黃偉城

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310013)

0 引言

輪胎花紋的主要作用就是增加輪胎面和路面的摩擦力，以防止車輪打滑，保證車輛動(dòng)力性、制動(dòng)性和轉(zhuǎn)向操作性，對(duì)車輛的行駛安全起到重要保證作用。輪胎花紋深度尺分為機(jī)械式和數(shù)顯式，在使用中將深度測(cè)量桿插入輪胎花紋溝中，可以測(cè)出輪胎花紋的深度。目前還沒有輪胎花紋深度尺計(jì)量檢定規(guī)程和計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范，根據(jù)其幾何量特性主要包括：標(biāo)尺標(biāo)記寬度和寬度差、測(cè)量面的表面粗糙度、測(cè)量面的平面度、零值誤差、示值變動(dòng)性、漂移和示值誤差。本文將對(duì)輪胎花紋深度尺的計(jì)量特性給出檢測(cè)方法，并對(duì)示值誤差的測(cè)量結(jié)果不確定度進(jìn)行評(píng)定。

1 輪胎花紋深度尺的檢測(cè)方法

1.1 檢測(cè)項(xiàng)目和主要標(biāo)準(zhǔn)器

輪胎花紋深度尺如圖1所示，根據(jù)輪胎花紋深度尺計(jì)量特性的要求，檢測(cè)項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)器及其它設(shè)備如表1所示。

1.尺框；2.尺身；3.游標(biāo)尺；4.測(cè)量面圖1 輪胎花紋深度尺

表1 檢測(cè)項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)器及其它設(shè)備

1.2 檢測(cè)方法

首先檢查外觀以及各部分相互作用情況，確定沒有影響計(jì)量特性的因素后再進(jìn)行檢測(cè)。

1.2.1 標(biāo)尺標(biāo)記的寬度和寬度差

在讀數(shù)顯微鏡上檢測(cè)，輪胎花紋深度尺應(yīng)分別在主標(biāo)尺和游標(biāo)尺上至少各抽測(cè)3條標(biāo)記測(cè)量其寬度。標(biāo)記寬度差,以受檢測(cè)標(biāo)尺標(biāo)記中最大值與最小值寬度之差來確定。

1.2.2 測(cè)量面的表面粗糙度

用0.4μm表面粗糙度比較樣塊進(jìn)行比較測(cè)量，被檢測(cè)的測(cè)量面表面粗糙度一般要超過表面粗糙度比較樣塊。

1.2.3 測(cè)量面的平面度

輪胎花紋深度尺的尺框測(cè)量面和尺身測(cè)量面位于同一平面時(shí)的平面度用刀口形直尺以光隙法比較測(cè)量。輪胎花紋深度尺測(cè)量時(shí)，先將尺框測(cè)量面置于1級(jí)檢驗(yàn)平板上，移動(dòng)尺身使其測(cè)量面與檢驗(yàn)平板接觸，使尺框測(cè)量面和尺身測(cè)量面處在同一平面。測(cè)量時(shí)，在輪胎花紋深度尺尺框和尺身測(cè)量面的公共面的長邊、短邊和對(duì)角線位置上進(jìn)行(如圖2所示)。其平面度根據(jù)各方位的間隙情況確定。

注：虛線為測(cè)量位置圖2 平面度測(cè)量位置

1.2.4 零值誤差

將尺框測(cè)量面與尺身測(cè)量面同時(shí)與檢驗(yàn)平板接觸，用目力觀察其重合度。必要時(shí)，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量。

1.2.5 示值變動(dòng)性

對(duì)于數(shù)顯輪胎花紋深度尺，將基準(zhǔn)面與檢驗(yàn)平板接觸，移動(dòng)尺身，使輪胎花紋深度尺測(cè)量面與檢驗(yàn)平板接觸。重復(fù)檢測(cè)5次并讀數(shù)，示值變動(dòng)性以最大值與最小值的差值為檢測(cè)結(jié)果。

1.2.6 漂移

目力觀查。在1h內(nèi)每隔15min觀察1次，記錄實(shí)測(cè)值，取最大漂移量的絕對(duì)值作為檢測(cè)結(jié)果。

1.2.7 示值誤差

用5等量塊測(cè)量，檢測(cè)點(diǎn)的分布應(yīng)均勻分布在主標(biāo)尺和游標(biāo)尺的三個(gè)位置上，間隔設(shè)置不少于3點(diǎn)，如測(cè)量范圍0～30mm，分度值為0.1mm的輪胎花紋深度尺，檢測(cè)點(diǎn)可設(shè)置為10.2mm、21.5mm、29.8mm。

測(cè)量時(shí)，按受檢尺寸依次將兩組同一尺寸的量塊平行放置在1級(jí)平板上，使基準(zhǔn)面的長邊和量塊工作面的長度方向垂直接觸，再移動(dòng)尺身，使其測(cè)量面和檢驗(yàn)平板接觸，測(cè)量時(shí)，量塊應(yīng)分別置于基準(zhǔn)面的里端和外端二個(gè)位置，如圖3所示。輪胎花紋深度尺的測(cè)量面和基準(zhǔn)面與量塊表面接觸應(yīng)能正?；瑒?dòng)。

圖3 輪胎花紋深度尺示值誤差測(cè)量位置示意圖

輪胎花紋深度尺示值與量塊實(shí)際尺寸之差即輪胎花紋深度尺的示值誤差

Δi=Li-Lj

(1)

式中，Δi為示值誤差，mm；Li為輪胎花紋深度尺示值，mm；Lj為量塊實(shí)際尺寸，mm。

2 輪胎花紋深度尺測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

2.1 概述

2.1.1 環(huán)境條件：溫度(20±5)℃，相對(duì)濕度不大于80%。

2.1.2 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)： 5等量塊。

2.1.3 檢測(cè)過程：下面對(duì)分度值為0.1mm，測(cè)量范圍0～30mm的輪胎花紋深度尺的示值誤差進(jìn)行測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)定。

2.1.4 目標(biāo)不確定度UT

根據(jù)JJF 1094—2002《測(cè)量儀器特性評(píng)定技術(shù)規(guī)范》中5.3.1.4規(guī)定，評(píng)定輪胎花紋深度尺示值誤差的擴(kuò)展不確定度U(k=2)與其示值最大允許誤差的絕對(duì)值MPEV之比，應(yīng)小于或等于1:3，即

根據(jù)GB/T 21388—2008要求，分度值為0.1mm,測(cè)量范圍0～500mm的游標(biāo)類深度卡尺最大允許誤差為±0.1mm,所以輪胎花紋深度尺技術(shù)指標(biāo)與其相同。由上可以得到與輪胎花紋深度尺技術(shù)要求相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)不確定度UT如表2所示。

表2 目標(biāo)不確定度UT

2.2 模型

輪胎花紋深度尺的示值誤差e：

e=Lc-Lb+Lc·ac·Δtc-Lb·ab·Δtb

(2)

式中， Lc為輪胎花紋深度尺的示值(20℃條件下)；Lb為量塊的實(shí)際尺寸(20℃條件下)；ac、ab分別為輪胎花紋深度尺和量塊的線膨脹系數(shù)；Δtc、Δtb分別為輪胎花紋深度尺和量塊偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃的值。

2.3 相關(guān)性和靈敏系數(shù)

由于Δtc和Δtb基本是采用同一只溫度計(jì)測(cè)量而具有相關(guān)性，其數(shù)學(xué)處理過程比較復(fù)雜，為了簡化數(shù)學(xué)處理過程，需要通過如下方法將相關(guān)轉(zhuǎn)化為不相關(guān)。

令

δa=ac-abδt=Δtc-Δtb

由公式(1)就得到如下示值誤差的計(jì)算公式：

e =Lc-Lb+Lc·ac·Δtc-Lb·ab·Δtb

=Lc-Lb+Lc·(δa+ab)·Δtc-Lb·ab·δtb

=Lc-Lb+Lc·δa·Δtc+Lc·ab·Δtc-Lb·Δtb

取L≈Lc≈Lb；a≈ac≈abΔt≈Δtc≈Δtb

得

e=Lc-Lb+L·δa·Δt·+L·a·δt

(3)

由公式(2)可以看出，各變量之間彼此不相關(guān)

u1、u2、u3、u4分別表示Lc、Lb、δa、δt的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量來源與評(píng)定

2.4.1 輪胎花紋深度尺的對(duì)線誤差引起的不確定度分量u1

對(duì)于分度值為0.1mm的輪胎花紋深度尺，其對(duì)線誤差分布區(qū)間為0.05mm，半寬為0.025mm；均勻分布，由公式得：

2.4.2 檢定用5等量塊估算的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

根據(jù)JJG146-2011《量塊》規(guī)定，5等量塊中心長度的擴(kuò)展不確定度：

U99=0.5μm+5×10-6ln，估計(jì)為正態(tài)分布，對(duì)應(yīng)99%置信區(qū)間的包含因子k=2.6,故:

L=30mm

2.4.3 輪胎花紋深度尺和量塊的熱膨脹系數(shù)差估算的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

由于材料性質(zhì)的差異，兩種材料熱膨脹系數(shù)界限在(11.5±1)×10-6/℃的范圍內(nèi)服從均勻分布，則δa的區(qū)間半寬為2×10-6/℃，服從三角分布，測(cè)量尺寸為L，偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度的范圍是±5℃，校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下：

L=30mm

2.4.4 輪胎花紋深度尺和量塊間的溫度差估算的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4

輪胎花紋深度尺和量塊間存在溫度差，以等概率落于區(qū)間±0.5℃內(nèi)任何處，其區(qū)間半寬為0.5℃，測(cè)量尺寸為L和線膨脹系數(shù)11.5×10-6/℃-1，校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下：

L=30mm

=0.10μm

2.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

2.5.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量和靈敏系數(shù)一覽表

2.5.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

由于以上輸入量估計(jì)值之間彼此獨(dú)立不相關(guān)，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

=15μm

2.6 擴(kuò)展不確定度

U=k×uc

取包含因子k=2，則

U=15μm×2=30μm=0.03mm

2.6 擴(kuò)展不確定度概算討論

測(cè)量不確定度概算表明：

U=0.03mm

測(cè)量不確定度合格判據(jù)U≤UT，本測(cè)量可行。

注：數(shù)顯輪胎花紋深度尺示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度可參照進(jìn)行評(píng)定。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)輪胎花紋深度尺幾何量參數(shù)的檢測(cè)所采用的檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)方法及測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定等分析研究，解決了目前開展輪胎花紋深度尺測(cè)量方法和測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定的問題，綜合實(shí)際在設(shè)備檢測(cè)中的經(jīng)驗(yàn)，以上技術(shù)指標(biāo)能滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB5608-1991《輪胎花紋深度尺》的要求，因此本文檢測(cè)方法有效。該方法操作簡便、準(zhǔn)確度高，可做為計(jì)量技術(shù)人員檢測(cè)輪胎花紋深度尺的技術(shù)參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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