過水平傳感器進行檢測，彈性元件為左側板簧彎曲剛度及右側矩形拉桿的水平彎曲剛度；后者由輪胎的偶不平衡量引起，并通過垂直傳感器進行檢測，其彈性元件為左側柔性鉸鏈的扭轉剛度及右側矩形拉桿的豎直彎曲剛度。

該新型振動系統(tǒng)可以通過傳感器直接檢測到輪胎的靜偶不平衡量，再通過平面解算得到上下校正平面的不平衡量，從而更好的反應輪胎的動不平衡情況，提高了系統(tǒng)的檢測精度。

2.2新型輪胎動平衡機系統(tǒng)振動分析

新型輪胎動平衡機振動系統(tǒng)的振動模型簡圖如圖5所示。

圖5　新型振動系統(tǒng)振動模型簡圖

其中：

K1：裝有水平傳感器的螺桿剛度與左板簧彎曲剛度之和；

K2：柔性鉸鏈繞X軸的扭轉剛度；

K3：裝有豎直傳感器的螺桿剛度與右側板簧上部接桿的縱向彎曲剛度之和；

K4：右側板簧上部接桿的水平彎曲剛度。

根據(jù)高等動力學的相關理論，得到該新型振動系統(tǒng)的運動微分方程：

(5)

令上式的特解為：

(6)

將式(6)代入式(5)中，解得：

(7)

(8)

兩者的幅值即系統(tǒng)的振動量均與不平衡離心力mrω2成正比，可以實現(xiàn)對動不平衡量的檢測。

2.3新型振動系統(tǒng)平面分離解算

通過壓電傳感器數(shù)值即檢測到的系統(tǒng)振動量求得輪胎上下校正平面的不平衡量的過程稱為平面分離解算。該振動系統(tǒng)的平面分離解算模型簡圖如圖6所示。

圖6　新型振動系統(tǒng)平面解算模型

其中，上下校正平面的不平衡質量為Fu和Fd，上下校正平面之間的距離為B。下校正平面與水平傳感器所在水平面之間的距離為A。主軸軸線距主軸基板轉動中心的距離為c，垂直傳感器與主軸基板轉動中心的距離為l。

(9)

式(9)反映出，輪胎的靜不平衡量單獨作用于水平傳感器，偶不平衡量作用于垂直傳感器，在信號的采集上實現(xiàn)了靜偶不平衡信號的分離，保證了動不平衡信號檢測的準確性。

3結論

通過建立傳統(tǒng)立式動平衡機的振動模型，分析了其靜偶分離與平面分離性能不佳的原因，并基于此設計了新型的硬支承式輪胎動平衡振動系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的靜偶分離特性，且在振動信號采集的過程中實現(xiàn)了靜偶不平衡量信號的分離，有效保證了輪胎動平衡試驗機的測量精度。

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(編輯李秀敏)

文章編號：1001-2265(2016)07-0049-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.014

收稿日期：2015-08-28

*基金項目：山東大學科研業(yè)務基金(2014YQ016)

作者簡介：尹燕剛(1990—)，男，山東泰安人，山東大學碩士研究生，研究方向為智能檢測與控制，(E-mail)yygangsd@163.com ;通訊作者：馮顯英(1965—)，男，山東濟寧人，山東大學教授，博士生導師，研究領域為數(shù)字化制造、 智能檢測與控制，(E-mail)fxying@sdu.edu.cn。

中圖分類號：TH166;TG506

文獻標識碼：A

Design and Analyze on the New Type of Hard-bearing Tire Dynamic Balancing Machine Swing Frame

YIN Yan-gang1, CHEN Jin-wei2,FENG Xian-ying1,LI Pei-gang1

(1.School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China；2.Zhong Ke Ming New Energy Equipment Co., Ltd, Qingdao Shandong 266499, China)

Abstract：In regard to the poor plane separation performance and the not ideal static-even separation during the application process of the traditional sided vertical balancing machines, the vibration model of it is established to show the reason of its poor plane separation performance. Based of it, a new type of sided vertical balancing machine vibrational structure is proposed and designed. The mechanical model is needed to describe the vibration of this system and the solving method of the two correction plane in detail. The plane separation and static-even separation performance have been greatly improved.

Key words：sided vertical balancing machine; vibrational structure; the solving method of correction plane; static-even separation