有关轮胎均匀性检测机理及设备研究

　　韩慧清?郭永新
　　摘 要：文章阐述了轮均匀性检测机理及设备，提出了采用多点高速均匀性检测的方法。该检测系统检测精度较高，为建立标准化轮胎均匀性检测系统提供了有效的方法，可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一定的意义。
　　关键词：轮胎均匀性；检测系统；信号分析处理
　　随着我国的汽车工业、公路交通运输得到迅猛的发展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。而轮胎均匀性直接影响到车辆的操纵稳定性和行驶安全性。现代道路交通和汽车工业对轮胎均匀性的要求越来越高，尤其是在高速行驶条件下。轮胎均匀性对汽车的性能有十分重要的影响，如汽车的振动，噪声，乘坐舒适度，操纵稳定性和高速行驶安全性以及起汽车零部件的寿命。采用多点高速均匀性检测的方法精度较高，为建立标准化轮胎均匀性检测系统提供了有效的方法，可促进我国公路运输的效率和降低交通事故发生率，确保了计算参数的准确性，推动我国轮胎制造业的发展都有一定的意义。
　　1.低速均匀性检测机理
　　目前国内轮胎生产企业以及相关的轮胎质量检测单位所采用的均为轮胎低速均匀性检测设备。主轴在伺服电机带动下转动，在GB/T 18506 2001《汽车轮胎均匀性试验方法》中规定轮胎转速为60r/min。装卡并充气的轮胎通过切向摩擦力带动负荷轮转动。上下轮辋模拟轮毂，起到夹持轮胎、防止轮胎充气后泄气的作用。负荷轮轴线应与主轴轴线始终保持平行。负荷轮材质均匀，几何形状对称，可以在导轨上水平移动。上下两个测力传感器是二维正交力传感器，可以测x、y向正交的力信号，力的方向由主轴底部的旋转编码器测得，进而合成矢量力。轮胎均匀性测量过程中，主轴与负荷轮通过机械支撑保持不动且位置平行，负荷轮模拟地面并给主轴施加一定负载，相当于轮胎行驶过程中车体对轮胎的压力。轮胎在每一个转动周期内，旋转编码器均匀发出n点脉冲，旋转编码器每发出一个脉冲，计算机将记录一次传感器测量并输出轮胎径向方向上的径向力和轮胎侧向上的侧向力，直至采集到n个数据为止。根据测得的径向力和侧向力算出锥度、角度效应等相应的参数。
　　2.低速均匀性检测机理现状
　　国外在轮胎均匀性检测设备的检测机理与数字化方法以及相应的检测产品研发方面开展的工作较早，从20世纪50年代起進行了均匀性检测机理、多变量测量解耦算法、测量与标定方法以及数据处理方法等基础性研究，并取得了一系列研究成果。1965年，轮胎均匀性试验机由美国阿克隆标准公司确立试验用机和生产用机后，开始供应市场并迅速扩大应用。1979年，美国汽车制造商协会和橡胶制造商协会合作对卡车轮胎非均匀性在卡车行驶过程中产生的影响进行了研究，得出了轮胎均匀性和轮胎圆周力之间的关系。1986年，美国密歇根大学交通研究所在上述研究基础上研发出新型轮胎均匀性测试装置，该装置测试频率达到50Hz。国外企业对轮胎均匀性测试的核心技术、测控系统的核心元件以及软件技术均严格保密。目前，关于轮胎均匀性测试设备的报道大多是与工程产品相关的专利技术以及相关的标准等文献，很少见到相关的测试机理、多变量测量解耦算法与结构等基础研究的资料。
　　3.高速均匀性检测技术分析
　　迄今为止，对轮胎均匀性质量优劣的判级仍以低速均匀性的测试数据为依据，即测试转速为60r/min的测量数据。然而外径700mm的轮胎以60r/min转动时换算成车辆行驶速度约为8km/h，此速度下轮胎的力学性能远不能真实反映车辆在正常行驶速度下的轮胎的力学性能。而且研究表明，切向力变化受旋转速度的影响很大，低速时很小，当达到60km/h时切向力的影响就必须考虑，在120km/h时其变化程度最大，因此在车辆高速行驶时必须考虑轮胎切向力的影响。如何获得轮胎的高速均匀性特性参数，以给汽车制造商提供实际运行状态下的轮胎性能就成了研究的热点。通过在低速均匀性试验机上测出的多个低速均匀性参数（如径向尺寸偏差、径向力波动等）来预测高速均匀性的特性参数。通过低速均匀性的测量来预测高速均匀性的高次谐波成分。然而人们常会忽略由于速度的大幅度变化给轮胎力学性能带来的其他影响。轮胎均匀性测试设备测量得到的某个方向上的力（例如径向力）旋转一周的波动是一个复杂的波形，人们通常采用傅里叶变换的方法将其分解为多个谐波的叠加，而不同的谐波则会对车辆的行驶性能产生不同的影响。旋转速度对一些谐波的影响不容忽视，同一条轮胎在不同速度下的力学特性也大不相同。国外知名企业相继研发出了轮胎高速均匀性检测设备并逐步投入了工业应用。2000年日本生产的轮胎高速均匀性检测设备，用三轴正交测力传感器实现动平衡、均匀性在一台试验机上的测量，一个轴测量动平衡，另两个轴测量低速和高速均匀性，目前，已经有大约500台高速均匀性试验机在轮胎工厂投入使用。国外生产的轮胎高速均匀性试验机的性能也在不断提高，2014年，日本神户制钢所称其新一代产品可以精确测试最高速度达300km/h时的轮胎不均匀性，该机采用水平运行，因而中心较低。此外，该机采用了高强度的元器件和材料，消除了由试验机和轮胎产生的振动。这款新型试验机的固有频率为450Hz，是普通试验机的2倍。美国1064B型轮胎高速均匀性测试机主要用于轿车与轻型卡车的力、力矩以及不均匀性的检测，测试速度可以达到440km/h。考虑到测试设备在测试轮胎高速旋转时有可能产生振动进而影响测试结果的准确性，将该设备主轴的固有频率提升至700Hz，因此可进行0＂-700Hz的相关测试，足以避免测试过程中的共振干扰。迄今为止，还没有发现其他公司的高速均匀性检测设备具有如此高的固有频率。
　　4.结束语
　　轮胎均匀性是影响车辆行驶性能的重要参数之一，获取正确的能够真实反映轮胎实际行驶性能的均匀性参数对车辆行驶的舒适性和安全性具有重要价值，轮胎高速均匀性的检测必将成为未来发展的趋势。
　　参考文献：
　　[1]赵明达，轮胎均匀性参数测量方法研究[J].企业文化，2013
　　[2]杭柏林；赵明达；吕浦伟，轮胎二维力测量方法的研究[J]-橡塑技术与装备.2014