有關輪胎均勻性檢測機理及設備研究

韓慧清?郭永新

摘 要：文章闡述了輪均勻性檢測機理及設備，提出了采用多點高速均勻性檢測的方法。該檢測系統檢測精度較高，為建立標準化輪胎均勻性檢測系統提供了有效的方法，可促進我國公路運輸的效率和降低交通事故發生率，推動我國輪胎制造業的發展都有一定的意義。

關鍵詞：輪胎均勻性；檢測系統；信號分析處理

隨著我國的汽車工業、公路交通運輸得到迅猛的發展及家庭轎車普及率的提高，人們對汽車的重要組成部件輪胎認識不斷提高，對輪胎質量提出了越來越高的要求。而輪胎均勻性直接影響到車輛的操縱穩定性和行駛安全性。現代道路交通和汽車工業對輪胎均勻性的要求越來越高，尤其是在高速行駛條件下。輪胎均勻性對汽車的性能有十分重要的影響，如汽車的振動，噪聲，乘坐舒適度，操縱穩定性和高速行駛安全性以及起汽車零部件的壽命。采用多點高速均勻性檢測的方法精度較高，為建立標準化輪胎均勻性檢測系統提供了有效的方法，可促進我國公路運輸的效率和降低交通事故發生率，確保了計算參數的準確性，推動我國輪胎制造業的發展都有一定的意義。

1.低速均勻性檢測機理

目前國內輪胎生產企業以及相關的輪胎質量檢測單位所采用的均為輪胎低速均勻性檢測設備。主軸在伺服電機帶動下轉動，在GB/T 18506 2001《汽車輪胎均勻性試驗方法》中規定輪胎轉速為60r/min。裝卡并充氣的輪胎通過切向摩擦力帶動負荷輪轉動。上下輪輞模擬輪轂，起到夾持輪胎、防止輪胎充氣后泄氣的作用。負荷輪軸線應與主軸軸線始終保持平行。負荷輪材質均勻，幾何形狀對稱，可以在導軌上水平移動。上下兩個測力傳感器是二維正交力傳感器，可以測x、y向正交的力信號，力的方向由主軸底部的旋轉編碼器測得，進而合成矢量力。輪胎均勻性測量過程中，主軸與負荷輪通過機械支撐保持不動且位置平行，負荷輪模擬地面并給主軸施加一定負載，相當于輪胎行駛過程中車體對輪胎的壓力。輪胎在每一個轉動周期內，旋轉編碼器均勻發出n點脈沖，旋轉編碼器每發出一個脈沖，計算機將記錄一次傳感器測量并輸出輪胎徑向方向上的徑向力和輪胎側向上的側向力，直至采集到n個數據為止。根據測得的徑向力和側向力算出錐度、角度效應等相應的參數。

2.低速均勻性檢測機理現狀

國外在輪胎均勻性檢測設備的檢測機理與數字化方法以及相應的檢測產品研發方面開展的工作較早，從20世紀50年代起進行了均勻性檢測機理、多變量測量解耦算法、測量與標定方法以及數據處理方法等基礎性研究，并取得了一系列研究成果。1965年，輪胎均勻性試驗機由美國阿克隆標準公司確立試驗用機和生產用機后，開始供應市場并迅速擴大應用。1979年，美國汽車制造商協會和橡膠制造商協會合作對卡車輪胎非均勻性在卡車行駛過程中產生的影響進行了研究，得出了輪胎均勻性和輪胎圓周力之間的關系。1986年，美國密歇根大學交通研究所在上述研究基礎上研發出新型輪胎均勻性測試裝置，該裝置測試頻率達到50Hz。國外企業對輪胎均勻性測試的核心技術、測控系統的核心元件以及軟件技術均嚴格保密。目前，關于輪胎均勻性測試設備的報道大多是與工程產品相關的專利技術以及相關的標準等文獻，很少見到相關的測試機理、多變量測量解耦算法與結構等基礎研究的資料。

3.高速均勻性檢測技術分析

迄今為止，對輪胎均勻性質量優劣的判級仍以低速均勻性的測試數據為依據，即測試轉速為60r/min的測量數據。然而外徑700mm的輪胎以60r/min轉動時換算成車輛行駛速度約為8km/h，此速度下輪胎的力學性能遠不能真實反映車輛在正常行駛速度下的輪胎的力學性能。而且研究表明，切向力變化受旋轉速度的影響很大，低速時很小，當達到60km/h時切向力的影響就必須考慮，在120km/h時其變化程度最大，因此在車輛高速行駛時必須考慮輪胎切向力的影響。如何獲得輪胎的高速均勻性特性參數，以給汽車制造商提供實際運行狀態下的輪胎性能就成了研究的熱點。通過在低速均勻性試驗機上測出的多個低速均勻性參數（如徑向尺寸偏差、徑向力波動等）來預測高速均勻性的特性參數。通過低速均勻性的測量來預測高速均勻性的高次諧波成分。然而人們常會忽略由于速度的大幅度變化給輪胎力學性能帶來的其他影響。輪胎均勻性測試設備測量得到的某個方向上的力（例如徑向力）旋轉一周的波動是一個復雜的波形，人們通常采用傅里葉變換的方法將其分解為多個諧波的疊加，而不同的諧波則會對車輛的行駛性能產生不同的影響。旋轉速度對一些諧波的影響不容忽視，同一條輪胎在不同速度下的力學特性也大不相同。國外知名企業相繼研發出了輪胎高速均勻性檢測設備并逐步投入了工業應用。2000年日本生產的輪胎高速均勻性檢測設備，用三軸正交測力傳感器實現動平衡、均勻性在一臺試驗機上的測量，一個軸測量動平衡，另兩個軸測量低速和高速均勻性，目前，已經有大約500臺高速均勻性試驗機在輪胎工廠投入使用。國外生產的輪胎高速均勻性試驗機的性能也在不斷提高，2014年，日本神戶制鋼所稱其新一代產品可以精確測試最高速度達300km/h時的輪胎不均勻性，該機采用水平運行，因而中心較低。此外，該機采用了高強度的元器件和材料，消除了由試驗機和輪胎產生的振動。這款新型試驗機的固有頻率為450Hz，是普通試驗機的2倍。美國1064B型輪胎高速均勻性測試機主要用于轎車與輕型卡車的力、力矩以及不均勻性的檢測，測試速度可以達到440km/h。考慮到測試設備在測試輪胎高速旋轉時有可能產生振動進而影響測試結果的準確性，將該設備主軸的固有頻率提升至700Hz，因此可進行0"-700Hz的相關測試，足以避免測試過程中的共振干擾。迄今為止，還沒有發現其他公司的高速均勻性檢測設備具有如此高的固有頻率。

4.結束語

輪胎均勻性是影響車輛行駛性能的重要參數之一，獲取正確的能夠真實反映輪胎實際行駛性能的均勻性參數對車輛行駛的舒適性和安全性具有重要價值，輪胎高速均勻性的檢測必將成為未來發展的趨勢。

參考文獻：

[1]趙明達，輪胎均勻性參數測量方法研究[J].企業文化，2013

[2]杭柏林；趙明達；呂浦偉，輪胎二維力測量方法的研究[J]-橡塑技術與裝備.2014