轮毂动平衡与跳动的工程信号检测技术研究

第 1 章 绪论1.1 汽车轮毂发展现状及发展趋势分析随着车辆的普及化，汽车配件也越来越被消费者需求。汽车轮毂是汽车零部件的一个重要构成部分，随着中国汽车产业的快速的发展，汽车轮毂制造业及售后业务逐渐发展起来。近几年以来，以拉动内需为主的宏观经济政策，为汽车行业的稳步发展提供了基础和保证。2021 年汽车产销分别完成 2450.33 万辆和2459.76 万辆，比上年分别增长 3.25%和 4.68%。根据最新预测，2021 年我国汽车销量将继续保持增长，有望突破 2600 万辆，汽车产销继续保持世界第一地位。由于近几年经济的稳定增长，汽车产销获得了较大增长，从长期来看，我国 GDP 的快速增长将会给汽车行业带来广阔的发展空间，而汽车轮毂的需求量也将随汽车销量的增长而增长。我国轮毂产业的发展比较晚，只有短短二十几年历史，是一个新兴产业，但发展很快。在快速发展过程中，轮毂行整体散、乱、差情况也比较严重。当前，国内具有大规模生产轮毂的企业不是很多，越来越多的企业加入到轮毂行业，竞争与日俱增。随着汽车制造业的壮大，未来轮毂行业将会不断洗牌，进行行业资源整合，优劣势互补提高市场竞争力是必然之趋势。据中国产业调研网对于轮毂市场的预测报告显示，我国居民目前汽车占有量低于发达国家但购买力快速增长，未来几年内我国汽车行业将保持持续快速的发展，汽车生产和销售的有望突破 5000 万辆。这将会对轮毂制造业和售后维修市场带来四百多亿的市场。随着汽车行业的壮大，我国国产汽车竞争力也持续提升，以哈佛 H6 为例，连续多年保持 SUV 市场第一地位，未来随着国产汽车国际竞争力的持续提升，预计轮毂出口将要突破一百亿元，继续保持快速发展。..........1.2 课题研究的意义轮毂行业是集资金、劳动、技术于一身的行业，生产技术、工艺控制要求高、难度大。在这样的前提下，轮毂行业应当实现生产制造的集中化，减少物流成本和资金的积压，行成完整的汽车生产生态链。当前，许多外资企业正在加紧布局我国汽车市场，要实现汽车国产化，就要提高设计开发和制造汽车产品的能力，走制造、开发、研究创新的发展路径，才能不被国外企业吃掉。汽车轮毂（如图 1.1 所示）是汽车的关键零部件之一，轮毂质量的好坏直接影响汽车行驶的安全性。一个合格的轮毂必须经过跳动量以及动平衡检测才能投放到市场，其中轮毂的跳动量检测指从几何形状上分析轮毂制造质量。跳动分径向跳动及轴向跳动，径向跳动直接影响乘座的舒适性和安全性。跳动是一项重要的轮毂性能标志，很多企业对跳动参数要求特别严格，制定了一些行业标准，国家也发布了跳动的相关检测标准。跳动量过大会引起轮胎磨损量的增大、轮胎泄气，导致汽车振动，降低乘车的舒适性，甚至造成一些交通事故。由于轮毂工艺和轮毂材料的原因，任何一个轮毂的质量分布不可能绝对的均匀，质量的不均匀分布产生离心力，引发汽车在行驶现实下产生振动。动平衡技术就是减少或者消除轮毂质量不均匀引起的振动，具体来说，就是在轮毂相应位置上增加或者减少一定的质量尽可能的实现轮毂质量的均匀化。轮毂动不平衡将会增大车轮磨损，使车产生振动，引起汽车零部件的破坏，降低汽车寿命，甚至引发交通事故。因此，轮毂动平衡的检测对延长汽车的寿命，增加乘车舒适度以及预防交通事故有着重要的意义，............第 2 章 汽车轮毂动平衡分析与检测一般情况下轮毂的质量分布不可能是绝对的均匀，产生质量不均匀的原因基本可以归结为轮毂制造误差、轮毂材料误差和轮毂装配误差三类。如果轮毂质量对其旋转轴线分布不均匀、不对称（即中心主惯性轴与旋转轴线不重合），那么不平衡会是存在的，在轮毂转速较高时，不对称（平衡）质量产生垂直于主惯性轴的离心力比较大。根据理论力学可以把不平衡质量引起的离心力向轮毂内外两个面进行力的合成，如果这两个合成力的大小相等、方向相反，我们称他们形成力偶，力偶的存在使得轮毂静态现实下的不平衡质量很难测量和发现，但是在轮毂转动的情况下，力偶会对旋转轴产生横向干扰并引起振动，所以汽车轮毂需要进行动平衡检测。2.1 平衡的分类从测量原理来说，可以将动平衡划分为软支撑动平衡和硬支撑动平衡，软支撑动平衡支撑系统刚性较小，动平衡转速高于转子支承系统的固有频率，振幅与质量的偏心成正比，软支撑动平衡受外界振动信号影响小，以测量振动的方式测不平衡；硬支撑动平衡支撑系统刚性大，动平衡转速低于转子支承系统的固有频率，振幅与离心力成正比，硬支撑动平衡操作简易方便，以测力的方式检测不平衡。根据平衡的方法可以分为单面平衡（静平衡）和双面平衡（动平衡），单面平衡指的是在转子的一个较正面上进行校正平衡以保证转子在静态时不平衡质量在规定的范围内，双面平衡指的是在转子的两个较正面上同时进行校正平衡以保证转子的不平衡质量在规定的范围内。根据动平衡时被平衡转子旋转轴线的方向可以把动平衡机划分为立式动平衡机和卧式动平衡机，立式动平衡机被测转子旋转主轴垂直于动平衡机，常用于飞轮、卡盘等动平衡，卧式动平衡机被测转子旋转主轴水平于动平衡机，常用于鼓风机、大型电机转子等动平衡；根据动平衡的应用场合可以分为通用动平衡机和专用动平衡机，通用动平衡机的使用的范围比较广，可以适应多种转子动平衡测量，专用动平衡机是对于某一固定转子测量而专门设计的动平衡机。...........2.2 汽车轮毂动平衡的测量原理汽车轮毂在主轴的驱动下旋转，如果轮毂的质量分布对其旋转轴线而言不均匀不对称（轮毂主惯性轴与轮毂旋转轴线不重合），旋转时不平衡质量产生的离心力会引起轮毂主轴的振动，振动信号通过力传感器负载的变化转换成电信号，信号经过预处理后传给 PC 机，然后通过求解特征方程来计算轮毂上缘和轮毂下缘的不平衡质量的大小和所在位置，并同时求出静不平衡量和偶不平衡量的大小和角度。测试系统由机械部分和测控部分组成，测控部分主要由双路拾振器，光电传感器，信号调理模块，PCI8620 数据采集卡和上位机工控机等组成。传感器输出的为弱电信号，经放大、滤波处理后送入 PCI8620 数据采集卡、上位机测试软件对这些数据进行相关算计算，最终得出不平衡量特征参数。其整体设计如图 2.5 所示。汽车轮毂动平衡检测系统主要由机械系统、测量系统、标记系统、微机控制系统等部分组成。系统工作流程是：当检测到汽车轮毂精确装夹后，下位机系统控制伺服电机转动，电机带动主轴快速旋转，上位机检测到轮毂转速达到规定的工作转速后，系统开始对振动信号进行采集，然后计算机利用相关算法计算出不平衡质量的大小和相位。下位机控制伺服电机准确定位到不平衡量标记位置，并对轮毂主轴进行锁死，此时启动步进电机进行不平衡量位置的标记。............第 3 章 汽车轮毂跳动分析与检测.........143.1 跳动的分类 ............143.2 汽车轮毂跳动的测量原理 ........153.2.1 汽车轮毂跳动测量过程............173.2.2 测试位置的选择.............183.3 本章小结 ......19第 4 章 测试信号处理方法研究.............204.1 动平衡信号处理方法研究 ........204.2 跳动信号处理方法研究............ 334.3 本章小结...... 39第 5 章 系统软件设计和功能实现 ........405.1 系统启动...... 405.2 系统介绍...... 415.3 系统初始化............ 435.4 数据库技术............ 485.5 数据采集模块........ 545.6 数字滤波和频域分析技术........ 575.7 本章小结...... 60第 5 章 系统软件设计和功能实现前几章己经就测试系统的测量方法、硬件组成等部分做了详细介绍，对测试系统的硬件合理的设计完成之后，接下来的主要任务就是上位机测试软件的制作。上位机系统软件是测试系统的重要组成部分，控制整个测试系统有序进行，它与硬件设计同等重要甚至有时会超越硬件，因为硬件一经完成后，改动比较困难，而软件则可以随着研究的深入而逐步完善，有时可以通过上位机系统软件实现一些功能来弥补硬件上的一些缺陷[36]。本文轮毂动平衡和跳动信号的测量、输出和显示功能等都是通过软件（Visual Basic）来实现的。测试系统软件设计的结构、执行效率关系到整个系统是否能够正常和可靠运行及性能的优劣。因此，所设计的软件不但应该满足测试系统的使用要求，而且应该具有高度的可维护性和扩充性。Visual Basic 是一种由 Microsoft 公司开发的结构化的、模块化的、面向对象的、包含协助开发环境的事件驱动为机制的可视化程序设计语言，这是一种可用于微软自家产品开发的语言[37]。它是在 BASIC 编程语言的基础上，经过各种版本的不断改进和完善，发展起来的一种可视化编程语言。VB 拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻易的使用 DAO、RDO、ADO 连接数据库，或者轻松的创建 Active X 控件[38]，是目前国内外最优秀、最流行的程序设计语言之一[39]。

..........结 论本文应用了数字信号处理技术、虚拟仪器技术和计算机控制技术，研究并开发了自动线上汽车轮毂动平衡与跳动检测系统，实现了汽车轮毂生产线上轮毂的残余不平衡量和跳动量的在线检测。经实验验证本测试系统精度、效率高，可以适应各种轮毂型号的全自动在线检测，为今后轮毂动平衡和跳动检测提供了理论和技术支持，为研制开发具有完全自主知识产权的高精度轮毂动平衡及跳动检测设备指出了一条切实可行的途径,对提高轮毂质量有重要意义和实际应用价值。主要完成的研究结论如下：1、研究了汽车轮毂动平衡和跳动测试理论，建立测试系统数学模型，分析了影响系统不平衡量分离、跳动解算和系统稳定性的关键因素，选择最佳校正面、测试点对轮毂动平衡和跳动信号进行检测分析。2、深入研究采样信号抗干扰技术，对粗大误差进行剔除，在硬件上设计了自动跟踪滤波器，实现了在不同转速下测试信号的自动滤波功能，在软件上设计了数字滤波器（限幅滤波、算术平均值、中值滤波），实现测试信号的平滑滤波功能。3、系统研究了不平衡和跳动信号的提取方法和数据采样技术，提出了降低提取误差的策略。并设计了可控增益器，实现小信号的自动放大，提高了小信号的测量精度和稳定性，减小了动平衡测试最小可达剩余不平衡量，降低了外界环境对跳动信号的干扰。4、研究了影响系数法，基于黑箱理论，利用动平衡系统中校正质量和被测不平衡量之间的线性关系对轮毂进行模型标定，同时建立了轮毂偏心和气门嘴质量的补偿模型。5、研究了微位移测量技术，从轮毂跳动理论基础入手，确定轮毂跳动的检测方法，利用傅里叶级数对跳动信号进行频域分析。6、基于 Visual Basic 可视化程序设计语言实现测试系统的软件开发，综合运用数据库技术实现测试数据的科学化管理。经实验验证，本测试系统人机界面友好，系统操作、反应快，稳定性良好，可维护性和扩充性能高，满足汽车轮毂自动生产线上动平衡和跳动信号的检测技术要求，具有一定的实用价值和市场前景。..........参考文献（略）