車輪動平衡機內外自動量尺設計

戴基玉，王 政，李文勛，梅博文，趙志豪，王玉琳

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

1 問題的提出

車輪平衡有動平衡與靜平衡之分，是評價車輛性能和可靠性不可或缺的重要指標[1-2]。靜不平衡會產生晃動和顛簸，導致車輪產生平斑現(xiàn)象[3-4]；動不平衡會使車輪擺動，導致輪胎形成波浪型磨損。由于外界情況的不確定性，設備常常產生動不平衡現(xiàn)象，而對于穩(wěn)定性要求較高的設備需要一直保持平衡狀態(tài)，特別是船體、車輛等要求在運動狀態(tài)下必須保持平衡。車輪的輪轂與輪胎受制造、安裝等因素影響，使得車輪各部分出現(xiàn)質量分布不均勻[5-7]、車輪回轉中心與其重心不重合的情況，車輪在旋轉時各部分因此而產生離心力，且無法抵消。當車輛在行駛過程中因車輪高速旋轉而處于動不平衡狀態(tài)時，會造成車輪抖動、方向盤震動和車體顛簸[8-9]等現(xiàn)象，增加了行車風險。為避免交通事故、減緩輪胎磨損，必須定期給車輪做動平衡試驗[10-11]，此時就會用到動平衡機。

通常，采用動平衡機為車輪做動平衡試驗時，需要測量并輸入三個參數(shù)[12-13]：①輪輞邊緣至動平衡機箱體側面的距離A；②輪輞的寬度B；③輪輞的直徑D。目前，國產車輪動平衡機的內部量尺多采用鋼絲、線輪、彈簧和電位器等相結合的方式測量A、D兩個參數(shù)[14]。這種內部量尺存在傳動機構復雜、測量精度低、測量效率低、精度保持性差、占用空間大、使用維護不便等缺點。而對于輪輞寬度B值的采集，國產平衡機目前多是采用寬度夾尺進行手工測量，人為誤差大、檢測精度低，且需手工輸入寬度尺寸，操作費時不便。

針對上述問題，筆者擬對測量A、D值的內部量尺和測量B值的外部量尺分別進行創(chuàng)新設計，提出A、D、B三個參數(shù)智能測量、自動輸入動平衡機電腦系統(tǒng)的詳細方案。圖1為裝有內、外自動量尺的車輪動平衡機外觀。

圖1 車輪動平衡機外觀

2 內部自動量尺設計方案

2.1 內部自動量尺的結構

圖2是所設計的車輪動平衡機用內部自動量尺的結構。該自動量尺包括尺頭1、尺桿2、滑動軸承3、尺套4、光柵條固定架5、光柵條6、傳感器固定架7、圓光柵8、光柵讀數(shù)頭9、光柵讀數(shù)頭固定架10等。除此之外，還包括連接各構件所必需的螺釘、螺母和頂絲等。

尺桿2通過螺釘固裝在尺頭1的套筒中，并且其一端穿過滑動軸承3；在尺套4的一端，固裝光柵條固定架5；光柵讀數(shù)頭固定架10的上端套裝在尺桿2的另一端，通過插裝在尺桿2上的兩個頂絲定位；光柵讀數(shù)頭9固裝在光柵讀數(shù)頭固定架10上；光柵條6的一端固裝在光柵條固定架5上，另一端穿過光柵讀數(shù)頭固定架10并設置在光柵讀數(shù)頭9的下方；圓光柵8的輸出軸穿過傳感器固定架7并通過頂絲插裝在尺桿2的端部，且圓光柵8與傳感器固定架7固接。另外，光柵條6通過螺釘以及穿設在螺釘上的墊圈與螺母固裝在光柵條固定架5上；光柵讀數(shù)頭9通過螺釘、墊圈等固裝在光柵讀數(shù)頭固定架10上；圓光柵8通過螺母固裝在傳感器固定架7上。

1-尺頭;2-尺桿;3-滑動軸承;4-尺套;5-光柵條固定架;6-光柵條;7-傳感器固定架;8-圓光柵;9-光柵讀數(shù)頭;10-光柵讀數(shù)頭固定架;11-尺頭頂點

2.2 內部自動量尺的工作原理

如圖2所示，尺桿2可以在光柵條固定架5中轉動，圓光柵8的輸出軸隨尺桿2轉動(8的本體不轉動)；光柵讀數(shù)頭固定架10隨尺桿2可以前后移動，圓光柵8也可以隨尺桿2前后移動。內部自動量尺工作過程如下：旋轉尺桿2時圓光柵8會采集角度信號，拉出尺桿2時光柵讀數(shù)頭9會采集長度信號。

如圖1所示，組裝車輪動平衡機時，將內部自動量尺固定在車輪動平衡機操作臺下面的箱體上，使尺桿2與動平衡機的車輪安裝軸平行，且讓尺頭1的右側頂點與箱體的右側面平齊。安裝好車輪，開始測量時，將尺桿2拉出，在保證尺頭1剛好處于輪輞校正面內的情況下，旋轉尺桿2，使尺頭1的右側頂點穩(wěn)固地頂在車輪的左側輪輞上，此時就可以根據(jù)光柵讀數(shù)頭9輸出的位移信號測量出A值(車輪左邊內側校正平面到動平衡機箱體側面的距離)。

3 外部自動量尺設計方案

3.1 外部自動量尺的結構

圖4為外部自動量尺的整體結構，主要零部件有螺釘1、卡片2、尺臂旋轉軸套3、尺臂旋轉軸4、安裝板5、圓光柵6、環(huán)形溝槽7、軸孔8、軸套9、扭簧10、旋轉軸11、拉簧12、螺釘13、尺臂連接板14、尺臂15、測量頭16、頂桿17等。其中圓光柵6固裝在安裝板5上，尺臂旋轉軸4套裝在圓光柵6上，旋轉軸11和尺臂旋轉軸4均固接在安裝板5上，旋轉軸11的軸心線與圓光柵6旋轉軸的軸心線相垂直，尺臂旋轉軸套3安裝在尺臂旋轉軸4上，并通過滑動互鎖。旋轉軸11裝在軸套9的軸孔8內并與軸套9轉動配合，軸向止擋由附接到軸上的頂絲實現(xiàn)，扭簧10的一端附接到軸套9，而另一端附接到旋轉軸11。卡片2安裝在尺臂旋轉軸套3的上端面，卡片2與尺臂旋轉軸套3和圓形光柵6固接。尺臂連接板14的一端固定到尺臂旋轉軸套3的外壁上，尺臂15的一端固定著測量頭16的一端，而尺臂連接板14上固定著尺臂15的另一端。頂桿17安裝在測量頭16的側壁上，螺釘13安裝在軸套3的外壁上，螺釘1相對于尺臂旋轉軸4固定在安裝板5上，拉簧12的兩端分別連接到螺釘1和螺釘13上。

圖3 內部量尺D值測量原理

1，13-螺釘;2-卡片;3-尺臂旋轉軸套;4-尺臂旋轉軸;5-安裝板;6-圓光柵;7-環(huán)形溝槽;8-軸孔;9-軸套;10-扭簧;11-旋轉軸;12-拉簧;14-尺臂連接板;15-尺臂;16-測量頭;17-頂桿

3.2 外部自動量尺的工作原理

如圖4所示，外部自動量尺具有兩根旋轉軸，一根是旋轉軸11，它平行于車輪動平衡機的主軸，當外部自動量尺工作時，依賴于這根軸旋轉，其測得的寬度值保持不變；另一根是尺臂旋轉軸4，它垂直于動平衡機的主軸，外部自動量尺測量的寬度值只與其圍繞這根軸上旋轉的角度有關。在尺臂旋轉軸4軸上安裝圓光柵6，只需測量尺臂轉過的角度，在得到A值的基礎上再根據(jù)其安裝位置即可算出車輪輪輞的寬度B值。

圖5為外部自動量尺測量原理，現(xiàn)結合圖4和圖5說明外部自動量尺測量B值(輪輞寬度)的原理。測量時頂桿17左端點被旋轉尺臂15頂在車輪右邊輪輞外側的校正面上，頂桿17與測量頭16保持垂直關系并相對固定，旋轉軸11所在軸線與車輪軸線平行，此時根據(jù)圓光柵6輸出的信號即可以得到尺臂15旋轉的角度γ。

由圖5幾何關系可知，L1=L2×cosγ +L3×sinγ，輪輞寬度B=L-L1-A。其中，L為動平衡機箱體外側面到尺臂旋轉軸4的軸心的水平距離，由外部自動量尺的安裝位置決定，為已知值；A值通過前述內部量尺已經測得；L2為圓光柵6軸心線到頂桿17軸心線的距離，為已知；L3為頂桿17的長度，也是已知。這樣，根據(jù)上述算式即可間接求得輪輞寬度B值。

圖5 外部自動量尺測量原理

4 結束語

所設計的內部量尺采用直線光柵配合圓光柵的方式自動測量A值和D值，取代了傳統(tǒng)的鋼絲、線輪、彈簧與電位器相結合的低精度的測量方式，使得內部量尺的結構大大簡化，性能大大提高。內部量尺具有占用空間小、測量精度高、操作方便快捷、電腦系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)而無需手工錄入?yún)?shù)等優(yōu)點。外部量尺采用高精度的圓光柵自動檢測尺臂的轉角，電腦系統(tǒng)經過計算后自動獲得輪輞的寬度B值，取代了傳統(tǒng)的采用寬度夾尺測量輪輞寬度的低精度做法。外部量尺結構簡潔，體積小，精度高，系統(tǒng)自動獲取數(shù)據(jù)，無需手工輸入。目前，筆者所設計的內外自動量尺均已投產試制。