車輪動(dòng)平衡機(jī)內(nèi)外自動(dòng)量尺設(shè)計(jì)

戴基玉，王 政，李文勛，梅博文，趙志豪，王玉琳

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 問題的提出

車輪平衡有動(dòng)平衡與靜平衡之分，是評(píng)價(jià)車輛性能和可靠性不可或缺的重要指標(biāo)[1-2]。靜不平衡會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)和顛簸，導(dǎo)致車輪產(chǎn)生平斑現(xiàn)象[3-4]；動(dòng)不平衡會(huì)使車輪擺動(dòng)，導(dǎo)致輪胎形成波浪型磨損。由于外界情況的不確定性，設(shè)備常常產(chǎn)生動(dòng)不平衡現(xiàn)象，而對(duì)于穩(wěn)定性要求較高的設(shè)備需要一直保持平衡狀態(tài)，特別是船體、車輛等要求在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下必須保持平衡。車輪的輪轂與輪胎受制造、安裝等因素影響，使得車輪各部分出現(xiàn)質(zhì)量分布不均勻[5-7]、車輪回轉(zhuǎn)中心與其重心不重合的情況，車輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)各部分因此而產(chǎn)生離心力，且無法抵消。當(dāng)車輛在行駛過程中因車輪高速旋轉(zhuǎn)而處于動(dòng)不平衡狀態(tài)時(shí)，會(huì)造成車輪抖動(dòng)、方向盤震動(dòng)和車體顛簸[8-9]等現(xiàn)象，增加了行車風(fēng)險(xiǎn)。為避免交通事故、減緩輪胎磨損，必須定期給車輪做動(dòng)平衡試驗(yàn)[10-11]，此時(shí)就會(huì)用到動(dòng)平衡機(jī)。

通常，采用動(dòng)平衡機(jī)為車輪做動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，需要測量并輸入三個(gè)參數(shù)[12-13]：①輪輞邊緣至動(dòng)平衡機(jī)箱體側(cè)面的距離A；②輪輞的寬度B；③輪輞的直徑D。目前，國產(chǎn)車輪動(dòng)平衡機(jī)的內(nèi)部量尺多采用鋼絲、線輪、彈簧和電位器等相結(jié)合的方式測量A、D兩個(gè)參數(shù)[14]。這種內(nèi)部量尺存在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、測量精度低、測量效率低、精度保持性差、占用空間大、使用維護(hù)不便等缺點(diǎn)。而對(duì)于輪輞寬度B值的采集，國產(chǎn)平衡機(jī)目前多是采用寬度夾尺進(jìn)行手工測量，人為誤差大、檢測精度低，且需手工輸入寬度尺寸，操作費(fèi)時(shí)不便。

針對(duì)上述問題，筆者擬對(duì)測量A、D值的內(nèi)部量尺和測量B值的外部量尺分別進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出A、D、B三個(gè)參數(shù)智能測量、自動(dòng)輸入動(dòng)平衡機(jī)電腦系統(tǒng)的詳細(xì)方案。圖1為裝有內(nèi)、外自動(dòng)量尺的車輪動(dòng)平衡機(jī)外觀。

圖1 車輪動(dòng)平衡機(jī)外觀

2 內(nèi)部自動(dòng)量尺設(shè)計(jì)方案

2.1 內(nèi)部自動(dòng)量尺的結(jié)構(gòu)

圖2是所設(shè)計(jì)的車輪動(dòng)平衡機(jī)用內(nèi)部自動(dòng)量尺的結(jié)構(gòu)。該自動(dòng)量尺包括尺頭1、尺桿2、滑動(dòng)軸承3、尺套4、光柵條固定架5、光柵條6、傳感器固定架7、圓光柵8、光柵讀數(shù)頭9、光柵讀數(shù)頭固定架10等。除此之外，還包括連接各構(gòu)件所必需的螺釘、螺母和頂絲等。

尺桿2通過螺釘固裝在尺頭1的套筒中，并且其一端穿過滑動(dòng)軸承3；在尺套4的一端，固裝光柵條固定架5；光柵讀數(shù)頭固定架10的上端套裝在尺桿2的另一端，通過插裝在尺桿2上的兩個(gè)頂絲定位；光柵讀數(shù)頭9固裝在光柵讀數(shù)頭固定架10上；光柵條6的一端固裝在光柵條固定架5上，另一端穿過光柵讀數(shù)頭固定架10并設(shè)置在光柵讀數(shù)頭9的下方；圓光柵8的輸出軸穿過傳感器固定架7并通過頂絲插裝在尺桿2的端部，且圓光柵8與傳感器固定架7固接。另外，光柵條6通過螺釘以及穿設(shè)在螺釘上的墊圈與螺母固裝在光柵條固定架5上；光柵讀數(shù)頭9通過螺釘、墊圈等固裝在光柵讀數(shù)頭固定架10上；圓光柵8通過螺母固裝在傳感器固定架7上。

1-尺頭;2-尺桿;3-滑動(dòng)軸承;4-尺套;5-光柵條固定架;6-光柵條;7-傳感器固定架;8-圓光柵;9-光柵讀數(shù)頭;10-光柵讀數(shù)頭固定架;11-尺頭頂點(diǎn)

2.2 內(nèi)部自動(dòng)量尺的工作原理

如圖2所示，尺桿2可以在光柵條固定架5中轉(zhuǎn)動(dòng)，圓光柵8的輸出軸隨尺桿2轉(zhuǎn)動(dòng)(8的本體不轉(zhuǎn)動(dòng))；光柵讀數(shù)頭固定架10隨尺桿2可以前后移動(dòng)，圓光柵8也可以隨尺桿2前后移動(dòng)。內(nèi)部自動(dòng)量尺工作過程如下：旋轉(zhuǎn)尺桿2時(shí)圓光柵8會(huì)采集角度信號(hào)，拉出尺桿2時(shí)光柵讀數(shù)頭9會(huì)采集長度信號(hào)。

如圖1所示，組裝車輪動(dòng)平衡機(jī)時(shí)，將內(nèi)部自動(dòng)量尺固定在車輪動(dòng)平衡機(jī)操作臺(tái)下面的箱體上，使尺桿2與動(dòng)平衡機(jī)的車輪安裝軸平行，且讓尺頭1的右側(cè)頂點(diǎn)與箱體的右側(cè)面平齊。安裝好車輪，開始測量時(shí)，將尺桿2拉出，在保證尺頭1剛好處于輪輞校正面內(nèi)的情況下，旋轉(zhuǎn)尺桿2，使尺頭1的右側(cè)頂點(diǎn)穩(wěn)固地頂在車輪的左側(cè)輪輞上，此時(shí)就可以根據(jù)光柵讀數(shù)頭9輸出的位移信號(hào)測量出A值(車輪左邊內(nèi)側(cè)校正平面到動(dòng)平衡機(jī)箱體側(cè)面的距離)。

3 外部自動(dòng)量尺設(shè)計(jì)方案

3.1 外部自動(dòng)量尺的結(jié)構(gòu)

圖4為外部自動(dòng)量尺的整體結(jié)構(gòu)，主要零部件有螺釘1、卡片2、尺臂旋轉(zhuǎn)軸套3、尺臂旋轉(zhuǎn)軸4、安裝板5、圓光柵6、環(huán)形溝槽7、軸孔8、軸套9、扭簧10、旋轉(zhuǎn)軸11、拉簧12、螺釘13、尺臂連接板14、尺臂15、測量頭16、頂桿17等。其中圓光柵6固裝在安裝板5上，尺臂旋轉(zhuǎn)軸4套裝在圓光柵6上，旋轉(zhuǎn)軸11和尺臂旋轉(zhuǎn)軸4均固接在安裝板5上，旋轉(zhuǎn)軸11的軸心線與圓光柵6旋轉(zhuǎn)軸的軸心線相垂直，尺臂旋轉(zhuǎn)軸套3安裝在尺臂旋轉(zhuǎn)軸4上，并通過滑動(dòng)互鎖。旋轉(zhuǎn)軸11裝在軸套9的軸孔8內(nèi)并與軸套9轉(zhuǎn)動(dòng)配合，軸向止擋由附接到軸上的頂絲實(shí)現(xiàn)，扭簧10的一端附接到軸套9，而另一端附接到旋轉(zhuǎn)軸11。卡片2安裝在尺臂旋轉(zhuǎn)軸套3的上端面，卡片2與尺臂旋轉(zhuǎn)軸套3和圓形光柵6固接。尺臂連接板14的一端固定到尺臂旋轉(zhuǎn)軸套3的外壁上，尺臂15的一端固定著測量頭16的一端，而尺臂連接板14上固定著尺臂15的另一端。頂桿17安裝在測量頭16的側(cè)壁上，螺釘13安裝在軸套3的外壁上，螺釘1相對(duì)于尺臂旋轉(zhuǎn)軸4固定在安裝板5上，拉簧12的兩端分別連接到螺釘1和螺釘13上。

圖3 內(nèi)部量尺D值測量原理

1，13-螺釘;2-卡片;3-尺臂旋轉(zhuǎn)軸套;4-尺臂旋轉(zhuǎn)軸;5-安裝板;6-圓光柵;7-環(huán)形溝槽;8-軸孔;9-軸套;10-扭簧;11-旋轉(zhuǎn)軸;12-拉簧;14-尺臂連接板;15-尺臂;16-測量頭;17-頂桿

3.2 外部自動(dòng)量尺的工作原理

如圖4所示，外部自動(dòng)量尺具有兩根旋轉(zhuǎn)軸，一根是旋轉(zhuǎn)軸11，它平行于車輪動(dòng)平衡機(jī)的主軸，當(dāng)外部自動(dòng)量尺工作時(shí)，依賴于這根軸旋轉(zhuǎn)，其測得的寬度值保持不變；另一根是尺臂旋轉(zhuǎn)軸4，它垂直于動(dòng)平衡機(jī)的主軸，外部自動(dòng)量尺測量的寬度值只與其圍繞這根軸上旋轉(zhuǎn)的角度有關(guān)。在尺臂旋轉(zhuǎn)軸4軸上安裝圓光柵6，只需測量尺臂轉(zhuǎn)過的角度，在得到A值的基礎(chǔ)上再根據(jù)其安裝位置即可算出車輪輪輞的寬度B值。

圖5為外部自動(dòng)量尺測量原理，現(xiàn)結(jié)合圖4和圖5說明外部自動(dòng)量尺測量B值(輪輞寬度)的原理。測量時(shí)頂桿17左端點(diǎn)被旋轉(zhuǎn)尺臂15頂在車輪右邊輪輞外側(cè)的校正面上，頂桿17與測量頭16保持垂直關(guān)系并相對(duì)固定，旋轉(zhuǎn)軸11所在軸線與車輪軸線平行，此時(shí)根據(jù)圓光柵6輸出的信號(hào)即可以得到尺臂15旋轉(zhuǎn)的角度γ。

由圖5幾何關(guān)系可知，L1=L2×cosγ +L3×sinγ，輪輞寬度B=L-L1-A。其中，L為動(dòng)平衡機(jī)箱體外側(cè)面到尺臂旋轉(zhuǎn)軸4的軸心的水平距離，由外部自動(dòng)量尺的安裝位置決定，為已知值；A值通過前述內(nèi)部量尺已經(jīng)測得；L2為圓光柵6軸心線到頂桿17軸心線的距離，為已知；L3為頂桿17的長度，也是已知。這樣，根據(jù)上述算式即可間接求得輪輞寬度B值。

圖5 外部自動(dòng)量尺測量原理

4 結(jié)束語

所設(shè)計(jì)的內(nèi)部量尺采用直線光柵配合圓光柵的方式自動(dòng)測量A值和D值，取代了傳統(tǒng)的鋼絲、線輪、彈簧與電位器相結(jié)合的低精度的測量方式，使得內(nèi)部量尺的結(jié)構(gòu)大大簡化，性能大大提高。內(nèi)部量尺具有占用空間小、測量精度高、操作方便快捷、電腦系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)而無需手工錄入?yún)?shù)等優(yōu)點(diǎn)。外部量尺采用高精度的圓光柵自動(dòng)檢測尺臂的轉(zhuǎn)角，電腦系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算后自動(dòng)獲得輪輞的寬度B值，取代了傳統(tǒng)的采用寬度夾尺測量輪輞寬度的低精度做法。外部量尺結(jié)構(gòu)簡潔，體積小，精度高，系統(tǒng)自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)，無需手工輸入。目前，筆者所設(shè)計(jì)的內(nèi)外自動(dòng)量尺均已投產(chǎn)試制。