车轮动平衡机的测量原理及其计量校准

　　一、概述

　　改革开放后,国民经济的飞速发展促使汽车工业作为我国经济支柱产业也得以迅速发展。汽车工业的发展必然带动许多相关产业的迅速发展,同时对计量测试和计量仪器提出了许多更高和更新的要求。在汽车及其相关工业中所需的计量仪器品种很多,并且准确度要求很高。由于高速公路的建立和发展,过去受道路因素所制约的汽车高速能力得以施展,但长期“掩盖”在低速行驶工况下汽车机构装置的隐患也逐步暴露出来。

　　在众多弊病中,车轮动不平衡的危害已成为极其严重的问题。当车轮上存在动不平衡量时,轻则会使驾驶方向困难;重则会使高速时方向失控或产生爆胎造成严重的交通事故。因此,车轮动平衡机作为汽车性能检测设备及其本身的计量校准引起了极大的重视。车轮通过(离车式)动平衡机(一般就称为车轮动平衡机)的校准后在很大程度上减少了轮辋和轮胎组成的整体的剩余动不平衡量,对汽车的高速行驶起到了很大的安全保障作用。正因为车轮动平衡机在检测、校验汽车车轮动不平衡量上起着越来越大的作用,上海市就有几千台,遍布在大小汽车制造、修理和检测单位,甚至于马路边的修补轮胎铺都在使用车轮动平衡机。面对着这样量大面广、而且又直接涉及到交通安全的计量器具,对其计量检测原理的研究是十分必要的。所以,本文根据我们多年的工作实践经验,就车轮动平衡机的测量原理、计量性能、校准方法、校准(测量)的不确定度评定等内容,作一些简单的介绍。

　　不平衡是指转子(对车轮动平衡机而言,车轮就是转子)旋转产生离心力所引起的振动力或运动作用于轴承时,该转子所处的状态。不平衡量是转子某平面上的量值大小,不涉及不平衡量的相角位置。它等于不平衡质量与其质心至轴线距离的乘积,计量单位是g.cm、g.mm等。不平衡量是指位于转子特定半径的质量,该质量与向心加速度的乘积等于不平衡离心力。

　　对于车轮动平衡机,可以通过在轮辋(特定半径)上加夹铅块来消除被平衡车轮的剩余不平衡量,所以车轮动平衡机上显示的就是不平衡质量,它的计量单位也就是g。动平衡机的测量原理如图一所示。动平衡机是将车轮看作一个有限宽度(轮胎宽度)的回旋体,将轮辋二个边缘平面作为二个校准面,旋转时形成二个离心力F1和F2。因而车轮动平衡机必须设置二个传感器fa和fb以采集二个支反力,建立系统的动静力学方程以求取二个离心力F1和F2。而离心力根据物理关系F=m·r·ω2,实际上车轮动平衡机测量的不平衡质量m等于离心力F除以向心加速度r·ω2;平衡后的剩余不平衡量m·r等于离心力F除以旋转角速度的平方ω2。所以,车轮动平衡机全部量值离不开质量m、长度量r、角速度量ω和力值F,它们都是法定计量单位的基本单位或导出单位。因此,完全可以通过不同方法或手段进行量值传递。尽管离心力是个矢量,但是通过将不平衡量m·r或不平衡质量m的大小、旋转角速度ω大小、相位分别考虑与测量,许多问题就可以迎刃而解了。