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轮胎均匀性参数测量方法的研究 摘要 轮胎均匀性试验机是轮胎在加载负荷情况下测量轮胎力波动的在线检测设 备，是轮胎制造业的关键检测系统。该设备属于科技含量很高的光机电一体化设 备。它用于测量轮胎负荷受载下的径向力波动、侧向力波动、锥度等，产品符合 国家的发展方向，是国家重点研究的产业化项目。 本论文主要针对均匀性试验机的测量方法建立一套对应的测试力学模型，通 过该模型讨论轮胎均匀性测试平台的合理性，为目前使用的轮胎均匀性试验机提 供理论方面的论证。针对影响该设备测试数据的各种因素，通过力学分析、数据 解算算法及误差理论分析等解决方法，提供可靠性、稳定性解决方案，解决实际 使用过程中的机械变形、随机干扰等影响测量数据稳定的难题，并提出了锥度补 偿原理消除了均匀性试验机及其他单端轴固定测量系统轴间倾斜对测试数据的 干扰。 对于轮胎均匀性试验机的相关特性参数通过实验采集大量的数据进行理论 分析，应用最小二乘法、曲线拟合、数字信号处理等数学工具寻找各数据之间的 规律，说明了各个参数之间的依存关系，用来指导均匀性试验机的校验方法，并 指导轮胎厂设定轮胎均匀性的测试条件及判级标准。将其用于与该设备的数据解 算过程中，保证了数据处理的准确性，补偿了设备自身的不平衡量，提高了设备 的使用效率。同时本论文的结论可以反馈及应用到轮胎的成型制造工序，对轮胎 质量的提升有重要的监控及指导意义。 关键词：均匀性径向力波动锥度最d - 乘法 r e s e a r c ho ft y r eu n i f o r m i t y s c h a r a c t e r l s t i cp a r a m e t e r s a n dt e s t i n gm e t h o d a b s t r a c t t h et y r eu n i f o r m i t yt e s t i n gm a c h i n ei sa b l et 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 e ，i ta l s oi sap i v o t a lt e s t i n gs y s t e mo ft y r em a n u f a c t u r i n g t h em a c h i n eb e l o n g st o m e c h a t r o n i c sp r o d u c t 、以mh i g h - t e c ha n dh a db e e nm a k e ni nn a t i v ec o m p a n y t h e m a c h i n ec a l lm e a s u r ef o l l o w i n gp 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 e v a r i a t i o n ，c o n i c i t ya n ds oo n t h ep r o d u c ta c c o r dw i t hd e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a l t y r em a n u f a c t u r i n gi sa ni 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 l l i st h e s i se m p h a s i z e so nt h es t u d yo fe s t a b l i s h i n gm e c h a n i c a lt e s t i n gm o d e l w h i c hc o r r e s p o n dw i mt e s t i n gm e t h o do ft y r eu n i f o r m i t yt e s t i n gm a c h i n e ，a n dd e b a t e o nt h er a t i o n a l i t yo ft h et y r eu n i f o r m i t yt e s t i n gp l a t f o r mb yt h em o d e l t os u mu p ，t h i s t h e s i so f f e r st h e o r yp r o o ft ot h eu n i f o r m i t yt e s t i n gm a c h i n e b ya n a l y s i n gd i v e r s i f i e d f a c t o r st ot h et e s t i n gd a t a , m e c h a n i c a lt e s t i n gm o d e l d a t aa r i t h m e t i ca n de r r o ra n a l y s i s ， i ta d v a n c ep r e c e p tt h a ts o l v ep r o b l e mo fp r a c t i c eu s e t h i st h e s i sa l s od e v i s et h e t h e o r yo fc o n i c i t yc o m p e n s a t i n gw h i c he l i m i n a t e sd i s t u r b e rt ot e s t i n gd a t aa r o s e db y s l a n to fo n ee n df i x e da x i s at h et y r eu n i f o r m i t yt e s t i n gm a c h i n e sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so b t a i n e db ya m a s so fe x p e r i m e n t ，t h i st h e s i sa n a l y s ei nt h e o r ya n du s et h em e t h o do fl e a s ts q u a r e s 、 m a t l a ba n dd i g i t a ls i g n a ld i s p o s a lo ro t h e rm a t h e m a t i cm e t h o dt of i n dr u l eo f c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，e x p l a i nt h ec o r r e l a t i v i t yo fp a r a m e t e r s ，i n s t r u c tc h e c k o u t m e t h o do ft h et y r eu n i f o r m i t yt e s t i n gm a c h i n ea n dt y r eu n i f o r m i t y st e s t i n gc o n d i t i o n a n dg r a d es t a n d a r di n s t i t u t e db yt y r ec o m p a n y c o n i c i t yc o m p e n s a t i n gi su s e di nt y r e u n i f o r m i t y sp a r a m e t e r s c a l c u l a t e dp r o c e s s ，a s s u r et h ev e r a c i t yo fd a t ad i s p o s a l ， c o m p e n s a t ei t s e l fi m b a l a n c e ，e n h a n c et h em a c h i n e se f f i c i e n c y t h ec o n c l u s i o no ft h i s t h e s i sc a nb eu s e di np r o c e s so ft y r em a n u f a c t u r i n ga n dh a v ei m p o r t a n ts u p p o r ta n d i n s p e c t i o nf o rt y r eq u a l i t y k e y w o r d s ：u n i f o r m i t y r a d i a lf o r c ev a r i a t i o n sc o n i c i t y l e a s ts q u a r e s i i i 青岛科技大学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：蠢矾忘日期：叼 年￥月j 6 日 f 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“”) 本人签名：丧 导师签名： 期：h 年崛月n 同 飙讪月娟 7 l 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 引言 1 前言 该课题来源于青岛高校软控股份有限公司生产的轮胎检测设备一均匀性试验 机。该公司通过深入的分析和研究，经过反复试验，研发出了拥有自主知识产权 的均匀性试验机。该设备属于光机电一体设备，对机械结构、控制系统和数据处 理系统都有较高的要求。这种轮胎均匀性试验机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。该设备的研制成功提高了我国轮胎的质量， 对于促进我国公路客运、货运的效率和质量及推动我国轮胎制造业的发展有重大 意义。 1 2 轮胎均匀性检测设备 1 2 1 轮胎质量检测简介 近年来由于我国的汽车工业、公路建设、公路运输得到迅猛的发展。经过十 多年的实践，子午胎的产量、使用量、质量都有了相当大的提高。与此同时公路 客运和速度的提高对子午胎的质量也提出了新的要求，要求轮胎有良好质量指标 来满足汽车运输、乘用的安全性、稳定性。所以轮胎出厂前必须要通过一系列的 在线检测项目，包括动平衡、不圆度、均匀性、x 光、气泡等，与之对应的几类 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。 轮胎在线检测设备的数据是轮胎级别的重要判定依据。近些年国内轮胎厂对 轮胎质量检测的要求与标准并不统一，导致流向市场的轮胎产品的质量参差不 齐，存在一定的质量隐患。目前这种情况并没有引起足够的重视，但是作为出口 产品，对轮胎的质量要求更加严格，各项质量指标都可能作为必检的指标。目前 在国内有些轮胎厂对出厂轮胎没有检测或者没有经过正确的检测就流向国内外 市场，导致了一些出口轮胎退赔案例的发生，对国民经济造成了一定的损失。 1 2 2 轮胎检测设备的要求 轮胎检测设备最重要的两点，一是检测精度，既要求设备能够准确甚至精确 轮胎均匀性参数测晕方法的研究 的测量到轮胎的各项参数，能够准确反映轮胎的质量状况，判定轮胎的质量等级； 二是检测效率，既能够快速及时的完成对轮胎的检测。轮胎厂的一条大规模生产 线每天可以生产几千至上万条轮胎，如果测量周期过长，可能会造成轮胎积压， 不能及时出厂，对轮胎厂造成一定的损失。 对轮胎检测设备有需求的轮胎生产厂家都对设备的检测周期、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、 检测精度作为重要卖点。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，最国家的轮胎制造业起着监控 与促进的重要作用。轮胎均匀性参数就是轮胎必检重要的参数之一。 1 2 3 国内外的轮胎检测设备生产状况 国外的轮胎及汽车质量检测工业起步较早，早在上世纪5 0 年代就丌始投入 大量的入力物力财力进行研究。美国、德国、日本等国家在国际上均处于领先地 位，技术上相对成熟，他们的产品具有测量系统性能指标水平稳定、精度高、效 率高的特点。较知名的公司有美国阿克隆、日本计测、德国科尔曼等公司。 目前世界上一些著名轮胎、汽车制造企业大都使用上述公司的检测产品，如 法国米其林、同本普利司通，美国通用、同本丰田、本f f l ，德国宝马等。近几年 来，日本国际计测器公司在汽车车轮、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己研制成功并批量生产，并且占有相当大的国际市 场。 我国与上述国家相比，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，我国的高速公路较少，要求的车速不高，由轮胎动平衡、均匀性等因 素引起的问题亦不明显，因此我国对轮胎的检测没有足够的重视。进入上世纪9 0 年代以来，我国轮胎行业才丌始逐渐引进国外的轮胎检测设备，但仅局限与检测 设备的应用，仍没有自行研发的能力，国外也一直对我国封锁技术。 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“数 字化橡胶轮胎生产专用装备开发”，“汽车轮胎均匀性试验方法( u n i f o r m i t yt e s t m e t h o df o rm o t o rv e h i c l et y r e s ) 。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。目前国内以青岛高校软控 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。 2 青岛科技火学研究生学位论文 1 3 轮胎均匀性检测设备的技术背景 1 3 1 轮胎均匀性 轮胎均匀性是指轮胎在受径向负荷并高速旋转的情况下轮胎圆周力波动特 征既不均匀性。根据力学原理及机械运动原理，汽车轮胎在高速行驶旋转情况下 会由于内部材料的组织不均匀、尺寸外形的不均匀以及在装配尺寸上的误差等导 致轮胎产生交变波动的径向力和侧向力，从而引起汽车上下的振动、左右跑偏、 噪声等，影响汽车的操纵性、舒适度或平稳度。严重的会损坏汽车零部件，甚至 会引发交通事故。 1 3 2 轮胎均匀试验机及其发展背景 均匀性试验机是检测轮胎均匀性的专用设备。该设备测量出的径向力、径向 力波动、侧向力、侧向力波动、锥度、跑偏、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校正，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。 国外从2 0 世纪5 0 年代起就丌始研究轮胎检测设备，他们早期投入了大量的 人力物力，目前美国、德国、日本等国家的检测设备在世界上处于领先水平。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，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。 均匀性的检测技术一直以来都掌握在外国人手中，限于人力及技术资源，一 直没有自行研发轮胎均匀性试验机的能力，是我国的一项空白，但近年来我国在轮 胎检测设备研发生产方面发展迅速，取得了瞩目的成绩，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”的一项重点。这其中包括大量的理论基础、数据的算法与解算 等。因此，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。青岛 高校软控股份有限公司在2 0 0 7 年5 月成功研发出国内第一台载重均匀性试验机， 摆脱了该类设备依赖进口的现状，节省了大量的外汇。 轮胎均匀性参数测量方法的研究 1 4 本文所做的工作 本课题主要研究均匀性的测试方法及其特性参数，研究内容包括： 分析均匀性试验机各工位的工艺流程。 通过力学分析建立轮胎均匀性测试力学模型。 提出锥度补偿原理，消除设备机械因素对侧向力偏移及锥度的影响。 定性分析测试条件参数与质量指标参数之间的关系。 本课题将通过青岛高校软控公司生产的轿车均匀性试验机配制搭建一套实 验系统，设计实验，分析均匀性的测量方法和对应的实验数据。要根据实验现象， 分析出最优的测量方法，优化测量的精度，提高测量的效率。研究将从均匀性的 特性参数入手，根据实验数据，找到轮胎均匀性特性参数的变化规律及其影响因 素，定性分析、指导轮胎生产过程。 1 5 文章结构 论文分为六章对课题进行介绍。第1 章前言部分介绍了轮胎检测设备及轮胎 均匀性试验机的研究背景与现状；第2 章讲轮胎均匀性试验机的原理与测试方法； 第3 章介绍了轮胎均匀性测试力学模型；第4 章介绍了轮胎均匀性试验机锥度补 偿的原理与方法；第5 章介绍了轮胎均匀性试验机的特性参数；第6 章总结。 4 青岛科技大学研究生学位论文 2 轮胎均匀性试验机的原理与测试方法 轮胎是一种圆环形筒状断面的挠性旋转体，子午胎是由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、成型以及硫化定性而成，这样就产生 材料的不均匀或者质量偏心等导致不均匀性。根据相关力学原理，存在一定程度 不均匀的轮胎，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。由于轮胎的不均匀性，其在行驶滚动过程中作用于旋转轴上的附加应力会 引起车辆的振动和跑偏现象，从而影响汽车运行的速度、舒适度和平稳度。严重 的会损坏汽车零部件，甚至引起交通事故。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。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。 因此，轮胎的均匀性技术就发展成为一种专门技术，尤其是交通业飞速发展 的今天，车速越来越高，对轮胎的均匀性性能的要求也就越来越苛刻。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。 轮胎均匀性实际上是指的非均匀性，定义为轮胎在静态和动态条件下轮胎圆 周特性恒定不变的性胄昱【】，其指标给出了轮胎旋转不均匀性的程度，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。径向力波动和侧向力波动对乘坐舒适性有较大影响，侧向 力偏移对车辆的稳定性和操控性影响较大 2 1 1 3 。 2 1 轮胎均匀性的测试方法分析 轮胎均匀性测量是在负荷轮模拟路面并加载到轮胎上，带动轮胎旋转的情况 下进行的，它是基于负荷轮加载的轮胎在轮胎径向和侧向产生的波动来测量其均 匀性的，安装在负荷轮两端的两分量矢量测力传感器可以感受该力的波动，达到 测量的目的。径向力波动和侧向力波动都会引起车辆的振动现象。 为了研究这些运动特征，我们使用轮胎均匀性试验机，在轮胎动态转动过程 中，测量这些动态特征。 轮胎均匀性参数测量方法的研究 2 1 1 均匀性测试过程 如下图，均匀性测量示意图： 3 2 1 图2 - 1 均匀性测量示意图 1 主轴2 下轮辋3 上轮辋4 轮胎5 负荷轮6 传感器7 旋转编码器 f i g 2 - 1u 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 e w l - p r i n c i p a la x i s ，2 - l o w e rr i m ，3 - u p p e rr i m ，4 - t y r e ，5 - l o a dw h e e l ，6 - s e n s o r s ，7 r o t a t i n gc o d e r 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，在轮 胎均匀性测量过程中会发生微小的振动，传感器紧贴在主轴外壳上，传感器将检 测到主轴的振动；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，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，在 测试中，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。传感器为多相传感器，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：传感器可以 为1 个或多个；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。 上、下轮辋与主轴的轴线重合，下轮辋与主轴一体，上轮辋为上下可自由运动。 6 青岛科技大学研究生学位论文 测试前上轮辋、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( 图2 1 ) ，轮胎 充气，并使轮胎内部压力保持恒定。轮胎依靠充气压力与上下轮辋固定，这样在 主轴旋状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并接 触轮胎，对轮胎施加一恒定压力，轮胎与负荷轮通过摩擦力保持恒转速转动，易 知，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，负荷轮以同样转速反向转动，轮胎 在负荷轮带动下恒速反转，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， 负荷轮和轮胎停止转动，轮胎放气，上轮辋和负荷轮水平退回到复位位置，计算 机将采集到的所有数据进行计算，得到被测轮胎的各项均匀性指标，完成均匀性 的测试。 2 1 2 均匀性给定参数 轮胎在经过均匀性试验机测试之前要设定测试条件，这些条件包括轮胎负 荷、充气压力，我们做如下定义： ( 1 ) 轮胎负荷( l o a d ) ：根据轮胎适用要求及生产工艺设定的施加给轮胎 的固定值的力，表现为轮胎旋转一周感受到负荷轮负荷的平均值，根据轮胎检测 行业特点，定义单位为千克力( 单位：k g f ) 。 ( 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，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，单位为兆 帕( m p a ) 。 2 1 3 均匀性测试结果参数 通过适当的测试方法在适当的给定测试条件下得到轮胎均匀性各项指标。表 征轮胎由于受侧向力而跑偏的力定义为锥度效应力和角度效应力。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。对轮胎的径向力波动、侧向力波动的分析还要具体到j 下转情况和反转 情况，同时，由于径向力波动、侧向力波动的1 1 0 次谐波是构成径向力波动、 7 轮胎均匀性参数测量方法的研究 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 次谐波分量更具有代表性，它的幅值大小极大的影响了力波动的大小f 4 】【5 】。 轮胎的正转径向力波动及其1 - - - 1 0 次谐波、反转径向力波动及其l l o 次谐 波、正转侧向力波动及其l 1 0 次谐波、反转侧向力波动及其1 1 0 次谐波、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： l 、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 ) ； 2 、径向力1 1 0 次谐波( r f h l r f h l o ) ：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旱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 ) 【6 】【7 1 【8 】【9 】； 3 、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 ) ； 4 、侧向力1 1 0 次谐波( l f h l - - - l f h l 0 ) ：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f 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( r f h l ) 或者叫基波( 单位：n ) ； 5 、侧向力偏移( l s f t ) ：轮胎在正转或反转的一个或多个转动周期内侧向受 力积分的平均值( 单位：n ) ； 6 、锥度效应力( c o n y ) ：不因轮胎旋转方向改变而改变符号的侧向力偏移 ( 单位：n ) ： 7 、角度效应力( p l s y ) ：随着轮胎旋转方向改变而改变符号的侧向力偏移 ( 单位：n ) 。 2 1 4 均匀性特性参数计算方法 以下为数据采集与计算的步骤【i o 】【i l 】： 假设在均匀性数据采集过程中j 下向转动k ( k 为大于等于l 的自然数) 个转 动周期，反向转动k 个转动周期，径向力和侧向力在每个轮胎转动周期中具有重 复性，因此k 值可以取1 ，为了提高后续计算的精度，可以适当增大k 值；并设 在每个转动周期内，编码器均匀发出n 个脉冲； 第一步，轮胎被装卡在上下轮辋之间，充气后，在负荷轮的摩擦力带动下， 青岛科技大学研究生学位论文 以速度v 匀转速正向转动，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输出和侧向传感 器输出，直到各采集了k n 个数据为止，分别将数据记录为： 径向力正转数据：r f ，( c w ，i )( i = 1 k n )单位：v 侧向力反转数据：l f 。( c c w , i ) ( i - - 1 k n )单位：v 第二步，轮胎在负荷轮的带动下，以速度v 匀速反向转动，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输出，直到各采集了k n 各数据为止，分别将 数据记录为： 径向力正转数据：r f ，( c w ，i ) ( i = 1 k n )单位：v 侧向力反转数据：l f 。( c c w ，i )( i = l k n )单位：v 第三步，计算均匀性参数。传感器的输出为电压，单位为v ，而力的单位为 n ，因此需要经过转换。设均匀性径向标定系数为足，其单位为n v ，径向标定 系数是径向传感器输出与实际径向压力的线性比率，是通过均匀性径向标定得到 的，它反映了径向力与径向传感器输出的映射关系。并设均匀性侧向标定系数为 k ，其单位为n v ，侧向标定系数是侧向传感器输出与实际侧向压力的线性比率， 是通过均匀性侧向标定得到的，它反映了侧向力与侧向传感器输出的映射关系。 传感器电压输出乘以标定系数，就得到实际传感器实际所受力的值。 径向力值( 正转) ：r f f ( c w ，i )( i _ l k n ) 单位：n 侧向力值( 正转) ：l f f ( c w ，i ) ( i _ 1 k n )单位：n 径向力值( 反转) ：r f f ( c c w ，i )( i = l k n )单位：n 侧向力值( 反转) ：l f t ( c c w ，i )( 滓l k n )单位：n 则有 r f f ( c w ，i ) = k ，xr f 。( c w ，i ) ( i - 1 k n ) l f f ( c w ，i ) = k ，l f 。( c w ，i )( i = l k 1 1 ) r f f ( c c w ，i ) = k ，r f ，( c c w ，i )( 滓l k n ) l f f ( c c w ，i ) = k ，xl f 。( c c w ，i ) ( 滓l k n ) 设正转径向力值的最大值为r f m 默，最小值为r f m i n ；设正转侧向力最大值为 l f m 双，最小值为l f m i n ；设反转径向力最大值为r f 。懈，最小值为r f 锄访；设反转 侧向力最大值为l f 。m x ，最小值为l f c m i n ； 则有 r f m 。- - m a x ( r f f ( c w ，i ) ) 0 = 1 k n ) r f m i 。= m a x ( r f , ( c w ，i ) ) ( i l l ( 1 1 ) ( m a x ( ) i 函数是在参数里遴选出一个最大值，m a x ( r f ( c w ，i ) ) ( i = l k n ) 则指 9 轮胎均匀性参数测量方法的研究 在r f ( c w ，i ) ) ( i = l k n ) 中找到一个最大值，以下同。m i n 0 函数，同理，为在 参数里找到一个最小值，以下同。) l f 戳- - - r n a x ( l f f ( e w ，i ) )( i - 1 k n ) l f m i 。- - - m i n ( l f f ( e w ，i ) )( i = 1 k n ) r f c m a 。= m a x ( r f f ( c c w ，i ) )( 滓1 k n ) r f c m i n = m a x ( r f f ( c c w ，i ) )( i _ 1 k n ) l f c m x = m a x ( l f f ( c c w ，i ) )( i = 1 k n ) l f c f n i n = m i n ( l f e ( c c w ，i ) ) 0 = 1 k n ) 计算径向力波动i 江v ，令正转径向力波动为r f v 洲，反转径向力波动为 r f v w ，则有 r f v c w = r f m 瓠- r f m i n 2 - 1 r f v c c w = r f c m a x - r e c m i n 2 - 2 计算正转、反转径向力的1 1 0 次谐波，可以利用傅立叶变换公式 1 2 1 1 3 1 4 1 5 1 。n - i一，堡腑 x ( 七) = x ( 刀) p 1 矿 砌) = 专篓脚夸 k = o , 1 ，n 一1 ， z - j 刀= 0 ，1 ，n 一1 对r f f ( c w ，i ) ( i = l k n ) 和r f f ( c c w ，i ) ( i = l k n ) 进行傅立叶分析，分别得 到1 - 1 0 次谐波的幅值、相位； 计算侧向力波动l f v ，令正转侧向力波动为l f v 洲，反转侧向力波动为 l f v 。w ，则有 l f v 。w - l f m 。- l f m i n 2 - 4 l f v c c w = l f c m a x - l f c m i n 2 5 计算正转、反转侧向力的1 - 1 0 次谐波，可以利用上述公式( 1 ) ，对l f f ( c w ，i ) ( i = l k n ) 和l f f ( c c w ，i ) ( i = l k n ) 进行傅立叶分析，分别得到1 1 0 次谐波的幅 值、相位； 计算侧向力偏移l s f t ，令侧向力正转偏移为l s f t 。w ，侧向力反转偏移为 l s f t w ，则有 l s f t , = 去g n 善三( 删 f ) 2 6 ：? 。 z - o 三跖乙= 瓦1 善k n 三一( c c w ，f ) 2 - 7 根据计算得到的以上各均匀性参数，就可以根据已知的轮胎判级标准判定轮 胎的等级。 l o 青岛科技大学研究生学位论文 2 2 轮胎均匀性试验机 2 2l 轮胎均匀性试验机的工艺方案设计 轮胎均匀性试验机主要用于对轮胎的均匀性进行全自动测量检测项目包括 轮胎径向力波动、径向力各次谐波、侧向力波动、侧向力偏移、侧向力各次谐波、 锥度效应力、角度效应力等参数，根据检测结果对轮胎进行判缴、打标，具有数 据结果分析、存储、打印等功能同时还可与动平衡试验机连机，实现轮胎的综合 判级、打标。轮胎均匀性试验机系统，采用二级计算机控制，上位机采用工控机 进行标定、修豫解算等功能，下位机采用p l c 进行动作、逻辑控制 1 5 1 1 7 1 8 。 本课题选用的轿车胎均匀性试验机分为五个工位，如下图示。 - - 嘞”l j , 秽号j i 。 催_ 蘸l 麓覃避诗 毒手科 霹爨媾 ! ：二0 9 。：= 一算麓= 。 ，。漾 ； ；p 一：肇：附”。一 - ， 鼍磐i 囊二二。兰。 图22 均匀性试验机设备组成 爬坡精选工位2 润滑工位3 剥试工住4 上、下打标工住5 分级工位 f i g2 - 2u n i f o r m i t yt e s tm a c h i n ed e v i c ec o m p o s i t i o n 【c l h n bs m t i o n2 l u b d c a t i o ns t a t i o n3t e s ts t a t i o n 4 m a r k i n gs t a t i o n5s o n i n gs t a t i o n 、爬坡输送工位 ( 1 ) 功能：为实现连续、逐个、自动地输送轮胎 轮胎均匀性参数测量方法的研究 ( 2 ) 结构组成：爬坡电机、爬坡输送带等。 ( 3 ) 工作原理：为均匀性试验机连续输送待测试轮胎，存储待测试轮胎。 当均匀性试验机润滑工位无胎时该工位输送轮胎至润滑工位。当润滑工位及润滑 入口有胎时，该工位电机停止。 ( 4 ) 设计流程图如下： 是 图2 - 3 爬坡工位流程图 f i g 2 - 3c l i m bs t a t i o nf l o w 2 、润滑工位 ( 1 ) 功能：对待检轮胎的胎圈进行润滑以保证轮胎与轮辋配合紧密，顺利 装卸。胎圈润滑效果对系统的测试精度至关重要，润滑液涂抹不均匀润滑不充分 会导致轮胎装卡不到位，将影响其测试精度。 ( 2 ) 机构组成：入口风动马达、润滑抱臂及旋转风动马达、可滑动万向轮 托架、润滑桶及升降机构、润滑桶移动装置、皮带升降及轮胎传送装置。 ( 3 ) 工作原理：润滑时，皮带保持下降位，抱臂夹紧轮胎，抱臂上的两个 风动马达带动轮胎顺时针旋转，设定时间，使轮胎在万向轮上旋转，同时润滑棒 上升，润滑棒压出，把润滑液均匀的涂抹到轮胎子口上。 ( 4 ) 设计流程图如下： 青岛科技大学研究生学位论文 ( 5 ) 整理时序表如下： 1 习2 - 4 润滑工位流程图 f i g 2 - 4l u b r i c a t i o ns t a t i o nf l o w 表2 1 润滑工位时序表 t a b 2 - 1l u b r i c a t i o ns t a t i o ns e q u e n c e 步 时间( 秒) 续动作 1 23 4567891 0 1 轮胎输送囝 2轮胎定中 3润滑棒上升 4轮胎旋转润滑e麓蕊滋 翔 5定中打开 6润滑棒下降目 3 、测试工位 ( 1 ) 功能：根据设定的轮胎参数，自动调整以适应不同的轮胎规格，实现 轮胎均匀性参数测量方法的研究 轮胎在线的自动装卸、实现均匀性的自动加载，均匀性、偏心度的自动测量。 ( 2 ) 机构组成：皮带输送装置、皮带位置自动调整机构、位置可调式卸胎 器、径向侧向力测量装置、负荷轮移动加载装置、主轴旋转定位伺服装置、定中 心机构、偏心度位置调整装置及偏心度测试装置等。 ( 3 ) 工作原理：轮胎被负荷轮带动以一定速度旋转时，负荷轮给轮胎施加 固定负荷，在轮胎上会产生交变的径向作用力和侧向作用力，通过安装于负荷轮 上下两端的两个测力传感器测量该作用力，然后经过一系列的力学模型、数学解 算算法算出轮胎的不均匀性。测试结果有上位机显示并记录保存。 ( 4 ) 设计流程图如下： 有 ， 、 侧试丁位、 、有轮胎吗 是 图2 5 测试工位流程图 f i g 2 - 5t e s ts t a t i o nf l o w 1 4 有 何标t 位、 有轮胎唣 无 l 轮胎送出i 测试区i 一送 一 无一蓍霎耻一 一轮 一 青岛科技大学研究生学位论文 ( 5 ) 整理时序表如下： 表2 2 测试工位时序表 t a b 2 - 2t e s ts t a t i o ns e q u e n c e 时间( 秒) 步 11111111112 2 2 2 2 2 续动作 12 3 4 56 78 9 012 3 4 5 6 7 8 9 o12 3 4 5 1轮胎输送 _ 2皮带下降 i 3油缸下降 隧翟 4轮胎充气 i 5段宽定位 _ 6负荷加载 曜鎏 7正转测试 鬣 霪笺嚣鋈圈 8反转测试 匿鍪 蕴缢 鬣霾 9主轴准停 l 1 0轮胎放气 _ 1 1油缸上升 隧蚕 1 2皮带上升鬣弱 4 、打标工位 ( 1 ) 功能：系统根据不同的轮胎半径自动调整打标位置，也可由客户手动调节 存储。由用户通过上位机自定义均匀性、偏心度是否参与打标，并设定各自对应 的打标形状，系统根据测试结果对轮胎进行打标。 ( 2 ) 机构组成：上打标旋转装置、上打标移动装置、上打标装置、定中心臂、 输送皮带、下打标移动装置、下打标装置。 ( 3 ) 工作原理：打标器温控系统是一个闭环回路，实时调节使加热头始终维持 在设定温度范围内；打标采用色带热压式，高温加热将色带融化在轮胎上；根据 测试结果打标装置旋转到相应角度对轮胎进行打标。打标颜色两种( 红、黄) ，打 表形状两种( 、o ) 。打标位置为一次谐波高点。 ( 4 ) 设计流程图如下： 轮胎均匀性参数测量方法的研究 是 j l 妻翔孬器蓉 ， 打标 图2 6 打标工位流程图 f i g 2 - 6m a r k i n g s t a t i o nf l o w ( 6 ) 整理时序表如下： 表2 3 打标工位时序表 t a b 2 - 3m a r k i n gs t a t i o ns e q u e n c e 步 时间( 秒) 续动作 12 3 4 5 6 7 8 9 1 轮胎输送匪互 2定中关闭 囵 3打标下降茂翔 4打标 譬习 5打标上升 隧弱 6定中打丌隧习 5 、分级工位 ( 1 ) 功能：根据测试结果对轮胎进行分级：l 级输送带升起到最高位置；2 级 输送带到中间位置；3 级输送带下降到最低位置，实现分级入库 ( 2 ) 机构组成：同步输送带、双气缸等。 1 6 青岛科技人学研究生学位论文 ( 3 ) 工作原理：根据测试结果将轮胎分级输送，双气缸驱动输送带在三个分级 位置。 ( 4 ) 设计流程图如下： 有 是 否 否 是是是 ( 5 ) 整理时序表： 2 2 2 气动系统 图2 7 分级工位流程图 f i g 2 - 7s o r t i n gs t a t i o nf l o w & 2 - 4 分级工位时序表 t a b 2 - 4s o r t i n gs t a t i o ns e q u e n c e 步 时间( 秒) 续 动作 12 3 4 5 6 7 8 9 1 分级输送启动鬣篓凇 鬻零 震瓣愁翟 l 蕊； ? ” 2分级气缸动作鬣盏缁 3分级输送停止 一 ( 1 ) 功能：驱动气缸配合设备动作，为轮胎充气并保持测试压力，监视气动系 统压力。 1 7 轮胎均匀性参数测量方法的研究 ( 2 ) 机构组成： 器件等。 ( 3 ) i 作原理： 胎内部测试压力。 阀岛、气缸、电磁阀、比例减压阀、轮胎充气系统、压力检测 阀岛用c c - l i n k 控制、驱动气缸动作；比例减压阀实时保持轮 2 2 3 控制管理系统 本控制管理系统由上位机、p l c 、触摸屏、主轴伺服系统、测试回路、低压 电气等部分组成，系统框图如下： 图2 - 8 控制系统组成 f i g 2 - 8c o m p o s i t i o no fc o n t r o l s y s t e m 各单元功能： ( 1 ) 上位机：上位机采用高性能工控机，运行速度快，用于测试回路的数据采 集及处理，并可以设置不同轮胎规格参数，以及数据结果储存、打印、生成各种 报表、工艺参数存储、故障诊断、标定等功能，以实现管控一体化。与p l c