（机械工程专业论文）车轮动平衡技术应用研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论 摘要 转子的动平衡在现代工业生产中具有重要地位，随着汽车行驶速度 的不断提高，为保障行车安全性，对车轮进行平衡检测具有重要的意义 本文第二章简要介绍了动平衡的概念，分析了剐性转子动平衡检测 的基本原理：作为硬支承动平衡机的具体应用，阐述了车轮动平衡机的 工作原理第三章以c b 一8 0 动平衡机为研究对象，重点对信号检测电 路的组成及工作原理进行了分析，为提高检测精度设计了同步采样多路 信号电路。第四章详细分析了不平衡振动信号的频率特性，获得了不同 条件下的低信噪比压力信号频谱图形；建立了车轮动平衡机的数学模 型，运用快速傅立叶变换及互相关分析方法对不平衡质量进行计算，推 导出解算方法。第五例采用v b 语言设计了人机交互式操作界面，实现 了显示信息丰富、直观和操作方便的效果 关键词：动平衡：检测技术；数学信号处理； a b s t r a c t r o t o r sm o t i o nb a l a n c ep l a y sav e r yi m p o r t a n t r o l ei nm o d e r n i n d u s t r y p r o d u c t i o n w i t ht h ec o n s t a n ti n c r e a s ev e h i c l es p e e d ，a n de f l s u r er o a ds a f e t y ，t ot e s t b a l a n c ef o rt h ew h e e li so fg r e a ts i g n i f i c a n c e c h a p t e r1 1o ft h i sa r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c e st h ec o n c e p t i o no fm o t i o nb a l a n c e ， a n da n a l y z et h eb a s i cp r i n c i p l e so fr i g i dr o t o rm o t i o nd e t e c t i o n ；s t a t et h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fw h e e lm o t i o nb a l a n c e r c h a p t e r 1 1 1t a k em o t i o nb a l a n c e rc b - 8 0a s i n v e s t i g a t i o ns u b j e c t ，m a i n l ya n a l y z e so nt h ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f s i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t i no r d e rt oi m p r o v et h ed e t e c t i o np r e c i s i o n ，s y n c h r o n o u s s a m p l i n gm u l t i p l e x e ds i g n a lc i r c u i ti sd e s i g n e d c h a p t e ri va n a l y z et h ef f e q u e n c y c h a r a c t e ro fi m b a l a n c ev i b r a t i o ns i g n a li nd e t a i l ；a n do b t a i nt h el o ws i g n a l n o i s e r a t i op r e s s u r es p e c t r u mg r a p h i c su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n ；s e tu pm a t h e m a t i cm o d e l o fw h e e lm o t i o nb a l a n c e r ；c a l c u l a t eo nu n b a l a n c eq u a l i t yb ya p p l y i n gf f t ( f a s t e s t f o u r i e r t r a n s f o r m ) a n d m u t u a lr e l a t i o na n a l y s i sm e t h o d ，t oc o n c l u d et h e s o l u t i o n c h a p t e rva d o p tv bl a n g u a g et od e s i g nt h ep e o p l e - m a c h i n ec o m m u t a t i v e o p e r a t i o ni n t e r f a c e ，r e a l i z e t h e e f f e c to fr i c h - i n f o r m a t i o n ，v i s u a l i z a t i o na n d c o n v e n i e n t o p e r a t i o n k e yw o r d s ： s y n a m i cb a l a n c em a c h i n e ；d e t e c t i o nt e c h n o l o g y ； s i g n a lp r o c e s s i n g ； 辽宁工程技术大学项士学位论 3 第一章绪论 1 1 车轮动平衡的意义 现代许多机器正在向高速、高精密方向发展，在旋转机械中，转子 振动问题已经成为比较突出的关键技术问题之一，对机器的寿命、可靠 性和平稳性有着重要影响按照机械运动的原理，凡达到较高转速的转 子，由于材料组织内部的不均匀，零件外形的尺寸误差，装配尺寸的误 差以及结构形状等原因，使通过转子重心的主惯性轴线与旋转轴线不相 重合，因而旋转时的转予会产生不平衡的离心力。由生产的需要，旋转 机械的动平衡技术在国内外得到了广泛的发展与研究在汽车工业中， 汽车车轮的功能是支撑全车质量、保证汽车与路面有良好的附着、传递 驱动和制动、确定汽车行驶方向以及和悬架系统共同缓冲汽车在行驶中 所受到的冲击力并衰减由此产生的振动对于高速动转的汽车车轮来 ，说，每秒钟旋转十几圈以上，即使有极小的偏心距也会引起很大的不平 衡力，导致车轮的持续振动，尤其是方向轮的振动会导致方向盘的拌动， 加速悬架和转向系统部件的磨损，加速车轮内轴承的磨损而且振动大 的汽车难于驾驶，会直接导致车辆故障，当汽车平均行驶速度提高后， 车轮不平衡所造成的交通事故将会增。 由于轮胎生产工艺不能完全保证轮胎橡胶层均匀一致，轮毂的材质 不均和装配误差，以及汽车使用过程中轮胎偏磨、平衡块丢失和零件配 合间隙的改变会导致车轮的质心与其转动轴心不重合，这些都会造成车 轮的不平衡 可以将车轮视为一盘形转子，如图1 1 所示设转子的质量为m ， 转子在绕轴心o 以角速度旋转时，在质心a 处产生一离心惯性力f ， 这个力的方向随车轮旋转而改交，大小与车速有关，对车轮形成了一个 变化的附加作用力将力f 沿水平和垂直方向分解为大小和方向变化的 力民和f ，其中f i 引起转向轮绕主销摆动，f ，使前轴产生角振动，引起 陀螺效应，进而使转向轮绕主销摆动。当左右车轮不平衡相位相差1 8 0 。 时，摆动更加严重 离心惯性力作用的结果使汽车性能产生一系列变化，首先汽车行驶 辽宁工程技术大学硕士学位论 过程中轮胎与地面附着性能发生周期性变化，导致驱动性能、制动性能 变坏，使传动系零件承受交变载荷。由于r 的存在，使汽车行驶平顺 性降低，从而使汽车受到“力锤”的作用，使轮毂轴承承受动压力。转向 轮绕主销摆振将形成蛇形轨迹，使得操纵稳定性变差，汽车行驶阻力增 加，行车安全性降低，车轮不均匀磨损加剧等此外。附加交变力的作 用会使轮胎及相应零件使用寿命降低，振动与磨损将会消耗动力，使汽 车的动力性和燃料经济性交差等 在当前国家不力发展高速、高等级公路的情况下，随着我国中高级 轿车的日益增多，车轮行驶速度不断提高，保证车轮的动平衡已经成为 汽车安全行驶的一项重要条件。因此，车轮的平衡对于现代的汽车来讲， 是非常重要的一项工作。轿车在出厂前或者运行一段时间后，都要对车 轮进行动 图1o l 车轮不平衡作用力 平衡调试，测出轮圈内外不平衡量，在轮圈边缘上适当的位置安装 平衡块，以达到车轮要求的平衡精度目前，定期对车轮进行动平衡检 测已经成为中、高档车辆维护保养的一项重要内容 1 2 车轮动平衡机的现状 动平衡机分为通用和专用平衡机两类，本文主要是对用于检测汽车 车轮动平衡的专用动平衡机进行研究分析与汽车工业和道路交通建设 发展相适应，工业发达国家在平衡机的理论研究和设计制造方面起步较 辽宁工程技术大学硕士学l 圭堕 5 早，车轮动平衡机的生产和应用已相当普及，技术也比较成熟。7 0 年代 动平衡理论兴起，8 0 年代初期的产品是手摇式，脚踏式等简易型产品， 9 0 年代初已发展到多功能全电脑型产品，具有代表性的是闩本b a n z a i 公司的c w b 系列车轮动平衡机、美国“b a l c o ”车轮平衡机、德国 s c h e n c k ( 申克) 公司，意大利s i c a n 公司等产品，这些公司的动平 衡机采用先进的技术，功能齐全并且已形成系列化，生产制造技术已趋 于成熟，基本上都是采用微处理器( 多为单片机m c u ) 进行控制和进 行不平衡量大小及相位的计算，利用发光二极管或液晶显示不平衡量的 计算结果用于对车轮进行校正，具备一定的简易人机操作界面，具有较 高的精度和效率，自动化水平较高。 我国国内市场上可见到的高档车轮动平衡机大部分为国外产品，如 德国的s c h e n c k ( 申克) 公司、德国b e i s s b a r t h ( 百世霸) 公司和 意大利的s l c a m ( 诗琴) 公司等产品，这些公司的动平衡机采用先进 的技术，功能齐全并且已经形成系列化产品，代表了当今世界动平衡机 的发展水平和发展方向，例如h o f m a n n 公司生产的g e o d y n a 5 0 0 0 型系 列平衡机，具有下列特点： 彩h o f m a n n 专利技术最佳平衡选择程序，由电脑控制检测找出最 佳平衡点，所有信息、数据和完成操作的步骤都显示在l c d 或1 4 。 的彩色屏幕上 具有低速测量、软驱动和制动特性保证了工作寿命，节省能源 配有快速夹固装置，应用范围广；同时具备打印机接口 可任选5 个静态和动态下操作的a l u 程序以适应不同形状的轮毂， 平衡精度可达1 克。 采用气动锁紧车轮，在到达校准位置时自动刹车 随着技术引进，国内有些厂家也已开始仿制、生产车轮动平衡机， 但整体水平与国外产品相比仍有一定的差距 根据刚性转子平衡精度平衡等级的规定，汽车车轮的级别一般为 g 4 0 ( i s o 一1 9 4 0 ) ，对于要求最高的高速赛车，其动平衡残留误差许可 值为5 9 因为汽车一次紧急刹车引起的轮胎磨损能使平衡量变达1 2 9 ， 考虑到不平衡量在5 9 以下时司机不会有车轮振动的感觉，所以一般汽 车车轮动平衡的精度达到+ - 5 9 时就可满足实际需要了所以，目前国外 辽宁工程技术大学硕士学位论 6 生产的车轮平衡机精度已经足够( 大多数可达1 9 精度) ，主要的改进之 处在于降低动平衡检测时间以提高机器的寿命，增加功能以及改善人机 交互式界面以利于操作，提高自动化水平。 1 3 课题研究内容 关于通用动平衡机理论的研究工作已有很多成果，但用于检测车轮 动平衡的专用平衡机的原理、机械结果和信号处理算法等介绍还比较少 见，尤其是随着计算机技术的快速发展，越来越多的硬件电路功能逐渐 被软件所代替，所以有必要对车轮平衡机信号检测技术和信号处理方法 进行深入研究本课题主要是在苏维嘉老师指导下，在上届同学已经完 成的研究工作基础上对车轮平衡机的检测电路改进，信号处理算法以及 人机交互式界面的设计进行深入的研究。 已有的研究效果包括以下几个方面： 对c b 8 0 车轮平衡机的电路工作原理进行了详细分析；制作完成 平衡机力信号采集电路板。 利用相关分析的方法及最小二乘法对动平衡机力信号进行处理， 推导了动平衡解算议程 实现了将l e d 显示动平衡结果和操作界面改进为1 2 8 6 4 单色液 晶图形显示 本论文的研究工作是在上述成果基础上，以c b 8 0 动平衡机为研究 对象完成下列工作： 动平衡理论及动平衡机设计调研与分析。 根据对动平衡机的机械结构和使用操作过程进一步分析建立车轮 平衡机的数学模型。 c b 一8 0 离车型车轮动平衡机设计原理剖析，为提高检测精度设 计同步采样多路信号电路 利用数字信号处理中的典型方法如傅立叶变换和互相关分析方法 等对采集到的信号进行分析处理 在前阶段理论研究的基础上进行车轮动平衡基于m c s 一5 1 单片 机测控系统设计 将操作界面设计为彩色c r t 显示方式，进一步提高产品档次 为保证论文研究工作的圆满完成，制定研究步骤： 辽宁工程技术大学硕士学位论 7 技术调研阶段 主要对平衡理论和平衡机设计原理进行技术调研提出车轮平衡机 试验方案 动平衡试验阶段 主要借助c b 一8 0 车轮动平衡机采集数据，通过对采集的数据进行 分析和处理，建立车轮动平衡机的数学模型，推导出解算方程。 车轮动平衡机基于m c s - - 5 1 单片机测控系统改进设计阶段 主要综合前阶段研究成果进行车轮动平衡机基于m c s 一5 1 单片机 测控系统改进的设计和验证 这些工作的完成将为研制具有自主知识产权的高性能国产车轮动 平衡机奠定基础，具备一定的工程实际意义 辽宁工程技术大学硕士学位论 8 第二章动平衡机理论及发展 2 i 动平衡理论简介 如果一个转子的质量均匀分布，制造和安装都合格，那么转子运转 是平衡的，这种旋转与不旋转时对轴承只产生静压力的转子称为平衡的 转予，但是由于材料密度不均匀、几何结构不对称或加工装配存在误差 将会导致转子质量对其回转轴线分布不均从而在转子旋转时引起离心 惯性力、惯性力矩的不平衡。不平衡的力和力矩作用在轴承和机架上， 将会产生振动和噪声。造成零部件的磨损，产生故障。 2 1 1 动平衡概述 根据转子工作转速和临界转速的关系，可分为剐性转子和挠性转子 两种一个转予在较低转速下运转时，因不平衡离心力导致的挠曲非常 微小因而可以把它看成不会变形的刚体时，称之为“刚性转予”反之， 同一转子在高速下运转，尤其在接近临界转速时，转子会产生显著变形， 这时的转子就称为“挠性转子”一般来说，工作转速低于其一阶临界转 速0 5 一o 7 倍的转子，可视为刚性的；而工作转速超过其一阶临界转速 的o 5 一o 7 倍的转子，则按挠性转子处理。 通常车辆高速行驶速度大约为1 2 0 k m h 左右，如果安装普通s r l 4 子午线轮胎，可以计算得出车轮转速为3 0 h z 由于挠性转子的平衡理 论非常复杂，并且挠性转子动平衡机对机械材料、机械加工精度和安装 精度要求非常高，所以用于汽车维修和保养的车轮动平衡机都是按刚性 转子平衡设计的，其平衡转速多在1 5 0 一3 0 0 r p m 左右，对应频率在2 5 5 h z ，远低于车轮的一阶临界转速。 任何一个转予作匀速转动时，其内部无数个质点都将产生惯性力， 形成一个惯性力系；必须根据惯性力系合成的结果来确定一个转予是否 平衡，合成结果可以利用理论力学中力系向任一点简化的原理来分析 假设有一个不平衡转子，如图2 1 所示，转子的质量为m ，以等角 速度绕一固定轴旋转，取轴上任一点0 为坐标原点，转轴为z 轴， 转子质心坐标为c ( x c , y 。，z 。) ，沿坐标轴方向的单位矢量为f ，k 设质心c 对转轴的矢径为，。，转子中任一质点m i 的坐标为( x i ，y i ，z i ) ， 辽宁工程技术大学硕士j ! 堡垒 9 当转子旋转时质点l n i 产生的离心力f i = i l l i r i 西2 ，方向为矢径r i 的方向， 所以可以写成 f i = m i r i c 0 2 = n l i c 0 2 ( x i i 一+ y i 了) i - - 1 ，2 。3 。( 2 1 ) 图2 1 不平衡转子分析 这些f i 构成一个惯性力系，将此力系向坐标原点简化，通常可以得 到一个力r 。即力系的主矢和一个力偶m 。即力系向0 点简化的主矩，这 个主矢作用于o 点并等于力系中所有各力的矢量和，主矩等于力系所有 各力对0 点的矩矢的矢量和，即： 忌2 善f - ( 2 2 ) m 0 2 善所。 一 2 将式( 2 1 ) 代入( 2 2 ) 可得：尼= m c 0 2 r c 由此可见，简化的主矢大小与方向和转子质心的惯性离心力相等， 只不过作用于。点，其大小，方向简化中心。点的位置无关 惯性力系向原点。简化的主矩可以写成： 辽宁工程技术大学硕士学住论 l o 一二一 一 一一 m o 。艺肌o ( f 1 ) 2 m x i + m y j + m z k 式中m 。，m ，和m ：为主矩m 。在坐标轴上的投影，大小等于九系所 有各力对该轴之矩的代数和，它们都和o 点位置有关。由于f 通过z 轴，敌 m o = 砑：+ m ；+ m ；= 2 抄二+ ，二 - - 。_ 。- _ - _ _ _ _ - 。_ _ _ _ 。，_ 。_ 。_ 。一 ， 其中j y ：= m i y i z i 和j ：，= m i y i z i 是转子的离心转动惯量。 所以，转予的惯性力向任一点简化的结果是得到一个力和一个力 偶。 转子在旋转时，主矢和主矩的方向在不停的变化，其矢量随同转子 一同旋转而成为引起轴承振动的激发源。因此，一个转子平衡的充分必 要条件是惯性力系向任一点简化的主矢和主矩都等于零，即满足 r o = m r 。m 2 = 0 和m 。= 2 、炒二+ 厂二= 0 这两个条件因为r 。等于零，则 r c = o ，这说明转子在旋转轴必定通过质心；由于m 。= 0 ，则，：+ - ，二r = o ， 满足j ：和厂：都等于零的转轴z 轴称为惯性主轴，通过质心的惯性主轴 叫做中心惯性主轴 所以，要消除转子的不平衡就必须使转子的旋转轴与中心惯性主轴 保持重合虽然任何转子都存在三个通过质心的相互垂直的中心惯性主 轴，但只有转子对旋转轴为中心质量分布均匀，才能满足平衡条件。要 使一个转子成为平衡转子就要调整转子的质量分布，在某个局部加重或 去重，使其中心惯性主轴与旋转轴一致 通常转子不平衡有下列几种情况： 静不平衡，即r 。一o m 。一o ，转轴与中心惯性主轴平行，惯性力 系简化为一通过质心的合力 准静不平衡，r 。- o , m 。- o ，但r 。上m 。，中心惯性主轴和旋转 辽宁工程技术大学硕士学住论 轴相交仍可以简化为一个合力 偶不平衡，r 。一o , m 。一o ，转动轴通过质心必须在两个平面上 加重或去重 动不平衡，r 。一o m 。一o ，旋转轴与中心惯性主轴既不平行也不 相交这是最普遍的情况，如图2 2 所示必须在两个或多个平 面上加重或去重 图2 2 动不平衡转子 2 1 2 刚性转子动平衡 凡可在两个( 任选) 校正面上进行校正，并且校正后在任意转速直 至最高工作转速，它的不平衡量不会明显超过平衡允差( 相对于轴线) ， 其中转子运行条件近于最后支承系统的条件，这样的转子也可以认为是 刚性转予同时由理论力学分析可知，任意一个不平衡的剐性转子都可 以在两个与转轴垂直的平面上进行较正得到平衡，这就是刚性转子进行 动平衡的理论依据 这说明刚性转子的动平衡具有如下特点：如果转子在平衡机上的支 承情况与在工作运转时的支承情况相差不大，转予只需在平衡转速( 无 严格规定时，一般为工作转速为2 0 左右) 上用两个校正面平衡校正后 就可以平衡的运转在工作转速上 由上述论证可以得出以下两条结论： 不论转子的初始不平衡量如何分布，总可以在预选的两个校正面 辽宁工程技术大学硕士学位论 上进行平衡校正 因为转子上的不平衡量与所去的平衡量在旋转时产生的离心力 与转速的平方呈正比，因此刚性转子的平衡与转速无关，在某一 转速下平衡好的转子，其剩余不平衡量的值在其他转度，以至于 在最高工作转速下也不会显著超过其允许的剩余不平衡量 通过上面的分析可知，对车轮动平衡机来说将车轮视为刚性转子是 符合刚性转子动平衡条件的。只要在车轮上选取合适的校正平面，就可 以对各种类型的车轮进行动平衡。为了安装调整方便将两个校正面选择 为车轮轮毂的终侧，平衡校正采用加重方法，如图2 3 所示，平衡块用 铅合金制作，重量以克为单位，计有5 克、1 0 克、1 5 克等多种规格。 平衡块上有一个钢勾，可将平衡块牢固的嵌扣在轮圈边缘的校正平面 上 图2 3 车轮校正面 1 轮胎2 平衡块3 轮毂 2 1 3 车轮不平衡的度量 在图1 1 中，设车轮的质心a 与旋转轴心o 的偏心距为c ，当质量 为m 车轮以角速度西匀速转动时，在质心处产生的离心惯性力f ，大小 为m o ) 2 c ，只要在a o 的延长线上距离旋转轴心r 的a 处加上一个附加 质量m ，使其产生的离心惯性力f 大小与f 相等，即m 国2 t = m 0 0 2 e m 。是表示车轮本身质量分布不均匀程度一个物理量，它不受外界 辽宁工程技术大学硕士学住论 1 3 因素和工况的影响，一般用m r 度量，称为质径积( 单位是g m m ) 对 车轮进行平衡校准，用质径积表示不平衡量既直观又便于操作。如果需 要还可以用另一种方式即不平衡率来表示车轮不平衡程度，定义为车轮 单位重量的不平衡量，e = m r m ( 单位是毫米或微米) 在车轮动平衡机使用过程中出于工艺方便习惯上采用折合到轮缘 处的质量来直接表达，单位为克本课题研究使用的动平衡机采用在轮 缘上加配重块的平衡方式，平衡块最小质量为5 克且以此为自j 隔逐渐递 增，最大质量为1 0 0 克 2 2 动平衡机的发展 1 8 7 0 年，m a r t e n s o n 提出了第一台平衡机的专利申请，在1 9 0 7 年， l a w a c z e k 写出了一份关于动平衡机理论与设计的报告，于1 9 0 8 年提出 专利申请，经过改进后，由德国申克公司正式生产供工业使用。早期的 平衡机是用机械测量方法测量振幅的，因此一般都设计成机械谐振以获 得较为明显的读数值，但这种平衡机的机械结构复杂，测量精度低。从 1 9 5 0 年代开始。随着电子工业、电子测量技术的发展，不平衡量的电测 系统迅速取代了机械式的测量系统，由此简化了平衡的机械结构，提高 了其测量精度。 回顾平衡机发展历史可以发现，平衡机从成为生产旋转机械的重要 设备以来，机械结构的形式基本变化不大，无论是框架式或摆架式，都 与被平衡转子组成一个振动的系统，以转子不平衡力激励下的响应作为 测量对象在测量方式方面，半个世纪却有巨大的变化，大体可分为四 个阶段。四十年以前，平衡机仅能够用简单的手段测量振幅，一般来说 没有测相能力或只粗略的定出不平衡所在的范围( 例如我国最早生产的 火花式平衡机) 由于没有平面分离功能，又不能准确测定相位，所以 平衡每一个转子均需反复进行，逐步校正，所以又称试验一误差式 ( t r i a l e r r o r ) 平衡机随着电子技术的发展，到四十年代，平衡机测量 系统中已经普遍应用了平面分离解算和标定电路。使测量精度和效率都 提高了一步，平衡机进入了可以定量标定的时代，可以算是发展的第二 个阶段由于调整时需一个平衡好的标准转子，故对每一类型的被平衡 转子都需首先反复平衡好一个以供调整，这对单件生产的转子存在很大 缺点，但由于其制造简单，这类平衡机直到今天还在生产和使用为改 辽宁工程技术大学硕士学位论 1 4 迸上述缺点。到五十年代，一些平衡机上装有电气“标准转子”补偿器， 这是一个与转子转速同频大小和相位可调的信号发生器，用以补偿原始 不平衡信号，在电气上获得“标准转予”即可进行调节标定，这种具有电 气标准转子的平衡机可以算是第三阶段的发展 平衡机发展到具有电气标准转子，已经比较完善，能获得较高的精 度和生产率，但毕竟其标定过程中还需在运转中进行，动态下进行调整 标定受到很多因素的影响，操作也还不够简便，加上软支承结构即使有 限位锁紧机构也常因振幅过大或装卸工件时的冲击而损坏，尤其是与其 相连的测振传感器更易受损 七十年代出现的硬支承平衡机，以根本的变革解决了上述软支承平 衡机的缺点，从力学原理上利用了与软支承平衡机相反的频率段，即机 械系统的固有频率甚高于转频，这样不仅因刚度变硬而增强了耐用性， 而且标定完全在静态下进行。设定几个几何尺寸即可硬支承平衡机一 出现，其独特的优点显示了旺盛的生命力，目前。除了某些特殊类型的 平衡机，例如高速、稽密等除外，大有取代软支承之势，根据其特性称 为永久设定型平衡机，也称为第四代平衡机 硬支承平衡机也不是完美无缺的，由于力学原理上的简化，其本身 存在着原理性误差，一般情况下这个误差可以忽略但在某些情况下误 差会大到不能容忍的地步另外，摆架的刚度的提高也是有限的，从而 限制的平衡机转速的提高，使其应用受到了一定的限制微机的应用对 于进一步改善平衡机的测量性能提供了可能，使软、硬支承在测量系统 上得到统一多功能的机电一体化的微机平衡量装置有望成为第五代平 衡机的典型产品，其测量特性综合了软、硬支承动平衡机的优点，具有 很大的应用范围 以往国内大量采用的硬支承平衡机电测系统主要是采用模拟电路， 一般使用光点矢量瓦特计来测量不平衡量的大小和相位，这样的电路实 现比较复杂，费用也较高，以半硬支承平衡机为例，实验表明传感器输 出信号的信噪比与机械振动系统、传感器与工作环境有关，一般在2 0 d b 一- 6 0 d b 之间，电测系统为了从强噪场背景中提取微弱的不平衡量信号， 同时捧除平衡转速对平衡量精度的影响，从模拟电路角度来看，采用窄 带自动跟踪滤波技术是一个较好的选择因此，从某种意义上说，滤波 辽宁工程技术大学硕士学位论 环节设计的好坏决定了平衡机电测系统的性能。 随着电子技术和计算机技术的迅速发展，微处理器在平衡机信号处 理中获得了广泛的应用，过去由硬件电路完成的滤波和计算功能已逐渐 采用软件来代替，这样不仅降低了成本，同时系统便于调试和扩展使用 范围目前，大部分平衡机的不平衡量解算都利用微处理器来完成，因 外有些公司的产品甚至对某些条件下不平衡量计算处理的软件申请了 专利保护 目前，国际上平衡机的主要发展趋势是不断改善设备人机交互式界 面，提高自动化水平和操作效率，同时对不平衡的幅值和相位计算方法 进行完善以进一步提高精度。 2 3 车轮动平衡机检测基本原理 如前所述，车轮动平衡机是利用车轮旋转时，对其上存在的不平 衡质量产生的离心力信号进行分析处理从而得到所需的结果的。 假设一个理想的转子( 平衡的车轮) 的质量为m ，支承系统得弹性 系数为k ，在距离转动中心为r 的位置上放置一质量为m 的重物，使转 子具有一个m f 的不平衡量。 当转子以角速度做匀速旋转运动时不平衡的质量将产生离心力 ，一埘珊7 式( 2 4 ) 图2 4 单自由度系统振动模型 其中r 是质量m 的重心与旋转轴之间的距离不考虑转子摆动的 影响，只研究平动的单自由度系统系统振动的模型简图如图2 4 所示 辽宁工程技术大学硕士学位论 1 6 系统的运动方程式为 m y + c y + k y 一册，缈2 c o s a l t式( 2 - 5 ) 设c m ；2 nr m ：埘t 1 7 1 1 ( 0 2 m - i t ，式2 5 可以写成为 y + 2 n y + 6 0 y 。h c o s a f 式( 2 - 6 ) 令其特解为；船i _ 锄幽晾捌驴) 贝q 有： y - ，l 2 c o , a 一力 将y 及其导数代入2 6 式后可得 4 蜘吒2 一2 ) c 0 “n t 一妒) 一2 ，l a , s i n ( o s 一中) j 1 i l 伽咯研) 对2 7 式整理燹挟后，比孜两边的系效得 月。；：! ! ：一拙似2 一2 ) 2 + 4 n 2 m 2 。 设a 。，为振动频率与系统固有频率之比，f - c c ，为阻尼系数 设蝶，为振动频率与系统固有频率之比，。纠，为阻尼系数 与系统临界阻尼系数之比，式中c f 。加q ，则 竺：竺 放( 1 一分) 2 + 4 2 矛 式( 2 - 8 ) 当转- 7 ：系数已经给定并且转子转速选定时，、k 、a 、1 都是常 量，由式2 8 可以知道a 与不平衡量1 1 1r 成正比 对于y 来讲，假设以6 来代表有效值( 均方根) 有 6 。厮 ：陌 辽宁工程技术大学硕士学位论 1 7 式中t 为周期 为分析方便，用换元法计算根号e p 的积分设口- “一妒，贝j j a u - 础。 当t ：t 时，u ：一妒与u ic o t 妒。故： j ( 嘲2 ( 研一办出一f 嘲2 “丢幽 ：z 瞄2 哆- 吾式29 = 珊j ， z 式( ) 式( 2 1 0 ) 从式( 2 1 0 ) 可以看出当转予系统已经给定，并且转子转速一定时， 振动加速度的有效值与不平衡量成正比，即车轮加速度的有效值正比于 不平衡量，综合分析只要测出车轮的加速度就可以计算出车轮的不平衡 量本设计中模拟机中就是采用测量振动的磁电传感器来检测不平衡的 大小 2 3 1 通用硬支承平衡机分析 假设在通用硬支承动平衡机中的转子和系统尺寸已知，如图2 5 所 示左侧和右侧的不平衡量分别为m l r l 及m 2 r 2 ，对应的离心力为f l 和f r ， 两个轴承的支反力为n l 、n r ，这些力都是矢量，如果转子停止旋转时， 这些力都是零 图2 5 通用动平衡受力分析 辽宁工程技术大学硕士学位论 平衡机根据动反力n l 和n r 来确定两个校j 下面上的离心力f l 、f r ， 从而计算出两个校正面上的不平衡量。因为测量的点是在轴承处，而校 j 下是在选定的平面上，它们之间的关系是动力平衡的关系由于转子的 惯性力已经忽略不记，所以支承反力和不平衡力构成了平衡力系 它们在x o z 平面上的投影m r = 0 和m l = 0 得出下列两式： b f l x 一( a + b ) n l x + c n r s = 0 ( 2 1 1 ) 一b f r s + ( b + c ) n r 。一a n l x = 0 ( 2 1 2 ) 同样的在y o z 平面内的投影( 图中未画出) 由m r = 0 可得 b f l x 一( a + b ) n l y + c n r y = o 由z m l = 0 得 一b f h y + ( b + c ) n r y a n l ：y = 0 由于各个力都是变化的矢量，可以采用复数的形式来表示，令 f l = f l x = + i f l yf r 2 f x i + i f r v n l 2n l x = + i n l yn r 2n r i + i n x y 以上四式可以合并为下面两式 b f l 一( a + b ) n l + c n r = 0 一b f _ 一( c + b ) n x + a n l - = 0 解出： f l = n l + 丢( a n l c n r ) f r = n l - - 亡( a n l - - c n r ) o 由不平衡量m l f l 和m 2 r 2 产生离心力f l 和f r 仅仅与两轴承处的动 反力n l 、n r 及轴承和校正面尺寸a 、b 、c 有关轴承动反力可以通过 加速度、速度传感器测出对于不同的支承可以分析其受力情况从而得 出具体的计算公式 2 3 2 车轮平衡机简要分析 离车式车轮平衡机是按照动平衡原理进行工作的，汽车维护和修理 作业中因为车轮已经拆离车桥，其平衡检测都在动平衡机上进行与静 平衡不同，动平衡将车轮视为一个有限宽度的旋转体，宽度为b ，如图 2 6 所示假设不平衡量集中在轮辋的边缘，分别是m l 、m 2 两部分，把 兰主三堡垫查垄兰翌主兰堡垒 ! ! 这两个平面选为校正面。 车轮旋转时形成离心力，图中f 。和f 2 为离心力在传感器所在平面 的投影，当f i f 2 或者f i = f 2 但二者相位不相同时，不仅形成了不平衡 力，而且形成了不平衡力矩，所以动平衡机必须设置方程式用于求取f l 和f 2 ，从而计算出不平衡量m l 、m 2 的大小 ， 乞b 楚t ： l ， h 7 r 心y l ll ， 鼻 i 小4 ： 图2 6 车轮动平衡原理图 当车轮以角速度旋转时，产生的内外离心力分别为： e - m l ，2 f 2 - m 2 ，2 在e 和只的作用下，轴将产生周期的振动，设振动引起轴的轴向和 纵向的支反力分别为丘和则可得下列力矩和力平衡方程： f 。一f i 七f l ，i - ，+ ，2 ( 6 + c ) 式中a , b ，c 分别为平衡机的结构参数，轮辋宽度，车轮的安装尺寸 联立可得 ”古玩p + c ) 一无胡 脚：- 击b 一，c 】 脚z 办山一，c j 采样的振动信号丘( 七) 和 ) 代入式之后，通过计算可得到离散的 振动信号肘- 仲) 和膨： ) ，对材- 僻) 和膨：( 七) 进行频谱分析，然后进行动平 衡计算即可求出不平衡的大小和相位 辽宁工程技术走学硕士学位论 第三章c b 一8 0 平衡机电路设计 本章对c b 一8 0 车轮动平衡机进行简要的介绍，在基于已有工作的 基础上对平衡机的信号检测、处理硬件电路进行了迸一步研究和设计， 来达到提高不平衡量的计算精度的目的 3 1c b 一8 0 动平衡机简介 3 1 1 总体概述 本课题以营口市通达汽车保修设备有限公司生产的c b 一8 0 车轮平 衡机为研究对象，它属于离车式平衡机；由于车轮旋转速度远远低于车 轮系统的一阶临界转速，所以归为硬支承平衡机的一种。其主要技术参 数为： 轮辋直径w h e e ld i a m 1 0 ”一2 0 。( 2 5 4 5 0 8 m m ) 轮胎宽度w h e e l w i d t h 1 5 。一1 2 。( 3 83 1 0 r a m ) 最大轮重m a xw h e e lw e i g h t 6 5 k g 平衡精度p r e c i s i o n - + l g 电源p o w e rs u p p l y1 i o v 2 2 0 v5 0 h z 6 0 h z 电机功率m o t o rp o w e r1 8 0 w 。 重 量w e i g h t9 0 k g 为了便于操作和调整，平衡机的机械结构采用了常见的卧式结构， 主要包括提供安装基础的机箱，驱动车轮在动平衡测量时旋转的电机， 支撑轴承和力传递臂组成的力传递系统，以及保护罩、平衡块等附件 平衡机处理电路主要包括信号检测子系统来完成力信号和车轮旋 转信号检测功能；人机交互子系统用以完成l e d 显示驱动，键盘信号 检测功能；i o 控制子系统，完成电机驱动、保护罩状态检测功能；单 片机处理系统，完成以上各电路子系统的协调管理，并完成动平衡解算 工作，是整个动平衡机系统的核心；电源系统提供整个平衡机的工作电 源 车轮动平衡机利用一台小型交流电机通机皮带传动驱动车轮旋转， 产生所需要的振动信号，通过传感器和检测电路及相应的软件完成信号 处理。硬件电路以z 8 0 微机处理器系统为主要组成部分，与其他外围电 辽宁工程技术大学硕士学位论 路配合完成不平衡力信号的采集和处理，从而计算出不平衡质量的大小 相应c b 一8 0 平衡机的总体结构如图3 1 所示。 图3 1 动平衡机总体结构示意图 3 1 2 平衡机硬件电路分析 为了检测车轮不平衡量的大小和相位，必须要对车轮旋转时产生的 力信号和光电齿盘信号进行采集、分析和处理c b 一8 0 动平衡机的硬 件电路入要用于完成以下几个功能： 采样力信号，经滤波、放大后进行a d 转换送入z 8 0 处理 对三路光电齿盘信号进行处理完成判向、测速。 通过功率板控制电机启动，停止。 利用l e d 显示车轮不平衡量大小和相位 电路整体结构如图3 2 所示对于l e d 显示电路、压电传感器信号 辽宁工程技术大学硕士学位论 2 2 滤处理电路和v f 转换等主要部分在参考文献【2 9 3 中都进行了详细 的分析和介绍。鉴于c b 一8 0 动平衡机采用z 8 0 处理器( 包括z 8 0c p u 和i 0 处理的z 8 0p i o 、计数处理的z 8 0 c t c ) ，目前市场上此类产品 已经很少而且结构复杂，可靠性差，所以从应用角度有必要对硬件电路 进行重新设计，提高可靠性和精度 图3 2c b 一8 0 平衡机电路结构图 3 2 硬件电路设计 对电路的设计重点放在处理器的选择、a d 转换电路和光电齿盘 电路的改进这几方面由于m c s - - 5 1 系列单片机拥用大量的用户，具 备较高的性价比，结构和可靠性高于z 8 0 ，因此这里选用了a t m e l 公司 的a t 8 9 c 5 2 单片机作为处理器。 3 2 1 传感器的使用 如前所述，车轮动平衡机需要利用测量车轮旋转时产生的加速度信 号可计算出不平衡量的信息。选择压电传感器作为采集不平衡力信号的 器件，其频带宽( 0 5 5 0 0 h z ) 、线性好、不怕冲击和振动，在振动和 加速度测量中得到了广泛的应用压电换能元件受到外界作用后，产生 的变量是电荷量，丽不是电压量，所以设计压电元件接口电路的原则是 不能从压电元件吸收能量，要用前置放大器电路作为接口电接必须做 到： 将压电元件的高阻抗输出转化为低阻抗输出，使之能够用一般方 法进行信号处理 辽宁工程技术大学硕士学位论 同时对弱信号进行放大，使之具有负载驱动能力。 当压电元件与前冕放大器连接时要考虑到电览等效电容、放大器输 入电容和输入电阻的影响，通常可以采用前置电荷放大器和前置电压放 大器两种接法因为平衡机的压电传感器和放大器分歼布置，二者通过 电览连接，为了避免电缆分布电容对检测精度的影响，采用了前簧电荷 放大器的连接方法，电荷放大器电路如图3 3 所示 q l f 1 ：e u 一 l j c l r d i n ： f r i j i，j 图3 3 前置电荷放大器电路 可推导出u 一2 i j g 湎r q s ，可以看出：电荷放大器的主要优 点是其输出只与压电元件产生的电荷及反馈阻抗有关，而与等效电容无 关( 包括干扰电容) ，而电压放大器的连接电路很容易受到电缆分布电 容的影响3 。 由于传感器的输出很微弱，所以再加一级放大器输出以提高灵敏 度。在两级放大器之问串联的电容是为了滤除直流分量而不影响交变力 信号的传输，采用了两个相同的电解电容c 6 和c 9 串联来实现。水平方 向上的力传感器信号放大电路如图3 4 所示 辽宁工程技术大学硕士学位论 图3 4 水平方向力传感器信号放大电路图 3 2 2v f 电路分析与改进 为了解算出车轮不平衡质量的大小和相位，就首先必须将车轮旋转 时由不平衡质量产生的力信号转换为c p u 可以处理的数学量通常有 几种方法可以完成这样的a d 任务，一种方法是利用现有的a d 转 换芯片，如a d l 5 7 4 ，a d 5 7 8 等来实现，其优点是可很容易买到精度适 用的转换器、c p u 可以对提供转换数据直接识别以及a d 转换度快， 一般为几微秒到几十微秒另一种方法是采用v f 转换器件，它的优 点是应用电路简单，外围元件性能要求不高，对环境适应能力强而且价 格较低选用哪种转换方法要考虑到多种因素，例如平衡机产品的价格、 工作环境对使用可靠性的影响、精度是否满足需要以及对转换速度的要 求等 平衡机通常要在汽车维修站内工作，周围的环境中各种电机的启 停、电焊机的工作可能会对平衡机产生较强的电磁干扰，平衡机本身运 行时也不可避免会存在机械振动、电机运行产生较强的各种干扰一般 情况下干扰是以脉冲的形式进入系统，虽然具有较高的电压幅值，但不 能提供较大的电流。另外压电传感器的引线较长传感器采集的信号很 弱，由于易受到外界影响不适合远距离传输，而且动平衡测试属于离线 系统，对时间没有严格的要求 辽宁工程技术大擘硕士擘位论 若采用a d 转换芯片时要尽可能的采用硬件或软件手段滤波以清 除这些不利因素的影响，而且一般要保证达到计算精度要求必须使用1 2 位以上的芯片，价格较贵 图3 5平衡机信号采集转换电路 由于考虑到要尽可能少的占用计算机硬件资源，信号便于远距离传 输且具有抗干扰性。选用了v f 转换方法，利用l m 3 3 1 来完成转换任 务l m 3 3 1 芯片的数字量有效范围比3 位半的a d 转换芯片大，比4 辽宁工程技术大学硕士学位论 2 6 位半的转换芯片小，和1 3 位( 二进制) 的a d 转换芯片相当 动平衡机的电路是利用压电传感器采集车轮不平衡质量旋转时产 生的振动信号，经过放大，滤波处理后通过l m 3 3 1 进行v f 转换，转 换结果送到z 8 0 c t c 通过计数进行频率测量，这样将力信号转换为c p u 可以处理的数字信号，完成了a d 转换，电路如图3 5 所示v f 变 换虽然解决了信号在长线传输过程中的抗干扰问题，但却改变了c p u 对信号的读取方式，由原来的对a d 输出信号的直接读取变为对v f 变换器输出脉冲频率信号的读取。 对频率信号的测量有