При изготовлении шины и диска в силу технологических погрешностей их массы неравномерно распределены относительно оси вращения. Такое неравномерное распределение масс называется дисбалансом или неуравновешенностью. После сборки колеса его центр масс оказывается также не совпадающим с осью вращения. Для устранения этого явления на автомобильном заводе новые колеса перед установкой на автомобиль подвергают балансировке. Балансировка колеса в сборе - это процесс равномерного распределения массы колеса по окружности качения.
В процессе эксплуатации автомобиля балансировка колес, как правило, нарушается. Наиболее часто эти нарушения происходят вследствие неравномерного износа шин, их ремонта, некачественного демонтажа и монтажа шин и колес. В суммарной неуравновешенности колеса, установленного на автомобиле, доля неуравновешенности шин составляет до 75%, диска – до 20%, ступицы с тормозным барабаном – до 10%. Таким образом, до 90% всей неуравновешенности дает шина и диск.
Существует два вида дисбаланса: статический и динамический (рис. 2.67).
Рисунок 7. Виды дисбаланса:
а) статический дисбаланс; б) динамический дисбаланс. На рисунке буквами обозначено: ЦП - центральная плоскость вращения колеса; ГП - горизонтальная поверхность обода; ЗО - закраина обода.
При статическом дисбалансе масса колеса неравномерно распределена относительно оси вращения, при этом ось колеса и его главная центральная ось инерции параллельны. В статическом положении тяжелая часть колеса всегда окажется внизу. При вращении колеса за счет смещения центра масс возникает центробежная сила инерции FИ, равная по величине
F И = mּw2ּr,
где mּ- неуравновешенная масса колеса; w - угловая скорость вращения колеса;ּr - радиус расположения неуравновешенной массы.
При движении автомобиля статический дисбаланс вызывает биение колеса в вертикальной плоскости, возникает вибрация кузова, ослабевают крепления и сварочные соединения, увеличиваются зазоры в кинематических парах подвески.
Динамический дисбаланс – это неравномерное распределение массы колеса относительно центральной продольной плоскости качения колеса, при этом ось колеса и его главная центральная ось инерции пересекаются не в центре масс или перекрещиваются. При вращении колеса из–за наличия неуравновешенных масс возникает момент сил инерции, который определяется по формуле
Ми = m w2 r Z,
где Z – плечо сил инерции.
При движении автомобиля под действием динамической неуравновешенности происходит биение колеса в горизонтальной плоскости. На детали рулевого механизма (при дисбалансе передних колес), на подшипники ступицы действует знакопеременная высокочастотная нагрузка, и они интенсивнее изнашиваются. Характерным признаком такого дисбаланса является биение (вибрация) рулевого колеса при больших скоростях движения автомобиля.
Почти в 90% случаев автомобильное колесо, не прошедшее процесс балансировки, имеет оба вида дисбаланса. Любой вид дисбаланса вызывает пятнистый износ протектора.
Из–за проявления негативных последствий эксплуатации автомобиля с неуравновешенными колесами рекомендациями автомобильных заводов предусматривается проведение балансировочных работ после каждого демонтажа – монтажа шины; ремонта шины, камеры или диска; смены диска.
На СТОА и в автомастерских балансировка автомобильных колес производится на специальном оборудовании, которое называется балансировочными станками. Балансировочные станки по своему назначению относятся к группе технологического оборудования, предназначенного для проведения диагностики и регулировки объектов (в данном случае автомобильных колес). Они устанавливаются на рабочих местах шиномонтажных участков.
Как известно из теоретической механики уравновешивание вращающихся в подшипниках объектов производится для снижения или устранения динамических нагрузок, действующих на опоры. Оно может быть частичное и полное. При частичном уравновешивании вращающихся масс компенсируются только силы инерции, при полном - как силы, так и моменты сил инерции. Современные балансировочные станки позволяют производить полное уравновешивание (балансировку) автомобильных колес в сборе, при этом колеса могут быть установлены на автомобиле или сняты с него.
Рисунок 8. Угловое расположение уравновешивающих грузиков на диске колеса:
m0 – уравновешивающая масса грузика, устанавливаемого на внутренней стороне диска под углом α к горизонтальной оси, проходящей через контрольную точку А диска колеса; mT - уравновешивающая масса грузика, устанавливаемого на внешней стороне диска под углом β к этой же оси.
Процесс балансировки колеса основан на общей теории уравновешивания вращающихся масс, согласно которой полное уравновешивание достигается установкой в двух плоскостях на расстояниях r1 и r2 от оси вращения колеса двух уравновешивающих масс m0 и mТ с углами установки α; β относительно горизонтальной (или вертикальной) оси (рис. 8.). Для уравновешенного колеса будет справедливы следующие равенства векторов сил и моментов:
∑ FИ = FУ,
∑ МИ = МУ,
где FУ – вектор уравновешивающей силы, МУ – вектор уравновешивающего момента пары сил.
При балансировке колес плоскости уравновешивания, а также радиусы установки уравновешивающих масс обусловлены конструкцией колеса в сборе. Такими плоскостями являются плоскости, параллельные центральной плоскости вращения колеса и проходящие через внутренний и наружный края диска, а радиусы установки определены способом крепления уравновешивающих грузиков. При механическом креплении грузиков радиусы их установки равны расстоянию от оси вращения колеса до закраины обода диска, а при приклеивании грузиков - расстоянию от оси вращения колеса до горизонтальной поверхности обода (рис. 7.).
Таким образом, задача балансировки автомобильного колеса будет решена, если при диагностировании дисбаланса оборудование обеспечит определение неуравновешенных масс и угловое месторасположение уравновешивающих грузиков - на внешней плоскости – массой mт под углом b к условной оси X, проведенной через точку А диска колеса, на внутренней стороне – массой m0, установленной под углом a к этой же оси.
Для балансировки колес используют балансировочные станки (БС), классификация конструкций которых дана на рис. 9.
Рисунок 9. Классификация станков для балансировки автомобильных колес.
Стенды (станки) для балансировки колес, снятых с автомобиля. Стенды (в ряде случаев их называют станками) для балансировки колес, снятых с автомобиля, нашли широкое применение в шиномонтажных автомастерских и на специализированных участках СТОА. Широкая номенклатура и большой типоразмерный ряд моделей балансировочных стендов представлены на рынке оборудования для автосервиса значительным количеством отечественных и зарубежных производителей. Наиболее широко представлены станки для балансировки колес легковых автомобилей с горизонтально расположенным валом, электроприводом или ручным приводом и компьютерной обработкой диагностической информации (рис. 2.70).
Рисунок 10. Балансировочные станки для автомобильных и мотоциклетных колес:
а) модель Geodyna 980 фирмы HOFMANN (Германия) с 8 программами для различных типов шин и дисков легковых автомобилей и мотоциклетных колес; б) модели RAV GP 4.126 RAV GP 4.128 фирмы RAVAGLIOLI (Италия) с 12 программами для широкопрофильных и обыкновенных шин и различных типов дисков с быстродействующим пневматическим фиксатором колеса на валу.
Балансировочное оборудование может работать в одной из трех зон колебаний измерительной системы под действием сил инерции неуравновешенных масс: резонансной, зарезонансной и дорезонансной. Современные стенды работают в дорезонансной области колебаний, так как измерению подвергается не амплитуда колебаний колеса от неуравновешенных сил, а динамические реакции в подшипниках стенда. Вал станка с установленным на нем колесом раскручивается до определенной частоты (от 250 об / мин при ручном приводе, до 800 об / мин при электромеханическом), на которой фиксируется момент измерения сил, заданный программой вычислительной машины станка.
Функциональная схема балансировочного станка дана на рис.11. В вычислительную машину станка заносятся исходные данные диагностируемого колеса: диаметр и ширина шины, размеры и тип диска. Привод станка разгоняет вал, после чего привод отключается, а вал и колесо продолжают свободное вращение. В таком состоянии система вал – колесо представляет собой колебательную систему, совершающую свободные колебания под действием сил и моментов инерции, возникающих от имеющихся неуравновешенных масс колеса. В результате действия сил и моментов инерции в подшипниках вала стенда возникают динамические нагрузки. При вращении вала его частота фиксируется импульсным датчиком, динамические нагрузки в опорах вала измеряются пьезоэлектрическими датчиками, а местоположение дисбаланса определяется импульсно – частотным индуктивным датчиком, катушка которого охватывает диск с прорезями, закрепленный на валу станка. В вычислительную систему станка «вложены» программы расчета динамических реакций для различных колес (шин и дисков).
Величины Z1, Z2 определяются конструкцией оборудования, остальные задаются оператором.
После установления значения RA и RB и их направления (угол a относительно оси Х колеса) ЭВМ рассчитывает значение масс уравновешивающих грузов mу1 и mу2, которые должны быть установлены на колесе, и их местонахождение (a и b), чтобы динамические реакция ХА и ХВ стали равны нулю. При этом статические реакции от общего веса колеса не учитываются.
 |
Рисунок 11. Комбинированная (кинематическая и структурная измерительная) схема станка для балансировки колес, снятых с автомобиля:
1, 3 – пьезодатчики усилия; 2 – задатчик исходных данных по колесу и диску (ширина, диаметр, масса); 4 – сравнивающее устройство; 5 – ЭВМ; 6 – табло с указанием уравновешивающих масс Р1 и Р2 (7) и светодиодами (8), указывающими на угловое расположение масс Р1 и Р2; Тах – датчик скорости и положения вала.
Информация заполняется и выдается на табло в виде цифр – масс уравновешивающих грузов, и в виде светового сигнала, указывающего на какое место диска их надо крепить.
Для точной балансировки необходимо не только надежно зафиксировать колесо на балансировочном стенде, но и точно его центрировать, то есть совместить реальную ось вращения колеса (ось, относительно которой колесо вращается на ступице автомобиля) и ось вращения вала станка. Существует несколько способов центрирования колеса на оси стенда (рис 12).
Рисунок 12. Способы и устройства центрирования колеса на валу балансировочного станка:
а) центрирование колеса конусным адаптером по центральному отверстию;
б) центрирование колеса по крепежным отверстиям винтовым зажимным устройством;
в) центрирование колеса по крепежным отверстиям фланцевым зажимным устройством;
г) центрирование колеса по центральному и крепежным отверстиям винтовым зажимным устройством;
1- колесо; 2-зажимное устройство; 3- вал балансировочного стенда; 4- конический адаптер; 5-фланцевый адаптер; 6- фланцевый адаптер для колес без центрального отверстия; 7- цанговый адаптер.
 |
По центральному отверстию (а) колеса центрирование осуществляется конусным адаптером (4) с внешней или внутренней стороны диска (1). Конусный адаптер применяется в основном для стальных штампованных колес и в случае, когда поверхность центрального отверстия не имеет следов коррозии и износа. Этот способ может не обеспечить хорошего центрирования из-за невысокой точности изготовления центрального отверстия. Однако он получил, широкое распространение благодаря тому, что один и тот же конус позволяет устанавливать колеса с различными размерами центрального отверстия (уменьшает время установки колеса).
По крепежным отверстиям (б и в) центрирование колеса осуществляется фланцевым адаптером (5). В большинстве случаев для облегчения попадания фланцевого адаптера в крепежные отверстия применяется конический адаптер, который при закручивании зажимного устройства (2) утапливается во фланец вала стенда. Этот способ обеспечивает высокую точность, так как колесо центрируется так же, как и на ступице автомобиля. Необходимость перенастройки адаптера для центрирования колеса с другими размерами несколько увеличивает время работы. Если колесо не имеет центрального отверстия или его диаметр меньше диаметра резьбовой части вала станка (3), используются специальные фланцевые адаптеры (6), позволяющие, закреплять колесо с внутренней стороны. По центральному и крепежным отверстиям (г) центрирование производится одновременно фланцевым и цанговым (7) (саморазжимающимся) адаптерами. Этот способ обеспечивает наибольшую точность центрирования на легкосплавных колесах, имеющих точную механическую обработку центрального отверстия.
Для уравновешивания дисбаланса колеса применяются различные виды балансировочных грузиков. Грузики с крепежной скобой устанавливаются на закраину обода. На легкосплавных дисках колес желательно применять грузики со специальным покрытием, предотвращающим возникновение коррозии в месте контакта двух разных металлов. Неаккуратная установка грузиков с крепежной скобой может привести к повреждению лакокрасочного покрытия диска колеса.
Помимо "универсальных" грузиков со скобой выпускаются грузики, предназначенные для колес автомобилей конкретных автопроизводителей. Они отличаются от "универсальных", в первую очередь, формой и размером крепежной скобы. Например, существуют грузики для колес фирм-производителей Японии (Тоуоtа, Ноndа и т.д.), Франции (Rеnаult, Реugеоt и т.д.), фирм ВМW, Ореl и т.д.
Чем дальше от оси вращения колеса находится балансировочный грузик, тем большую величину дисбаланса он может компенсировать. Поэтому для устранения одной и той же величины дисбаланса требуется меньший вес грузиков с крепежной скобой по сравнению с самоклеющимися грузиками.
Самоклеющиеся грузики наклеиваются на внутреннюю поверхность обода, расположенную горизонтально. Установка на вертикальную или расположенную под углом к горизонту поверхность может привести к их отрыву во время движения.
Эти грузики применяются в основном для легкосплавных дисков колес, когда конструкция обода не позволяет разместить грузик с крепежной скобой на закраине, при балансировке дисков со спицами и т.д. Поверхность колеса, на которую устанавливаются самоклеющиеся грузики, должна быть тщательно очищена и обезжирена.
Кроме стандартных самоклеющихся грузиков существуют тонкие самоклеющиеся грузики. Тонкие грузики используются при балансировке колес, которые невозможно отбалансировать стандартными самоклеющимися грузиками из-за небольшого расстояния между тормозными механизмами автомобиля и местом установки грузика на колесе (стандартные грузики задевают за тормозные механизмы автомобиля при вращении колеса). Как правило балансировочные грузики выпускаются весом кратным 5 граммам.
Стенды для балансировки колес на автомобиле. Эти с тенды предназначены для экспресс - диагностирования автомобилей на участках диагностики СТОА и могут быть использованы для финишной балансировки колес, так как при уравновешивании учитываются все вращающиеся элементы колеса: шина, диск, ступица, тормозной диск, крепежные детали колеса и подшипники.
Стенд представляет собой мобильную моноблочную конструкцию с подключаемым через электрический кабель выносным одним или двумя датчиками вибрации (рис.13). Стенды с двумя датчиками дают возможность проводить балансировку одновременно двух колес одной оси. В некоторых моделях стендов имеется дистанционный пульт, позволяющий управлять стендом и снимать диагностическую информацию на расстоянии
В корпусе стенда расположен электропривод разгонного шкива с двухскоростным электродвигателем, электромагнитный тормоз шкива, электронный блок, панель управления с показывающими приборами или ЖК – дисплеем и импульсный излучатель стробоскопического типа, работающий в видимой или инфракрасной области частот электромагнитных волн. Разгонный фрикционный шкив имеет специальный профиль, позволяющий иметь надежный контакт со всеми типами колес.
Рисунок 13. Балансировочный стенд Prestige для балансировки колес на автомобиле фирмы Faip (Малайзия)
Функциональная схема стенда дана на рис. 14. Процесс диагностики и балансировки колеса проводится в два этапа. Сначала устраняется статический дисбаланс колеса, затем – динамический. Принцип работы заключается в измерении амплитуды и частоты собственных колебаний колеса, установленного на автомобиле.
Рисунок 14. Функциональная схема балансировочного стенда для балансировки колеса на автомобиле:
1 – разгонный шкив; 2 – стробоскопический излучатель; 3 – индикатор (стрелочный прибор или ЖК – индикатор); 4 – колесо; 5 – тормозной щит; 6 - рычаг подвески; 7 – датчик измерения амплитуды колебаний.
Вывешенное колесо раскручивается приводным разгонным шкивом 1 стенда до частоты, соответствующей скорости движения автомобиля 120 – 170 км /ч. Затем тележка стенда отводится от колеса. При устранении статического дисбаланса датчик 7 контактирует с нижним рычагом подвески, а при динамической балансировке – с тормозным щитом 5. Колебания колеса преобразуются датчиком в электрические сигналы. В электронный блок стенда поступают импульсы от самых нижних точек амплитудно – частотной синусоиды, соответствующих моментам прохождения неуравновешенной массы через плоскость установки датчика. По величине амплитуды электронный блок рассчитывает необходимую массу уравновешивающих грузиков, а по фазе – место расположения грузиков относительно ранее нанесенной метки на колесо. При устранении статического дисбаланса грузики, массами равными половине уравновешивающей массы, крепятся по обе стороны диска на одной угловой отметке, чтобы не вызвать динамического дисбаланса, а при динамической балансировке - с двух сторон диска по диагонали, чтобы не вызвать статического дисбаланса.
В приложении Ж представлены технические характеристики стендов для балансировки колес как на автомобиле, так и снятых с него.