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不同轮胎均匀性试验机测量参数一致性的研究 摘要 轮胎均匀性试验机是轮胎在加载一定负荷情况下测量其圆周受力波动的检 测设备，是轮胎生产数字化检测系统中的关键装备。该设备属于科技含量较高的 光机电一体化产品，它可以用来测量出轮胎在负荷受载下的反映不均匀程度的径 向力波动、侧向力波动、锥度等参数，产品符合轮胎制造业提高产品质量等级的 发展方向，是国家重点研究的产业化项目。 本文以轮胎均匀性试验机为研究背景，通过对若干台设备的技术参数及测量 结果进行对比分析，得出影响不同轮胎均匀性试验机测量参数一致性的因素及相 应的单机设备上补偿措施，以此消除设备系统误差提高设备的检测精度及可靠 性。具体来说，主要完成了以下研究工作： 首先，总体介绍了轮胎均匀性检测设备的相关技术，其中重点对轮胎均匀性 试验机的力学模型和轮胎均匀性参数算法进行深入研究和分析。 然后，通过若干台设备结构、技术参数及测量结果对比差异分析，在均匀性 试验机力学模型和参数算法基础上，详细阐述了轮胎中轴线与负荷轮中轴线两个 平行轴之间的力学关系，从而得到了影响轮胎均匀性试验机测量参数一致性的因 素，提出了在单机设备上采取相应的补偿方法，以此保证轮胎均匀性试验机测量 结果的一致性。 最后，着重研究在单机设备生产过程中消除系统误差提高机台之间测量参数 一致性的补偿方法。通过对轮胎均匀性试验机液压系统原理及功能分析，提出了 基于模型参考自适应的控制方法提高上轮辋定位精度，然后对标定方法进行改进 并引入最小二乘法及m a t l a b 曲线拟合两种方法对标定系数进行精度提高。通 过模型分析提出了偏心补偿的实现工艺过程控制及计算方法，并通过d e l p h i 编 程语言完成代码编辑并将其应用到上位机中实现。通过采取上述补偿系统误差的 措施及方法提高了设备精度和测量参数的一致性，将其应用到轮胎均匀性试验机 的生产制造过程中，对设备质量的提升有重要的指导意义。 关键词：轮胎均匀性试验机定位标定偏心补偿最t j 、- - 乘法 i i t h es t u d yo fd i f f e r e n tt y reu 咐i f o r m i t y m a c h i n e sm 匣a s u r e m e n t sc o n s i s l 7 e n c y a b s t r a c t t h et y mu n i f o r m i t yt e s t i n gm a c h i n ei su s e dt om e a s u r ef o r c ev a r i a t i o n so ft h et y r o t h a th a v e b e e nl o a d e d i ti st h ek e ye q u i p m e n to fd i g i t a lt i r ep r o d u c t i o n t h em a c h i n e b e l o n g st om e c h a t r o n i c sp r o d u c tw i n lh i g h - t e c h , i ti s a b l et om c a s h l e t y r e s c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ：r a d i c a lf o r c ev a r i a t i o n , l a t e r a lf o r c ev a r i a t i o n , c o n i c i t ya n d s oo n t h ep r o d u c ta c c o r d 诵md e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a lt y r em a n u f a c t u r i n gi sa l l i m p o r t a n tn a t i o n a li n d u s t r i a l i z a t i o ni t e m t h i st h e s i st h eb a c k g r o u n do fu n i f o r m i t ym a c h i n ee m p h a s i z e so nt h es t u d yo f f a c t o r sm a k e nd i f f e r e n tu n i f o r m i t ym a c h i n e sm e a s u r e m e n t si n c o n s i s i t e n t b yn u m b e r o fd e v i c e so i lt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dm e a s u r e m e n tr e s u l t sc o m p a r e d ，w eo b t a i n f a c t o r sa n dt h e i ri m p a c to i lt h ea p p r o p r i a t er e m e d i e s t h e nu s i n gt h er e m e d i e s 咖 i m p r o v et h ep r e c i s i o nt oe l i m i n a t et h es y s t e m 锄r o r c o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gm a j o r r e s e a r c h ： f i r s t , d e s c r i b e st h er e v e v a n tt e c h n i c a lu n i f o r m i t yt e s t , e m p h a s i z eo na n a l y s i s i n g t i r eu n i f o r m i t ym a c h i n ep a r a m e t e r so ft h em e c h a n i c a lm o d e la n da l g o r i t h m t h e n ，b yn u m b e ro fd e v i c e so nt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dm e a s u r e m e n tr e s u l t s c o m p a r e d ，b a s eo nm e c h a n i c a lm o d e la n da l g o r i t h m ，e l a b o r a t eo nb e t w o g nt h et i r ea x i s a n dt h el o a d e dw h e e la x i sm e c h a n i c a lr e l a t i o n s h i p ，8 0w ec 锄o b t a i nt h ef a c t o 璐a n d t h e i ri m p a c to nt h ea p p r o p r i a t er e m e d i e s l a s t ，e m p h a s i z eo nt h es t u d yo fr e m e d i e se l i m i n a t et h es y s t e me r r o r t h r o u g ht h e a n a l 姆so fh y d r a u l i cs y s t e m , p r o p o s e db a s e do nm r a cu p r i mp r e c i s ep o s i t i o n i m p r o v e dc a l i b r a t i o nm e t h o d , i n t r o d u c et h el e a s ts q u a r e sa n dm a t l a bm e t h o d 8t o i m p r o v et h ea c c u r a c yo fc a l i b r a t i o nc o e f f i c i e n t b ya n a l y s i sm o d e lp r o p o s e d e c c e n t r i c i t yc o m p e n s a t i o no fp r o c e s sc o n t r o la n dc a l c u l a t i o nm e t h o d b yt h el a s t i i i m e t h o d s ，i m p w v e dt h em a c h i n ea c c u r a c ya n dc o n s i s t e n c y , b eu s e di nt i r eu n i f o r m i t y m a c h i n ep r o d u c t i o np r o c e s s ，i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ee q u i p m e n tw i t hg u i d a n c e k e y w o r d s ：u n i f o r m i t yp o s i t i o nc a l i b r a t i o ne c c c n l r i c i t yl e a s ts q u a r e s 目录 第1 章绪论1 1 1 引言l 1 2 选题背景与研究意义1 1 2 1 轮胎质量检测技术介绍1 1 2 2 轮胎检测技术研究意义2 1 3 轮胎均匀性试验机研究概述3 1 3 1 轮胎均匀性试验机发展历程3 1 3 2 轮胎均匀性试验机研究现状4 1 4 本文研究工作概述5 1 4 1 论文主要研究内容5 1 4 2 论文组织结构6 第2 章轮胎均匀性试验机测试原理与构成7 2 1 轮胎均匀性测试原理与方法7 2 1 1 轮胎均匀性定义及受力分析7 2 1 2 轮胎均匀性测试方法与过程9 2 2 轮胎均匀性测量参数1 1 2 2 1 轮胎均匀性主要指标l l 2 2 2 轮胎均匀性测量参数计算方法1 2 2 3 轮胎均匀性试验机1 6 2 3 1 轮胎均匀性试验机工艺流程1 6 2 3 2 轮胎均匀性试验机的构造1 6 2 3 3 测试工位功能及流程1 7 2 3 4 控制管理系统1 8 2 3 5 环境要求2 1 2 3 6 技术指标二2 l 2 4 本章小结2 2 第3 章影响轮胎均匀性试验机测量参数一致性因素分析2 3 3 1 轮胎均匀性测试的数学模型及力学分析2 3 3 1 1 轮胎均匀性试验机数学模型建立2 3 3 1 2 轮胎与负荷轮之间力学分析2 4 3 1 3 轮胎与负荷轮两中轴间力系计算2 5 3 2 测量参数准确性与一致性标准2 6 3 3 影响轮胎均匀性测试参数一致性因素2 8 3 4 本章小结3 2 v 第4 章改善轮胎均匀性试验机测量参数一致性的措施3 3 4 1 轮胎均匀性试验机上轮辋高精度定位控制方法实现3 3 4 1 1 轮胎均匀性试验机上轮辋定位液压系统一3 4 4 1 1 1 液压系统组成3 4 4 1 1 2 液压系统工作原理3 4 4 1 2 定位系统总体结构3 5 4 1 3 定位系统硬件结构3 5 4 1 4 液压系统控制方法设计3 6 4 1 4 1 模型参考自适应在液压伺服系统的应用3 8 4 1 4 2p l c 内嵌p i d 控制算法应用4 0 4 2 轮胎均匀性试验机标定方法改进4 2 4 2 1 多向测力传感器的标定4 2 4 2 2 标定方法改进4 7 4 2 3 实例仿真分析4 8 4 2 4 最小二乘法扩展在多向传感器测量标定中的应用5 0 4 3 偏心补偿方法应用5 3 4 3 1 偏心补偿原理5 3 4 3 2 偏心补偿方法及计算过程5 3 4 3 3 偏心补偿上位机实现5 6 4 4 本章小结5 7 结论5 9 参考文献6 l 致谢6 4 附录6 5 附录一：上轮辋自动快速上升程序6 5 附录- - ：上轮辋自动快速下降及p i d 定位程序6 6 读学位其间发表的学位论文6 8 创性声明一6 9 于论文使用授权的说明7 0 v i 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 本课题源于软控股份有限公司承担的国家科技支撑项目“数字化橡胶轮胎生 产专用装备开发”的重要组成部分一轮胎均匀性试验机。软控股份有限公司经过 多年来不断深入试验和研究，研发出了拥有自主知识产权的轮胎均匀性试验机。 该产品属于轮胎在线检测设备，光机电一体产品，对机械构造、控制系统和数据 管理系统都有较高要求。这种轮胎生产数字化关键装备是轮胎制造业检测系统的 关键一环，是国家重点研究的产业化项目。轮胎均匀性试验机的研制成功提高了 我国轮胎质量水平及安全性能，对于促进我国公路运输的效率和降低交通事故发 生率，推动我国轮胎制造业的发展都有重大意义。 1 2 选题背景与研究意义 1 2 1 轮胎质量检测技术介绍 近几年来，随着我国对交通运输行业重视及资金投入得不断增加，到2 0 0 9 年底，中国高速公路的通车总里程达6 5 万公里。继2 0 0 8 年修通高速公路6 4 3 3 公里后，我国0 9 年高速公路再次保持了高速发展，中国高速公路通车总里程继 续稳居世界第二位。按照我国2 0 0 5 年公布的高速公路网发展规划，到2 0 2 0 年， 基本建成国家高速公路网。届时，中国高速公路通车总里程将达1 0 万公里根 据现有发展速度，国家高速公路网将提前建成。我国汽车市场也随着我国g d p 的 快速增长也得到了迅速地发展，汽车总量从0 8 年的9 3 8 万辆增长到0 9 年的1 3 5 0 万辆，据估计2 0 1 0 年能够达到1 7 0 0 万辆增速为4 0 多。当然这个增速由于基数 变了增速相对下降，但我国汽车总量近几年还是不断上涨的趋势。随着我国的汽 车工业、公路建设、公路运输得到迅猛的发展以及家庭轿车普及率的提高，人们 对汽车的重要组成部件轮胎认识不断提高，对轮胎质量提出了越来越高的要求。 轮胎在线检测设备的数据是判定轮胎质量级别的重要依据，所以轮胎生产厂家对 轮胎检测设备性能要求也要来越高。 国外轮胎质量检测工业起步较早，早在上世纪5 0 年代就开始投入大量的人 力物力财力进行研究。德国、美国、日本等在国际上均处于领先地位，技术上较 不同轮胎均匀性试验机测量参数一致性的研究 为成熟，他们的产品具有测量系统性能指标稳定，精度、效率及人性化程度都较 高。较为知名的设备生产企业有美国阿克隆、日本国际计测、德国科尔曼等公司。 近几年来，日本国际计测公司在汽车车轮、轮胎动平衡、均匀性、偏心度测试设 备的开发方面取得了很大的成功，其中世界上首台集轮胎均匀性、动平衡、偏心 度测试于一体的复合性能试验机已研制成功并批量生产，并且占有相当大的国际 市场【1 】 我国与发达工业国家相比，轮胎检测行业起步较晚，相对比较落后。上世纪 9 0 年代之前，我国的高速公路里程数较小，车速普遍不高，由轮胎动平衡、均匀 性，杂质气泡等因素引起的问题亦不太明显，因此我国对轮胎的检测技术的发展 没有足够的重视。进入上世纪9 0 年代以来，我国轮胎行业才开始逐渐引进国外 的轮胎检测设备，但仅局限于检测设备的应用仍没有自行研发的能力。为了扭转 对轮胎检测技术的空白及轮胎制造业的轮胎检测设备完全依赖与国外进口的局 面，国家出台了相关的发展政策，制订了相关的技术标准，例如启动了十一五国 家技术支撑项目“数字化橡胶轮胎生产专用装备开发 ，编写了国家标准“汽车 轮胎均匀性试验方法( u n i f o r m i t yt e s tm e t h o df o rm o t o rv e h i c l et y r e s ) 一等一系列 措施推动整个轮胎工业的发展。这些政策、标准逐渐形成了一个规范的技术体系， 其科学的技术支撑和规范的行业管理也逐步完善【2 1 。目前国内以软控股份有限公 司为代表的轮胎检测设备制造企业已独立研发及制造出了相关的轮胎检测设备， 并拥有完全的自主知识产权。 1 2 2 轮胎检测技术研究意义 轮胎质量检测技术不仅要满足人们对于汽车的高速性、舒适性、环保性和行 驶的安全性等都提出了越来越高的要求；与此同时汽车对轮胎的要求更加苛刻。 要提高轮胎质量和性能，不但要从设计、制造工艺上进行研究和改进，还要加强 成品轮胎的质量检测，像过去仅仅依靠检查轮胎成品的物理机械性能是远远不够 的。还必须发展轮胎成品的测试方法及设备。所以，轮胎出厂前必须要通过_ 系 列的在线检测包括动平衡、均匀性、不圆度、x 光、气泡等项目，与之对应的检 测设备包括轮胎动平衡试验机、轮胎不圆度试验机、轮胎均匀性试验机、轮胎x 光检验机、轮胎激光散斑检验机等。 2 0 世纪八十年代以前，轮胎只须达到国家轮胎产品标准的室内性能指标就可 以推向市场。随着竞争的加剧，轮胎在出口或是作为原配轮胎时，还需要提供更 多的项目指标，例如轮胎的制动距离、节油性能、操纵性能稳定性和在干湿路面 上的牵引和制动湿滑性能等一系列数据，在轮胎设计和制造的过程中优越的乘坐 2 青岛科技大学研究生学位论文 舒适性能越来越受到轮胎企业、汽车制造商和客户的关注和重视，如何在高速行 使中，保证车辆具有良好的舒适性? 轮胎的检测技术显得尤为重要。当轮胎均匀 性达不到要求时，即使汽车行驶路面较理想同样会发生跑偏、径向跳动和侧向摆 动的情况。这些现象的出现，不仅加速车辆部件和轮胎的疲劳和磨损，而且使车 辆的乘车舒适性和操纵稳定性恶化；如果轮胎不进行x 光机检测含有了气泡或杂 质，可能会导致带束层钢丝断裂导致爆胎，严重时甚至发生交通事故。因此轮胎 室内检测手段发展日新月异。目前在国际上各大轮胎公司采用两类方法进行检验 和研究轮胎的性能和质量，一类是室内的标准检验项目及轮胎性能测试，另一类 是在室外轮胎试验场进行的实用试验；其中室内测试又可分两种：轮胎常规检验 和轮胎质量研究分析。轮胎检测设备的检验方法和测量效率对轮胎规模生产有重 要影响。另外，总结归纳轮胎检测技术特性参数并深入分析，将其提供给轮胎厂 的技术人员，结合轮胎的制造过程找出影响轮胎各种性能的因素，从而提出一些 相应的控制措施应用于轮胎的生产过程中，降低轮胎的废品率和退赔率，对轮胎 厂在节约资源、降低成本和增加利润方面都有重要的指导意义。 ? 。 1 3 轮胎均匀性试验机研究概述 轮胎是一筒状断面的圆环形挠性旋转体，根据力学原理及机械运动原理，轮 胎在高速旋转情况下由于材料组织、尺寸外形的不均匀及装配尺寸的误差等必定 会产生交变的径向力和侧向力，将轮胎的这类非均匀性统称为轮胎均匀性。所谓 均匀性是指在静态和动态条件下轮胎圆周特性恒定不变的性能。轮胎均匀性试验 机是检测轮胎圆周不均匀程度的专用设备。 1 3 1 轮胎均匀性试验机发展历程 轮胎均匀性试验机就是用来检验轮胎的质量性能的在线成品检测设备。该设 备测量出的径向力波动、径向力各次谐波、侧向力波动、侧向力各次谐波、锥度 效应力、角度效应力、径向偏差( 顶部、中央、底部) 、侧向偏差( 顶部、底部) 、 鼓包和凹陷( 顶部、底部) 等参数不仅能科学地定标轮胎的不均匀性，而且能用来 指导对轮胎的不均匀性进行修正，使轮胎的不均匀性达到最小值，从而达到改善 提高轮胎质量的目的。另一方面轮胎均匀性试验机检测出的数据经过归纳分析， 技术处理可以为轮胎厂技术人员研究分析轮胎不均匀性的原因、规律提供依据， 进而指导轮胎的结构设计，制造工艺的改进，促进子午线轮胎质量的提高。 在欧美发达国家，检测设备早已成为各大轮胎生产厂家生产高品质子午胎的 不同轮胎均匀性试验机测量参数一致性的研究 必备关键设备。这可以从美国阿克隆标准公司的均匀性试验机销售情况看出：阿 克隆公司目前在全球已销售了近1 2 0 0 台均匀性试验机，而且绝大部分市场在欧 美发达国家。其它如美国m t s 、日本神户制钢、日本国际计测器等公司也生产轮 胎均匀性检测设备，它们在全球也都有较大的销量。国外的均匀性试验设备的生 产厂商几十年长期的坚持致力于均匀性试验机的生产研发【3 1 ，形成了系统的体系， 有扎实的理论基础与硬件保障，设备运行稳定，所以国内的市场基本被国外垄断。 这种设备在上世纪9 0 年代悄然进入我国市场，成为一种必不可少的检测设备。 与欧美家相比，我国的轮胎检测行业比较落后，均匀性检测技术一直以来都 被外国人所垄断，限于人力、资金及技术资源方面的约束，我国一直没有自行研 发轮胎均匀性试验机的能力，仍是我国的一项空白。9 0 年代以来，我国轮胎行业 开始逐渐引进国外的轮胎检测装备，但仍没有自行研发轮胎均匀性试验机的能 力，国外也一直对我国封锁技术，我国的轮胎检测应用虽然普及，但对均匀性的 检测技术的掌握依然是空白，我国轮胎制造企业的轮胎检测设备完全依赖于国外 进口。近几年来我国在轮胎检测设备越来越重视，投入的资金及人力越来越大使 得研发生产方面发展迅速，取得了瞩目成绩。轮胎均匀性检测设备的研制也被国 家列为国家支撑项目( 编号：2 0 0 7 b a f l 4 8 0 0 ) “数字化橡胶轮胎生产专用装备开 发项目力的一项重点开发可网络化运行的轮胎生产数字化关键装备系统组成产 品之一，这其中包括大量的理论基础、数据算法等。我国轮胎行业要兴起必须要 做好对轮胎均匀性检测设备的研究。但近年来在轮胎检测设备研发生产方面发展 迅速，取得了瞩目的成绩。青岛高校软控股份有限公司经过多年的不懈追求，勇 于创新于2 0 0 7 年5 月成功研发出国内第一台轮胎均匀性试验机，摆脱了该类设 备依赖进口的状况，填补了该类检测技术在国内的空白 1 3 2 轮胎均匀性试验机研究现状 检测技术是利用各种物理化学效应，选择合适的方法和装置，将生产、科研、 生活中的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程：能够自动 地完成整个检测技术处理过程的设备称为为检测设备。检测准确度和效率是 检测类设备至关重要的标准。轮胎均匀性试验机作为轮胎检测设备他的性能指标 中最重要的也不外乎这两点，一是检测精度即要求设备能够精确的测量出轮胎的 各项参数，准确反映轮胎的质量状况从而正确地判定轮胎的质量等级；再就是检 测效率即能够快速及时的完成对生产的轮胎成品检测，轮胎厂的一条生产线每天 可以生产几千甚至上万条轮胎，如果测量周期过长会造成轮胎积压，不能及时入 库出厂，对轮胎厂造成一定的经济损失。 4 青岛科技大学研究生学位论文 轮胎均匀性参数就是轮胎出厂必检重要的参数之一，故此轮胎生产厂家对轮 胎检测设备的检测周期、检测精度提出了苛刻的要求，所以目前世界各大轮胎检 测设备生产厂家均把设备的检测周期、检测精度作为重要公关课题进行研究。作 为轮胎生产行业的最后一个生产环节，检测设备的检测方法和测量效率对轮胎规 模化生产有重要影响，对国家的轮胎制造业起着监控与促进的重要作用。现在生 产的均匀性试验机虽然能达到客户的基本要求，效率和精度也已基本达到国际先 进水平，但随着轮胎轮胎企业规模的扩大，每个轮胎厂都需要若干台相同的设备 对完成生产出的大量的轮胎的检测工作，这样均匀性试验机的批量生产机台与机 台之间测量结果存在不一致性，厂家与厂家生产的试验机测得轮胎参数的不一致 性等问题显现出来，目前这方面的研究还不太成熟。 1 4 本文研究工作概述 1 4 1 论文主要研究内容 基于以上多台轮胎均匀性试验机在其测量过程中存在的所测轮胎参数不一 致，机台之间测量参数差异大的问题，本文首先引入轮胎均匀性试验机测量原理 及力学模型，再通过分析影响多台轮胎均匀性试验机测量参数一致性的因素，为 进一步在单机设备生产过程中采取补偿措施消除系统误差做准备；其次从轮胎均 匀性的生产实际及测量过程出发，结合轮胎均匀性理论基础及各种优秀控制思 想，采用基于模型参考自适应的p i d 控制方法完成设备上轮辋的精确定位，对标 定方法进行改进及引入偏心补偿方法等措施，消除系统误差使得轮胎均匀性试验 机所测参数一致性有所改善。主要工作具体介绍如下： ( 1 ) 系统分析和研究轮胎均匀性试验机测量原理及相关技术，对轮胎均匀性 试验机的力学模型及各种算法进行研究，找出影响不同机台测量结果一致性的因 素，从而为本文近一步提出在单机设备生产过程中，应采取补偿方法措施消除系 统误差奠定必备基础。 ( 2 ) 根据轮胎均匀性试验机液压系统的设计情况，针对原有控制器定位不精 确，误差大稳定性差等现象，提出了基于模型参考自适应的p i d 控制方法实现上 轮辋的高精度定位控制并提出了基于液压时序控制图的摧理算法，同时利用上位 机及p l c 自嵌的p i d 控制功能完成算法程序的编写。 ( 3 ) 在轮胎均匀性试验机调试过程中，本文提出了测力传感器标定系数对参 数一致性的影响，并改进了原有标定方法基础上进行改进，通过最小二乘法的扩 展理论对标定系数精度进行优化。 5 不同轮胎均匀性试验机测量参数一致性的研究 ( 4 ) 在轮胎均匀性试验机力学模型建立的基础，本文找到轮胎均匀性试验机 由其主轴的不均匀性造成设备测量参数不一致的因素，并通过模型分析提出了偏 心补偿的实现工艺过程控制及计算方法，并通过d e l p h i 编程语言完成代码编辑 并将其应用到上位机中实现。 综上所述，本文主要从轮胎均匀性试验机的测试原理及构成，力学模型及 数据算法和影响测量参数一致性的因素及补偿措施方面展开研究。 1 4 2 论文组织结构 全文共分五部分，组织结构如下： 第l 章简要概述轮胎检测设备的研究，重点分析和探讨轮胎均匀性检测 的研究背景和研究意义以及轮胎均匀性试验机的研究现状，并提出了本文的研究 内容和解决的问题。 第2 章重点对基于力学模型和轮胎均匀性参数算法生产的轮胎均匀性试 验机进行深入研究和分析，首先简单介绍了轮胎均匀性及其对汽车的操纵性能的 影响和及表征轮胎均匀性的参数及其计算方法，然后根据上述理论引出了轮胎均 匀性的检测设备。最后系统介绍了轮胎均匀性试验机原理及构成及其工艺过程的 工作原理。 第3 章本章首先从轮胎均匀性试验机的机械结构、设备技术参数及力学 模型方面出发，详细阐述了轮胎中轴线与负荷轮中轴线两平行轴之间的力学分 析，从而得到了影响不同轮胎均匀性试验机测量参数一致性的因素并进行分析。 第4 章提出了在单机设备生产过程中所采取的补偿方法，从而消除系统 误差保证不同设备之间测量结果的一致性。首先对通过轮胎均匀性试验机液压系 统原理及功能分析，提出了基于模型参考自适应的控制方法提高定位精度，然后 对标定方法进行改进并引入最小二乘法对标定系数进行精度提高，最后通过模型 分析提出了偏心补偿的实现工艺过程控制及计算方法，并通过d e l p h i 编程语言 完成代码编辑并将其应用到上位机中实现。 总结对全文进行总结和展望，指出论文中尚不完善之处及进一步的研 究方向。 6 青岛科技大学研究生学位论文 第2 章轮胎均匀性试验机测试原理与构成 轮胎是由橡胶、化学纤维、钢丝帘线等各种材料层叠而成的制品。在制造过 程中，轮胎需要经过多层带有钢丝帘线的橡胶预制材料、复合橡胶预制材料经贴 合、成型以及硫化定性等工艺流程，因此必然存在尺寸、刚性不均匀和重量不平 衡现象。轮胎可被看成一种圆环形筒状断面的挠性旋转体，对其施加一定的负荷 在这种状态下旋转，就产生会发生周期变化的力【4 】。根据力学原理，轮胎的不均 匀性在动态运动过程中会表现出很多运动特征，如轮胎与地面的各方向上的存在 摩擦、轮胎承受负载的变化、导致轮胎变线的锥度效应、角度效应等特性表现。 由于轮胎存在不均匀性，轮胎在行驶滚动过程中作用于旋转轴上的附加应力会导 致车辆的振动、跑偏及产生噪音等现象，从而影响汽车运行的速度及其乘坐的舒 适度和平稳度；严重时甚至会损坏汽车零部件，导致交通事故的发生。这些附加 力包括轮胎旋转时的不均匀性离心力、轮胎形状不对称和刚度不相等导致的弹性 力以及轮胎内部结构引起的有关力的耦合力。将轮胎的这类非均匀性统称为轮胎 均匀性。 轮胎均匀性技术已发展成为一种专门的轮胎检测技术。尤其是交通运输业同 新月异，飞速发展的今天，人们对汽车不仅追求高性能化和高功能化，进行了各 种研究和开发，而且力求空间舒适，注重富有安全感的驾驶性能、行驶稳定性和 低噪声等，这样对轮胎的均匀性性能的要求也就越来越苛刻。对于轮胎生产线的 最后一道工序，要进行均匀性检测与校正，检验其均匀性各参数并校正至满足所 规定的允许限量，轮胎均匀性检测技术已经成为轮胎制造领域中的一个非常重要 的环节。( 注：轮胎均匀性试验分为尺寸偏差试验和力波动试验两种，本文中所 涉及的轮胎均匀性试验在不特殊注明的情况下一概为力的波动试验) 2 1 轮胎均匀性测试原理与方法 2 1 1 轮胎均匀性定义及受力分析 轮胎均匀性是轮胎在生产过程中形成的个体特性，是指在静态和动态条件下 轮胎圆周特性恒定不变的性能。从轮胎术语看就是事实上轮胎的“不均匀性 ， 轮胎均匀性的概念广义上还包括了轮胎平衡性能。轮胎的不均匀性就是轮胎圆周 7 不同轮胎均匀性试验机测量参数一致性的研究 方向和断面方向上各对称部位的几何形状和力学性能不一致，其主要有质量不平 衡、形状不对称和轮胎力波动三者组成，于是测定轮胎均匀性的方法也相应地分 为平衡试验、尺寸偏差试验和力波动试验三种【5 】。轮胎均匀性试验机模拟轮胎在 施加一定负荷的情况下，如图2 - 1 所示，对轮胎不均匀性产生的力的波动的矢量 测试，通常的波动是指力和尺寸偏差的波动。轮胎工业通常采用在轮胎中心建立 坐标系，并沿着这些坐标轴测试各类参数。 图2 1 轮胎均匀性测试原理图 f i g 2 - 1t y r eu n i f o r m i t yt e s t i n gs c h e m a t i c 径向力伊z ) 该力与轮胎和路面( 或均匀性试验机上的负荷轮) 垂直。径向坐标 轴垂直于路面，径向力以该轴施加给轮胎。径向力过大会给行驶的车辆带来振动， 噪声，影响汽车运行的速度、舒适度或平稳度。 侧向力 ”它是轮胎和路面( 或均匀性试验机上的负荷轮) 之间沿着旋转轴 方向的力。侧向力是轮胎一侧到另一侧作用于车辆的操纵力。侧向力过大会给行 驶的车辆带来摆动，操控方向感滞后。 切向力陬) 它是轮胎和路面( 或均匀性试验机上的负荷轮) 之间的驱动力，在 轮胎行驶方向，切向坐标与路面平行。驱动力沿着切向作用于轮胎。切向力是车 辆行驶的驱动力，对轮胎的均匀性特征影响较t j 、t 6 j 。 t 。删 图2 - 2 轮胎受力分析及力矩影响示意图 f i g 2 - 2t y r es t r e s sa n a l y s i sa n dt o r q u ei m p a c td i a g r a m 青岛科技大学研究生学位论文 文献【7 】已对轮胎均匀性的受力及影响做了深入分析。故由上图2 - 2 所示可知， 均匀性测试可以表征出轮胎内部外部缺陷对旋转运动力的影响，车辆行驶中由轮 胎的不均匀性引起的三个方向的作用力变化。 2 1 2 轮胎均匀性测试方法与过程 轮胎均匀性力波动检测方法是把试验轮胎装在规定的轮辋上，充入规定的压 缩空气以恒定的动负荷半径、直线行驶的状态( 即轮胎的侧偏角和侧倾角都为零) 和稳定的速度( 一般转鼓的转速为6 0 r m i n ) ，在平整的模拟道路( 如负荷轮) 上 做自由滚动，然后分别测量轮胎在顺时针方向和逆时针方向旋转时的力波动。如 下图所示： 3 2 l 图2 - 3 均匀性测量示意图 1 主轴2 下轮辋3 上轮辋钳鲁胎5 负荷轮6 旋转编码器7 古感器 f i g 2 - 3u n i f o r m i t ym e a s u r i n gs y s t e mg e n e r a lv i 州 1 p d n c i p a l 缸i s ，2 - l o w e rr i m ，3 - u p p e rr i m , 禾t y 鸭5 4 0 a dw h e e l ，6 - r o t a t i n gc o d e r ，7 s 既璐 通过上述描述，我们可以得到轮胎在经过均匀性受力测试试验之前要设定两 个必要条件即轮胎负荷和充气压力，我们做如下定义： ( 1 ) 轮胎负荷( l o a d ) ：根据轮胎适用要求以及生产工艺设定的施加给轮胎 的恒定值的力，其值大约为该规格轮胎额定负荷的7 5 一8 0 ；根据轮胎检测行业 特点，定义单位为千克力( 单位：k g f ) ；表现为轮胎旋转一周受到负荷轮施加负 荷的平均值。 9 不同轮胎均匀性试验机测量参数一致性的研究 ( 2 ) 轮胎充气压力( i n f l ) ：根据轮胎适用要求及生产工艺设定的轮胎充气 压力，单位为兆帕( m p a ) 。其值一般轿车胎空气压为：0 1 9 6 m p a ；卡车胎空气压 为：0 2 9 4 m p a ；表现为轮胎在测试过程中通过气压表反馈得到的轮胎内部气压。 主轴外壳不转动，有支撑点，其作用是使主轴悬空，处于半自由状态；除主 轴外壳的主轴部分，包括上轮辋都可以自由转动，上下轮辋模拟车轮轮毂，上、 下轮辋与主轴的轴线重合，下轮辋与主轴一体，起到夹持轮胎、防止轮胎充气后 泄气的作用；负荷轮轴线与主轴轴线始终保持平行，负荷轮材质均匀，几何形状 对称，可以左右水平移动，负荷轮模拟地面，并给主轴施加一定载荷，相当于轮 胎行驶过程中车体对轮胎的压力；传感器紧贴在主轴外壳上，传感器将检测到主 轴的振动为多向感器，即它可以同时测量轮胎径向方向( 垂直于主轴轴线) 上的 径向力和轮胎侧向( 平行于主轴轴向) 上的侧向力，并能同时给出两个方向测量 的输出；在下面的叙述中，当传感器完成径向测量任务时，称之为径向传感器， 当传感器完成侧向测量任务时，称之为侧向传感器：旋转编码器用于在每个转动 周期中均匀的发出固定数目的脉冲，利用编码器的等角度间隔发出脉冲的特性， 就可以达到等角度间隔数据采样，保证了在每个转动周期中对传感器信号的采样 是均匀的【3 1 。 当上述准备工艺条件满足以后，测试系统开始按检测流程完成轮胎均匀性测 试过程。测试前，主轴处在准停位置；上轮辋、负荷轮远离主轴，分别处于各自 的原点位置。测试时，轮胎加载到下轮辋上，上轮辋下降，上下轮辋相对位置被 锁定并夹持轮胎。轮胎充气，并使轮胎内部压力保持恒定。主轴开始加速旋转至 6 0 r m i n ，轮胎依靠充气压力与上下轮辋固定，这样在主轴旋转过程中不会发生 轮胎与上下轮辋的相对错位。负荷轮水平向左靠近挤压轮胎，对轮胎施加以恒定 负荷，轮胎与负荷轮之间通过摩擦力保持恒定转速旋转；主轴与轮胎的相对位置 不变，则主轴与轮胎以相同角速度转动。在测试系统每个转动周期，编码器均匀 发出固定数目的脉冲，每发出一次脉冲，计算机记录一次由传感器输出的信号： 在若干转动周期后，主轴伺服电机带到整个系统以同样转速匀速反向转动，同样 在每个转动周期内，编码器均匀发出固定数目的脉冲，每发出一次脉冲，计算机 记录一次由传感器输出的信号，在若干个转动周期之后，负荷轮和主轴停止转动， 轮胎放气，上轮辋和负荷轮水平退回到起始的原点位置，完成一个测试周期等待 下一次测试。在轮胎均匀性测量过程中，传感器会感受到轮胎发生微小的振动并 将其转化为电信号，计算机将采集到的所有信号数据进行计算，得到所测轮胎的 各项均匀性指标，完成均匀性的测试。 l o 青岛科技大学研究生学位论文 2 2 轮胎均匀性测量参数 2 2 1 轮胎均匀性主要指标 通过上述测试方法，在给定测试条件下，可以得到轮胎均匀性各项参量参数， 描述出了轮胎旋转不均匀性的程度，可表征轮胎内部缺陷对旋转运动力的影响。 轮胎的径向力波动、侧向力波动的分析还要具体到正转情况和反转情况，同时， 由于径向力波动、侧向力波动的l l o 次谐波是构成径向力波动、侧向力波动的 主要成分，而且各谐波所占分量的大小( 幅值) 也将反映轮胎的特质，同样也是 均匀性考察的参数。对于径向力波动和侧向力波动的各次谐波中，一次谐波的波 形最具有代表性它的幅值极大的影响了力波动1 9 1 1 0 1 。 轮胎的正转径向力波动及其i 1 0 次谐波、反转径向力波动及其i , - 一1 0 次谐 波、正转侧向力波动及其i - - 一1 0 次谐波、反转侧向力波动及其i , - 一1 0 次谐波；文 献 1 1 已对此做了介绍。正转侧向力偏移、反转侧向力偏移、锥度效应、角度效 应都是反映一条轮胎均匀性好坏的重要指标，我们做如下定义： 径向力波动( r f v ) ：轮胎在正转或反转的一个或多个转动周期内径向受力的 峰峰值( 单位：n ) ； 侧向力波动( l f v ) ：轮胎在正转或反转的一个或多个转动周期内侧向受力的 峰峰值( 单位：n ) ； 径向力i , - , - ，1 0 次谐波( r f h l r f h l 0 ) ：由力波动试验得到的轮胎径向力与轮 胎旋转角度的关系曲线是一条谐振曲线，对轮胎正转或反转的一个或多个转动周 期内的径向力受力波形用傅里叶分析把它们分解成1 次到1 0 次谐波，其中原波 的1 次成分叫做一次谐波( r f h l ) 或者叫基波( 单位：n ) ； 侧向力i ，- , 1 0 次谐波( l f h l l f h l o ) ：由力波动试验得到的轮胎侧向力与轮 胎旋转角度的关系曲线是一条谐振曲线，对轮胎正转或反转的一个或多个转动周 期内的侧向力受力波形用傅里叶分析把它们分解成1 次到1 0 次谐波，其中原波 的1 次成分叫做一次谐波( l f h l ) 或者叫基波( 单位：n ) ： 一趔谐波 = 羽讪蠹盈蔓 图2 _ 4 波形与各次谐波示意图 f i g 2 - 4w a v e f o r m 丽t ht h eh a r m o n i cs c h e m a t i cd i a g r a m 不同轮胎均匀性试验机测量参数致性的研究 锥度和角度效应都与汽车的操纵性有关，但锥度的影响更为显著，若锥度值 大，则在汽车行驶的操作中有被拉住的感觉高速行驶时容易发生事故。主要反映 轮胎两肩受力的不同，过大会使汽车行驶时轮胎左右摆动，汽车有被拉住的感觉。 角度效应主要反映出带束层的结构设计问题，如带束层帘线的密度、带束层弯曲 时的不平剪切力和带束层厚度不均都会影响跑偏。锥度效应力和角度效应力表征 轮胎由于受侧向力而跑偏的力的影响。锥度效应是指不因轮胎旋转方向改变而改 变符号的侧向力偏移。角度效应是指随着轮胎旋转方向改变而改变符号的侧向力 偏移。为了计算出锥度效应和角度效应，必须求出轮胎在正转、反转情况下的侧 向力平均值，即正转侧向力偏移和反转侧向力偏移，这两项指标是求出锥度效应 和角度效应的中间数据结果，同样也将作为均匀性的一个尺度。 图2 - 5 汽车跑偏原理图 f i g 2 - 5a u t o m o t i v ew a n d e r i n gs c h e m a t i c 侧向力偏移( l s f i ) ：轮胎在正转或反转的一个或多个转动周期内侧向受力 青岛科技大学研究生学位论文 向为正转) ，径向力和侧向力在每个轮胎转动周期中具有重复性，取m ，n 的值为 l 做来研究计算。为了提高设备测量精度，可以适当增大m 和n 的值；轮胎在每 个旋转周期内，编码器均匀发出n 个脉冲；正向用c w 表示，反向用c c w 表示。 首先，轮胎被装卡在上下轮辋之间，充入适当压缩空气后，在主轴带动下以 速度6 0 r m i n 匀速正向转动，在每一个转动周期内，旋转编码器发出n 点脉冲， 旋转编码器每发出一个脉冲，计算机将记录一次径向传感器输出和侧向传感器输 出，直到各采集k n 个数据为止，分别将数据记录为： 径向力正转数据：p r ：( c w ，i ) 0 = 1 剐单位：n 侧向力正转数据：l f y ( c w ，i ) ( i = l k u )单位：n 然后，轮胎改变旋转方向，以相同的速度匀速反向转动，同样在每一个转动 周期内，旋转编码器均匀的发出n 点脉冲，旋转编码器每发出一个脉冲，计算机 将记录一次径向传感器和侧向传感器的输出信号，直到各采集了k n 个数据为止， 分别将数据记录为： 径向力反转数据：r f z ( c c w ，i ) ( i = 1 k n )单位：n 侧向力反转数据：l f y