第４期(总第２２１期)
２０２０年８月
机械工程与自动化
M E C HA N I C A L ㊀E N G I N E E R I N G㊀&㊀A U T OMA T I O N
N o ．４
A u g
．文章编号:１６７２Ｇ６４１３(２０２０)０４Ｇ００８０Ｇ０３
车轮动平衡机内外自动量尺设计
戴基玉，王㊀政，李文勋，梅博文，赵志豪，王玉琳
(合肥工业大学机械工程学院，安徽㊀合肥㊀２３０００９
)摘要：为保证汽车高速行驶时车轮动态平衡，需要做动平衡试验.采用动平衡机为车轮做动平衡试验时，
需要测量并输入三个参数，即轮辋边缘至动平衡机箱体侧面的距离A ㊁轮辋直径D 以及轮辋宽度B .手动测量的传统方法效率低㊁精度差.现对测量A ㊁D 值的内部量尺和测量B 值的外部量尺分别进行了创新设计，提出了A ㊁D ㊁B 三个参数智能测量的详细方案.采用直线光栅配合圆光栅自动测量A 值和D 值，采用高精度圆光栅自动检测尺臂转角，经计算后获得轮辋宽度B 值.所设计的内外量尺占用空间小，测量精度高，操作方便快捷.
关键词：自动量尺；车轮动平衡机；传感器中图分类号:T H １２㊀㊀㊀文献标识码:A
２
０１９年安徽省大学生创新创业训练计划项目(S ２０１９１０３５９００１)；安徽省科技厅秋实计划项目(J Z ２０１９Q S J H ０２８８)收稿日期:２０２０Ｇ０４Ｇ２８；修订日期:２０２０Ｇ０６Ｇ１９
作者简介：戴基玉(１９９８Ｇ
)，女，安徽明光人，本科在读，专业为机械设计制造及其自动化.１㊀问题的提出
车轮平衡有动平衡与静平衡之分，是评价车辆性
能和可靠性不可或缺的重要指标[１
Ｇ２
轮胎套筒
].静不平衡会产生晃动和颠簸，导致车轮产生平斑现象[３Ｇ４]
；动不平衡
会使车轮摆动，导致轮胎形成波浪型磨损.由于外界情况的不确定性，设备常常产生动不平衡现象，而对于稳定性要求较高的设备需要一直保持平衡状态，特别是船体㊁车辆等要求在运动状态下必须保持平衡.车轮的轮毂与轮胎受制造㊁安装等因素影响，使得车轮各
部分出现质量分布不均匀[５Ｇ７]
㊁车轮回转中心与其重心
不重合的情况，车轮在旋转时各部分因此而产生离心力，且无法抵消.当车辆在行驶过程中因车轮高速旋转而处于动不平衡状态时，会造成车轮抖动㊁方向盘震
动和车体颠簸[８Ｇ９
]等现象，增加了行车风险.为避免交通事故㊁减缓轮胎磨损，必须定期给车轮做动平衡试验[１０Ｇ１１
]
，此时就会用到动平衡机.通常，采用动平衡机为车轮做动平衡试验时，需要
测量并输入三个参数[１２Ｇ１３
]:①轮辋边缘至动平衡机箱
体侧面的距离A ;②轮辋的宽度B ;③轮辋的直径D .目前，国产车轮动平衡机的内部量尺多采用钢丝㊁线轮㊁弹簧和电位器等相结合的方式测量A ㊁D 两个参数[１４
].这种内部量尺存在传动机构复杂㊁测量精度低㊁测量效率低㊁精度保持性差㊁占用空间大㊁使用维护不便等缺点.而对于轮辋宽度B 值的采集，国产平衡机目前多是采用宽度夹尺进行手工测量，人为误差大㊁检测精度低，且需手工输入宽度尺寸，操作费时不便.
针对上述问题，笔者拟对测量A ㊁D 值的内部量尺
和测量B 值的外部量尺分别进行创新设计，提出A ㊁
D ㊁B 三个参数智能测量㊁
自动输入动平衡机电脑系统的详细方案.图１为装有内㊁外自动量尺的车轮动平衡机外观.
图１㊀车轮动平衡机外观
２㊀内部自动量尺设计方案２．１㊀内部自动量尺的结构
图２是所设计的车轮动平衡机用内部自动量尺的结构.该自动量尺包括尺头１㊁尺杆２㊁滑动轴承３㊁尺套４㊁光栅条固定架５㊁光栅条６㊁传感器固定架７㊁圆光栅８㊁光栅读数头９㊁光栅读数头固定架１０等.除此之外，还包括连接各构件所必需的螺钉㊁螺母和顶丝等.
尺杆２通过螺钉固装在尺头１的套筒中，并且其一端穿过滑动轴承３；在尺套４的一端，固装光栅条固定架５；光栅读数头固定架１０的上端套装在尺杆２的
另一端，通过插装在尺杆２上的两个顶丝定位；光栅读数头９固装在光栅读数头固定架１０上；光栅条６的一端固装在光栅条固定架５上，另一端穿过光栅读数头固定架１０并设置在光栅读数头９的下方；圆光栅８的输出轴穿过传感器固定架７并通过顶丝插装在尺杆２的端部，且圆光栅８与传感器固定架７固接.另外，光栅条６通过螺钉以及穿设在螺钉上的垫圈与螺母固装在光栅条固定架５上；光栅读数头９通过螺钉㊁垫圈等固装在光栅读数头固定架１０上；圆光栅８通过螺母固装在传感器固定架７上.
１－尺头;２－尺杆;３－滑动轴承;４－尺套;５－光栅条固定架;
６－光栅条;７－传感器固定架;８－圆光栅;９－光栅读数头;
１０－光栅读数头固定架;１１－尺头顶点
图２㊀内部自动量尺结构
２．２㊀内部自动量尺的工作原理
如图２所示，尺杆２可以在光栅条固定架５中转动，圆光栅８的输出轴随尺杆２转动(８的本体不转动)；光栅读数头固定架１０随尺杆２可以前后移动，圆光栅８也可以随尺杆２前后移动.内部自动量尺工作过程如下：旋转尺杆２时圆光栅８会采集角度信号，拉出尺杆２时光栅读数头９会采集长度信号.
如图１所示，组装车轮动平衡机时，将内部自动量尺固定在车轮动平衡机操作台下面的箱体上，使尺杆２与动平衡机的车轮安装轴平行，且让尺头１的右侧顶点与箱体的右侧面平齐.安装好车轮，开始测量时，将尺杆２拉出，在保证尺头１刚好处于轮辋校正面内的情况下，旋转尺杆２，使尺头１的右侧顶点稳固地顶在车轮的左侧轮辋上，此时就可以根据光栅读数头９输出的位移信号测量出A值(车轮左边内侧校正平面到动平衡机箱体侧面的距离).
上述时刻，在图１中假定撤去操作台，从动平衡机的左侧往右看，则图３即可反映尺头与轮辋的位置关系.图３中,M点为尺杆的轴心,N点为尺头的顶点,O点为平衡机主轴轴心(车轮的轴心),MNᶄ为水平线，是开始检测时尺头的初始位置.在әO MN 中，根据余弦定理，可求得轮辋半径O N＝MN２＋M O２－２ˑMNˑ
M Oˑc o s(α＋β).由于M N 和M O为已知,β角也已知,α角由圆光栅８采集获得.因此，只要测得α角，即可求得轮辋直径D＝２ˑO N.３㊀外部自动量尺设计方案
３．１㊀外部自动量尺的结构
图４为外部自动量尺的整体结构，主要零部件有螺钉１㊁卡片２㊁尺臂旋转轴套３㊁尺臂旋转轴４㊁安装板５㊁圆光栅６㊁环形沟槽７㊁轴孔８㊁轴套９㊁扭簧１０㊁旋转轴１１㊁拉簧１２㊁螺钉１３㊁尺臂连接板１４㊁尺臂１５㊁测量头１６㊁顶杆１７等.其中圆光栅６固装在安装板５上，尺臂旋转轴４套装在圆光栅６上，旋转轴１１和尺臂旋转轴４均固接在安装板５上，旋转轴１１的轴心线与圆光栅６旋转轴的轴心线相垂直，尺臂旋转轴套３安装在尺臂旋转轴４上，并通过滑动互锁.旋转轴１１装在轴套９的轴孔８内并与轴套９转动配合，轴向止挡由附接到轴上的顶丝实现，扭簧１０的一端附接到轴套９，而另一端附接到旋转轴１１.卡片２安装在尺臂旋转轴套３的上端面，卡片２与尺臂旋转轴套３和圆形光栅６固接.尺臂连接板１４的一端固定到尺臂旋转轴套３的外壁上，尺臂１５的一端固定着测量头１６的一端，而尺臂连接板１４上固定着尺臂１５的另一端.顶杆１７安装在测量头１６的侧壁上，螺钉１３安装在轴套３的外壁上，螺钉１相对于尺臂旋转轴４固定在安装板５上，拉簧１２的两端分别连接到螺钉１和螺钉１３上.
图３㊀内部量尺D值测量原理
１,１３－螺钉;２－卡片;３－尺臂旋转轴套;４－尺臂旋转轴;
５－安装板;６－圆光栅;７－环形沟槽;８－轴孔;９－轴套;
１０－扭簧;１１－旋转轴;１２－拉簧;１４－尺臂连接板;
１５－尺臂;１６－测量头;１７－顶杆
图４㊀外部自动量尺结构
３．２㊀外部自动量尺的工作原理
如图４所示，外部自动量尺具有两根旋转轴，一根
１８
㊀２０２０年第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀戴基玉，等：车轮动平衡机内外自动量尺设计
是旋转轴１１，它平行于车轮动平衡机的主轴，当外部自动量尺工作时，依赖于这根轴旋转，其测得的宽度值保持不变；另一根是尺臂旋转轴４，它垂直于动平衡机的主轴，外部自动量尺测量的宽度值只与其围绕这根轴上旋转的角度有关.在尺臂旋转轴４轴上安装圆光栅６，只需测量尺臂转过的角度，在得到
A值的基础上再根据其安装位置即可算出车轮轮辋的宽度B值.
图５为外部自动量尺测量原理，现结合图４和图５说明外部自动量尺测量B值(轮辋宽度)的原理.测量时顶杆１７左端点被旋转尺臂１５顶在车轮右边轮辋外侧的校正面上，顶杆１７与测量头１６保持垂直关系并相对固定，旋转轴１１所在轴线与车轮轴线平行，此时根据圆光栅６输出的信号即可以得到尺臂１５旋转的角度γ.
由图５几何关系可知,L１＝L２ˑc o sγ＋L３ˑs i nγ，轮辋宽度B＝L－L１－A.其中,L为动平衡机箱体外侧面到尺臂旋转轴４的轴心的水平距离，由外部自动量尺的安装位置决定，为已知值;A值通过前述内部量尺已经测得;L２为圆光栅６轴心线到顶杆１７轴心线的距离，为已知;L３为顶杆１７的长度，也是已知.这样，根据上述算式即可间接求得轮辋宽度B值.
图５㊀外部自动量尺测量原理
４㊀结束语
所设计的内部量尺采用直线光栅配合圆光栅的方式自动测量A值和D值，取代了传统的钢丝㊁线轮㊁弹簧与电位器相结合的低精度的测量方式，使得内部量尺的结构大大简化，性能大大提高.内部量尺具有占用空间小㊁测量精度高㊁操作方便快捷㊁电脑系统自动采集数据而无需手工录入参数等优点.外部量尺采用
高精度的圆光栅自动检测尺臂的转角，电脑系统经过计算后自动获得轮辋的宽度B值，取代了传统的采用宽度夹尺测量轮辋宽度的低精度做法.外部量尺结构简洁，体积小，精度高，系统自动获取数据，无需手工输入.目前，笔者所设计的内外自动量尺均已投产试制.参考文献:
[１]㊀俞浩然．全自动车轮动平衡测量生产线控制系统设计和实现[D]．沈阳：东北大学,２０１６:１Ｇ５．
[２]㊀汪滨璋．车轮动平衡机测量结果的不确定度评定[J]．计量与测试技术,２００８(３):４３,４６．
[３]㊀隋敏，鲍国华．车轮动平衡机及其量值校准[J]．中国计量,２００８(３):７９Ｇ８１．
[４]㊀丁晨．专用大型车轮动平衡机研制[J]．现代测量与实验室管理,２００７(５):１０Ｇ１２,５０．
[５]㊀潘梦鹞，郇锐铁，王锋．车轮动平衡信息获取新技术[J]．林业机械与木工设备,２０１９(１１):４３Ｇ４５．
[６]㊀邹波，舒友全．车轮动平衡机测量不确定度评定[J]．科学咨询(科技 管理),２０１８(２):１１７．
[７]㊀罗礼培．汽车车轮平衡机及其检测[J]．汽车与配件,２０１４(５０):４８Ｇ５１．
[８]㊀冯维杰，陈为民，何红玲．基于S TM３２的车轮动平衡检测系统[J]．制造业自动化,２０１４(１４):１５Ｇ１８,２６．[９]㊀谢金龙，刘智翔．提高发动机曲轴自动平衡机测量稳定性的方法[J]．机械,２０１８,４５(４):４２Ｇ４５．
[１０]牛树锋．车轮动平衡机测量不确定度评定[J]．计量与测试技术,２０１２(１０):５２．
[１１]王稳．一种自动反馈功能的平衡控制装置设计[J]．机械,２０１７,４４(４):７７Ｇ８０．
[１２]郭有仁，张洪民．车轮㊁制动盘残余静不平衡量对轮对动平衡的影响[J]．铁道车辆,２００７(１):４０．
[１３]彭熙伟，李占宏，王洪，等．车轮动平衡的数字检测方法及其比较[J]．汽车工程,２００３(４):４１８Ｇ４１９,３２９．
[１４]牛国辉．车轮动平衡机不平衡显示值修正值的测量不确定度的评定[J]．装饰装修天地,２０１７(１９):１０９．
D e s i g no f I n t e r n a l a n d
E x t e r n a lA u t o m a t i cM e a s u r i n g S c a l e
f o rW h e e lD y n a m i cB a l a n c i n
g M a c
h
i n e
D A I J iＧy u,W A N GZ h e n g,L IW e nＧx u n,M
E IB oＧw e n,Z H A OZ h iＧh a o,W A N GY uＧl i n
(S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,H e f e iU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,H e f e i２３０００９,C h i n a)
A b s t r a c t:I no r d e r t oe n s u r et h ed y n a m i cb a l a n c eo f t h ew h e e l sw h e nt h ec a r i sd r i v i n g a th i g hs p e e d,ad y n a m i cb a l a n c et e s t i s r e q u i r e d．W h e n t h ed y n a m i cb a l a n c i n g m a c h i n e i su s e df o r t h ed y n a m i cb a l a n c i n g t e s to f t h ew h e e l,t h r e e p a r a m e t e r sn e e dt ob e m e a s u r e da n d i n p u t  t h e d i s t a n c e A f r o mt h e r i me d g e t o t h e s i d e o f t h e d y n a m i c b a l a n c i n g c a s e b o d y,t h e r i md i a m e t e r D a n d t
h e r i m w i d t h B．T h e t r a d i t i o n a lm e t h o do fm a n u a lm e a s u r e m e n t i s l o wi ne f f i c i e n c y a n da c c u r a c y．I n t h i s a r t i c l e,t h e i n n o v a t i v e d e s i g n o f t h e i n t e r n a l s c a l e f o rm e a s u r i n g A a n d D v a l u e s a n d t h e e x t e r n a l s c a l e f o rm e a s u r i n g
B v a l u e s a r e c a r r i e d o u t r e s p e c t i v e l y,a n d t h e d e t a i l e d s c h e m e s o f i n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n t o f A,D a n d B p a r a m e t e r s a r e p r o p o s e d．T h e l i n e a r g r a t i n g a n d t h e c i r c u l a r g r a t i n g a r e u s e d t om e a s u r e A v a l u e a n d D v a l u e a u t o m a t i c a l l y,a n d t h e h i g hＧp r e c i s i o n c i r c u l a r g r a t i n g i s u s e d t o d e t e c t t h e a n g l e o f t h e r u l e r a r m a u t o m a t i c a l l y,a n d t h e r i m w i d t h B v a l u e i s o b t a i n e da f t e r c a l c u l a t i o n．T h ed e s i g n e d i n t e r n a l a n de x t e r n a lm e a s u r i n g r u l e r s t r u c t u r e o c c u p i e s a s m a l l s p a c e,h i g hm e a s u r e m e n t a c c u r a c y,a n d c o n v e n i e n t a n d q u i c ko p e r a t i o n．
K e y w o r d s:a u t o m a t i cm e a s u r i n g s c a l e;w h e e l d y n a m i cb a l a n c i n g m a c h i n e;s e n s o r
２８ 机械工程与自动化㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年第４期㊀