王希光，王克先，閆國強，劉信忠

（1.北京橡膠工業(yè)研究設計院有限公司，北京 100143；2.中策橡膠集團股份有限公司，浙江 杭州 310018）

輪胎均勻性和動平衡測試是輪胎出廠前質量控制的重要手段，反映了輪胎在負荷下運轉的力學性能波動和輪胎在動態(tài)下的質量不平衡性，對車輛行駛的舒適性、安全性、操控性等有著重要影響，對輪胎質量檢驗、質量分級、不合格品控制起到了重要作用，因此受到汽車和輪胎行業(yè)的廣泛關注。輪胎均勻性和動平衡測試多是通過均勻性和動平衡試驗機，在生產線上的最后一環(huán)對輸送下線的輪胎自動進行測試。線上連續(xù)作業(yè)、測試試驗量大是輪胎均勻性和動平衡測試的重要特點，因此對測試技術和裝備的準確性、可靠性要求較高，否則將直接增大輪胎質量成本、生產成本和時間成本。

1 輪胎均勻性和動平衡測試技術簡介

廣義的輪胎不均勻性可以歸因為3個方面，一是尺寸偏差，二是質量不平衡，三是力波動[1]。輪胎尺寸偏差由不圓度表征，質量不平衡由動平衡表征，力波動由均勻性表征。以下介紹輪胎均勻性和動平衡測試技術。

1.1 輪胎均勻性測試

輪胎在旋轉下產生力的不均勻性。輪胎不均勻性由2個力的變量和2個力表征，它們是徑向力變量和側向力變量（測試原理見圖1），角度效應力和錐度效應力（測試原理見圖2）。徑向力變量是輪胎在固定負荷半徑和恒定速度下，每轉一周自身反復出現(xiàn)的徑向力變化值；側向力變量是輪胎在固定負荷半徑和恒定速度下，每轉一周自身反復出現(xiàn)的側向力變化值。錐度效應是指不因輪胎旋轉方向改變而改變方向的側向力偏移，這個方向是在輪胎制造過程中產生的；角度效應是指隨著輪胎旋轉方向的改變而改變方向的側向力偏移，這個方向是由輪胎的帶束層引起的。由于輪胎在制造過程中其結構與材料已決定這些因素，因此這些力及其變量將伴隨著輪胎直到損壞為止[2-3]。

輪胎均勻性測試是通過輪胎均勻性試驗機，利用多分量傳感器測量轉鼓模擬路面上充氣輪胎在一定負荷下運轉而產生的徑向力和側向力波動，通過記錄這些力學變化的連續(xù)波形信號，再將采集的數(shù)據(jù)由傅里葉變換等處理而得到試驗結果。

1.2 輪胎動平衡測試

質量分布不均會使輪胎產生不平衡以及導致車輛在行駛過程中產生振動。動平衡試驗機能夠檢測輪胎不平衡量，從而能夠實現(xiàn)對輪胎質量分布不均進行修正。不平衡可分為靜不平衡和偶不平衡。靜不平衡量可以用1個試重平均分配到輪胎2個面來模擬，靜不平衡是車輛在高速行駛過程中駕乘人員能夠感覺到的車輛跳躍。偶不平衡則是相對于輪胎中心線形成了一對大小相等、方向相反的力偶，偶不平衡可以用2個質量相等的質子對稱分布于輪胎的2個面上來表征，它是車輛在高速行駛過程中駕乘人員能夠感覺到的車輛在擺動。動不平衡就是靜不平衡與偶不平衡的組合。而校正面不平衡則是為了抵消不平衡量而定義的，將不平衡量等效到上下校正面，方便消除修正不平衡質量[1，4]。各類不平衡受力原理見圖3。

輪胎動平衡測試是通過輪胎動平衡試驗機，基于離心力原理測量充氣輪胎在一定轉速不平衡質量下產生的離心力對輪軸的反作用力，通過輪軸上下2個傳感器測量值計算力和力矩，得到靜不平衡量與力偶不平衡量，再等效計算到上下校正面，得到上下校正面的不平衡量。

2 我國輪胎均勻性和動平衡測試有關標準

正因輪胎均勻性和動平衡指標對輪胎質量起著重要作用，近年來形成了較為完備的輪胎均勻性和動平衡測試標準體系，目前我國現(xiàn)行的輪胎均勻性和動平衡測試有關標準如表1所示。

表1 我國現(xiàn)行的輪胎均勻性和動平衡測試有關標準Tab.1 China’s current relevant standards for tire uniformity and dynamic balance testing

以上標準中試驗方法標準2項，設備產品標準2項，國家計量技術規(guī)范2項，選胎方法標準2項。2項試驗方法標準的目的是指導和規(guī)范有關試驗操作人員對輪胎進行動平衡和均勻性測試；2項設備產品標準的目的是指導和規(guī)范有關橡塑機械設備制造企業(yè)對輪胎均勻性和動平衡試驗設備進行出廠檢驗與型式檢驗；2項國家計量技術法規(guī)的目的是指導和規(guī)范計量機構和用戶對輪胎均勻性和動平衡試驗機進行計量溯源和正確使用；2項選胎方法標準則是對以上標準中用于核查、檢驗、校準等的輪胎給出選擇方法以及相應的技術支撐和參考依據(jù)。通過這一系列標準的制定，基本形成了國家標準、行業(yè)標準、團體標準相互支撐及協(xié)調統(tǒng)一的輪胎均勻性和動平衡測試標準體系。

3 2項國家計量技術規(guī)范解讀

輪胎均勻性和動平衡試驗機的2項校準規(guī)范JJF 1839和JJF 1840是由全國振動沖擊轉速計量技術委員會以國振計委第[2016]17號《2016年國家計量技術法規(guī)制（修）訂計劃》批復立項，由北京橡膠工業(yè)研究設計院有限公司負責制定的。經(jīng)過形成草案、多次會議研討、驗證試驗、征求意見、反復修改、審查報批等階段工作，國家市場監(jiān)督管理總局于2020年7月2日發(fā)布了JJF 1839—2020和JJF 1840—2020這2項國家計量技術規(guī)范，并于2021年1月2日正式實施[5-6]。以下就這2項規(guī)范的內容進行解讀。

3.1 命名和概述說明

JJF 1839—2020的輪胎均勻性試驗機的命名與GB/T 18506—2013一致，也與國內外輪胎行業(yè)通用的命名相符，但HG/T 4799—2015《輪胎均勻性檢驗機》將其稱為“輪胎均勻性檢驗機”，這2種命名儀器均指的是同一種試驗設備。而關于是稱為輪胎均勻性檢驗機還是稱為輪胎均勻性試驗機也征詢了行業(yè)專家和進行了會議討論，大家認為命名為輪胎均勻性試驗機為宜。該情況也征詢了HG/T 4799標準的歸口單位（全國橡膠塑料機械標準化技術委員會）和該標準起草人的意見，他們也認同本規(guī)范的輪胎均勻性試驗機命名。JJF 1839—2020用于轎車輪胎和載重汽車輪胎均勻性試驗機的校準，其概述一章主要簡述了被校對象的用途、原理和結構，還給出了輪胎均勻性試驗機校準原理示意圖。另外，對于目前行業(yè)中還在使用的輪胎高速均勻性試驗機，本規(guī)范的輪胎均勻性試驗機與其還存在一些不同，但本規(guī)范的輪胎均勻性試驗的一些計量特性和校準方法輪胎高速均勻性試驗機也可參照執(zhí)行（目前輪胎高速均勻性試驗機校準還沒有國家規(guī)范），但本規(guī)范未將該類設備涵蓋在內。

JJF 1840—2020的輪胎動平衡試驗機的命名與GB/T 18505—2013一致，也與國內外輪胎行業(yè)通用的命名相符。唯一可能對本規(guī)范使用者造成困擾的是JJF 1151—2006《車輪動平衡機校準規(guī)范》的“車輪動平衡機”，車輪動平衡機和輪胎動平衡試驗機是完全不同的2種試驗設備：輪胎動平衡試驗機是多用于輪胎生產線上的成品輪胎不平衡性能檢驗設備，可以線上自動檢測并根據(jù)檢測結果對輪胎進行分級與打點標識；而車輪動平衡機廣泛用在汽車4S店和修理廠，以在裝備車輪時先利用輪胎動平衡試驗的標識，將氣門嘴和輪胎的輕點相對裝配，這樣可利用氣門嘴對應輪胎的輕點來抵消掉一部分不平衡質量，然后再用車輪動平衡機進行車輪動平衡試驗，檢測包含輪胎和輪輞等的車輪整體平衡性能，最后采用在車輪上加鉛塊的方式來消除車輪不平衡。因此這2類設備從原理、結構、用途等多方面均存在著顯著不同。JJF 1840—2020適用于轎車輪胎和載重汽車輪胎動平衡試驗機的校準，概述一章也主要簡述了被校對象的用途、原理和結構，還給出了輪胎動平衡試驗機校準原理示意圖。

3.2 計量特性和校準條件確立

JJF 1839—2020確立了5項計量特性，包括：試驗轉速、試驗氣壓、力測試系統(tǒng)、試驗機不卸胎測量重復性和試驗機卸胎測量重現(xiàn)性。JJF 1840—2020確立了7項計量特性，包括：試驗轉速、試驗氣壓、不平衡質量、面分離比、重點（或）輕點標識角度、試驗機不卸胎測量重復性和試驗機卸胎測量重現(xiàn)性。計量特性依據(jù)相關試驗方法標準和機械標準等要求提出，包括對被校對象所有可能的示值和量值。通過對規(guī)定的計量特性進行校準，可以確定被校儀器的計量性能。這2項規(guī)范計量特性的設立是出于如下考慮：試驗轉速和試驗氣壓等計量特性是試驗機進行試驗的重要試驗條件；力測試系統(tǒng)和不平衡質量等計量特性是試驗機的核心測量數(shù)據(jù)體系；試驗機不卸胎測量重復性和試驗機卸胎測量重現(xiàn)性等計量特性是對試驗機的測量精密度評價。通過對試驗機的重要試驗條件確定、核心測量數(shù)據(jù)體系考察以及測量精密度評價，可從多層次多方面做好試驗機的計量技術保障。

JJF 1839—2020的校準條件一章包含了“環(huán)境條件”“測量標準及其他設備”2個部分?！碍h(huán)境條件”規(guī)定了試驗機校準的環(huán)境條件，其是指校準活動中對測量結果有影響的環(huán)境條件，該環(huán)境條件的要求與相關試驗方法標準和機械標準等保持一致，意在校準時也應在試驗機的正常使用環(huán)境條件下進行，同時在驗證試驗中對環(huán)境條件也設計了部分試驗，以驗證所選計量標準和確立的校準方法在規(guī)定環(huán)境條件范圍內，不會對校準過程造成不良影響及不會對校準結果產生不利偏倚?！皽y量標準及其他設備”規(guī)定了使用的測量標準和其他設備及其必須具備的計量特性，且設計了驗證試驗和不確定度計算。

關于JJF 1839—2020和JJF 1840—2020校準條件有以下幾點說明。

（1）2項規(guī)范均提到標準測試輪胎，規(guī)范中給出校準所用輪胎“應符合國內相關標準的要求”并注釋了標準測試輪胎。目前T/CMA HG 026—2021和T/CMA HG 027—2021這2項團體標準已經(jīng)發(fā)布實施，標準測試輪胎還可用于對試驗機進行期間核查。

（2）JJF 1839—2020中選用了標準測力儀來進行力測試系統(tǒng)的校準，這與一些設備廠家原來用砝碼的校驗方法有所不同。標準測力儀較砝碼而言，可以更加動態(tài)、全面的體現(xiàn)試驗機力的全量程范圍，而砝碼一方面無法加載到較大的試驗力，另一方面只能體現(xiàn)砝碼固定的點而無法通過試驗機設置力值自動加載校準，選用標準測力儀的校準方法和試驗機的真實試驗過程更為接近。

（3）JJF 1840—2020中6.2.6章節(jié)提到試重，試重在附錄B中給出了相關解釋和要求。B.1介紹了試重、用途并說明了質心所在位置，表B.1注特別說明了“所有試重安裝后的重心距校正平面高度應一致”；B.2介紹了試重安裝和使用，其參數(shù)應正確引入試驗機標定工作模式或驗證工作模式；B.3和B.4則分別給出了試重的誤差要求和規(guī)格數(shù)量。試重是特制的，是用以解決動平衡試驗機量值溯源問題的中間媒介，但是質心位置、安裝高度等參數(shù)是否正確引入試驗機是保障其校準準確、可靠的關鍵。

3.3 校準方法和測量不確定度分析

JJF 1839—2020和JJF 1840—2020的校準項目包括了規(guī)定的試驗機全部計量特性，校準方法優(yōu)先采用國家計量技術規(guī)范以及國際、地區(qū)、國家或行業(yè)相關標準或技術規(guī)范中規(guī)定的方法。在相關試驗方法標準和機械產品標準中對試驗機的精度要求以及驗證精度要求的方法等也作為計量規(guī)范制定時的參考依據(jù)。結合校準原理、方法、環(huán)境、設備等進行了試驗機測量不確定度的評定，在2項規(guī)范附錄均給出了校準方法和測量不確定度評定示例以作參考。

關于這一部分重點有以下幾點說明。

（1）JJF 1839—2020中關于力測試系統(tǒng)的校準，前文也提到了該規(guī)范選用標準測力儀進行，值得注意的是標準測力儀應能正確作用于力測試系統(tǒng)的施（受）力中心，另外該規(guī)范校準方法中式（3）和式（4）一個是用試驗機示值減去校準值的3次平均值，一個是用試驗機示值的3次平均值減去標準測力儀的讀數(shù)，這是由于方法中施受力的不同，一個是“待試驗機徑向力測試系統(tǒng)示值達到所取校準點時，記錄標準測力儀上的讀數(shù)”，一個是“待標準測力儀上讀數(shù)達到所取校準點時，記錄側向力測試系統(tǒng)示值”，應予甄別。

（2）JJF 1840—2020中關于不平衡質量和面分離的校準，校準基于等效校準原理進行。該規(guī)范附錄A闡述了利用等效校準原理校準不平衡質量，這是因為通過正常輪胎產生不平衡質量的位置不便于安裝試重，因此將其位置等效到可以安裝試重的位置，通過將該位置的質量等效計算出試驗機不平衡質量產生的位置以模擬輪胎校正面上的不平衡質量，從而驗證試驗機的準確、可靠。因此等效校準的參數(shù)是否被正確引入試驗機是其準確校準的關鍵。

（3）2項規(guī)范在氣壓、轉速等校準方法中多次出現(xiàn)“保持轉速30 s”“每20 s記錄1次”“保壓30 s”等，即測試時間間隔較短，這是出于輪胎均勻性和動平衡試驗本身要求試驗時間較快，而試驗機是生產線上的檢驗設備，要求試驗快速的前提下保障測試結果準確、可靠，因此試驗機校準也應該模擬真實試驗過程，使試驗機在短時間內快速達到穩(wěn)定，準確讀取數(shù)據(jù)。

（4）2項規(guī)范關于試驗機不卸胎測量重復性和試驗機卸胎測量重現(xiàn)性的校準方法中，不卸胎重復測量是1條輪胎自動運輸、潤滑、轉卡、充氣后進行重復測量5次，對同一個樣品由同一個試驗人員操作，在相同的試驗條件下在同一臺設備上進行重復測量，一般稱為重復性測量，而且這個重復測量還是在短時間內的操作；而重現(xiàn)性測量則可以改變操作人員，甚至在不同時間段、不同設備、不同實驗室進行，這類測量稱為重現(xiàn)性測量，對于均勻性和動平衡測量的卸胎重現(xiàn)性，則是通過對5條輪胎進行依次試驗，一條完成后換下一條，規(guī)范中特意明確表述“將其依次編號，分別按1，2，3，4，5，1，2，……的順序”測量。不卸胎測量重復性和卸胎測量重現(xiàn)性兩者的方法應注意區(qū)別。

4 結語

輪胎均勻性和動平衡性能作為反映輪胎質量的重要指標，日益得到輪胎生產廠商、廣大用戶和配套廠家的重視。隨著JJF 1839—2020和JJF 1840—2020的發(fā)布實施，我國已經(jīng)構建了較為完善的輪胎均勻性和動平衡測試標準體系，但是我國在輪胎均勻性和動平衡測試技術、儀器裝備、數(shù)據(jù)計算方法等方面還存在著不少問題，導致測試結果一致性和可比性差、設備國產化率低、對輪胎生產工藝缺乏指導性。相信隨著輪胎均勻性和動平衡校準規(guī)范的進一步改進，并通過標準測試輪胎研制、實驗室間測試比對、大數(shù)據(jù)分析等技術的發(fā)展，我國輪胎輪胎均勻性和動平衡計量測試技術水平將在今后一段時期得到長足的進步。