车轮平衡器系统用来确定诸如由轮圈和轮胎构成的或只由轮圈构成的 车轮组件这样的转动体的失衡特性。所确定的特性包括，但不限于，静态 失衡(即，“颤动(shake)”力)、动态失衡(即，力偶或“晃动(shimmy)” 力)、横向力、径向力以及摆动(runout)参数。这些特性中的一些特性 直接由测量来确定，而另外一些特性则通过对转动体的转动所导致的机械 振动的分析来获得。机械振动通过安装在车轮平衡器系统中的传感器所测 到的运动、力或压强来测量，其中所述传感器用来将机械振动转化为电信 号。
另外，很重要的是，为操作人员提供有关信息，即是否需要对轮圈或 轮子组件中所探测到的失衡进行校正，或是否所探测到的失衡足够小以至 于对车辆性能和操作的影响可以忽略，即低于失衡校正阈值水平。当需要 校正在车轮中所探测到的失衡时，当前的车轮平衡器系统用来计算一个或 多个失衡校正重物的大小和放置位置。失衡校正重物通常由已知对环境是 有毒的的铅制成，或者由毒性比铅小的锌制成，但锌更贵些。那些具有本 领域的普通技术的人员会认识到，也可以用其它材料来制成失衡校正重物。
目前的车轮平衡器系统用来计算将所探测到的车轮组件中的失衡减小 到接近零的足够的失衡校正重物量。市场上的轮圈大小为直径12.0英寸到 直径至少28.0英寸。可以预计，在未来，轮圈的大小会增加到直径30.0 英寸以外，相关的轮胎大小也相应地增加。由于可用的失衡校正重物的尺 寸递增是有限的，所以，传统的车轮平衡器系统将与最小递增重物大小相 关的阈值之下的任何所需要的失衡校正重物量显示为零值。通常，选择这 个重物阈值稍微大于最小的标准递增失衡校正重物大小，不管轮圈或轮子 组件的大小如何。通常，失衡校正重物按英制0.25盎司、公制5.0克的递 增来制造。
由于阈值水平对(小轮子或窄轮子中的)失衡影响很大，所以这种情 况可以导致操作人员在小轮子或窄轮子上“不停地细调(chasing)”重物， 而由于(在较大直径的轮子上)阈值水平的效力减小，使得较大直径的轮 子上的平衡调整很差。Douglas的美国专利No.6,484,574中给出了一种解 决方法，其中，使平衡器由通过扫描轮圈的轮廓所获得的数据来选择最佳 的重物平面位置。这是一种有利的方法，但是使所有的平衡器都具有这种 特性并不是经济的。
很清楚，为车轮平衡器系统提供一种方法来确定要求对车轮进行失衡 校正的失衡阈值水平是很有利的，这种方法不依赖于正在进行平衡调整的 车轮组件的尺寸或所使用的失衡校正重物的递增大小，这种方法可选择地 为操作人员提供看得见的刻度指示，表明相对于所确定的失衡阈值水平所 存在的任何失衡。
为车轮平衡器系统提供一种方法用来减小校正车轮组件中所测量到的 失衡所使用的失衡校正重物量，从而减小排入环境中的铅重物的数量，或 者通过减小所使用的总的重物量来产生相应的成本节约，这也是很有利的。

简短地说，本发明的一个方面提供一种方法，用来将转动体中的失衡 减小到一个可接受的残余水平。所述方法包括将测量到的转动体的失衡与 失衡校正阈值进行比较的步骤。如果所测量到的失衡超过了所述失衡校正 阈值，那么，使用大于零的残余失衡目标，确定足以将转动体中的失衡减 小到低于所述失衡校正阈值的可接受的残余水平上的失衡校正重物量及其 放置位置，以便施加在该转动体上。
本发明的另一个实施例提供一种用来减小转动体的失衡的方法，该方 法包括的步骤有，使用失衡力极限来确定静态失衡阈值，到达该静态失衡 阈值时就要使用失衡校正重物；使用失衡力矩极限来确定动态失衡阈值， 在该动态失衡阈值要使用失衡校正重物。计算将转动体中的失衡力减小到 低于所述极限的预期残余失衡的容差范围之内所需要的失衡校正重物量， 并将合适的失衡校正重物应用到转动体上计算出的位置处。
在另一个实施例中，本发明提供一种方法，基于转动体的预期失衡校 正重物面的尺寸与一组失衡校正重物面的参考尺寸的比较结果来确定可变 的失衡阈值，低于这个阈值的话，转动体中的失衡被认为是可以接受的。 所述转动体的可变失衡阈值作为预期失衡校正重物面的直径和平面距离相 对于一组参考尺寸的变化的函数来计算。对于具有超过了所述可变失衡阈 值的失衡的转动体，确定足以将转动体中的失衡减少到可接受水平的容差 之内的失衡校正重物量及其放置位置。
本发明的另一方面提供一种方法，用来确定何时可以使用单个的失衡 校正重物来将转动体中的静态和动态失衡减小到参考阈值的容差之内。在 确定了转动体中存在的失衡力超过了参考阈值之后，确定与该转动体相关 的失衡校正重物放置平面。确定在每个所确定的失衡校正重物放置平面内 的失衡校正重物量和放置位置。预测在转动体中余留的残余失衡力，以便 将单个静态失衡校正重物应用到每个所确定的失衡校正重物放置平面内。 最后，确定单个失衡校正重物的使用，这将使转动体中预测的残余失衡力 减小到参考阈值的容差内。
通过结合附图阅读下面的描述，本发明的上述以及其它目标、特点和 优势以及本发明目前优选的实施例将会变得更清楚。

在构成本说明书的一部分的附图中，
图1是一个示意图，说明了适合于与本发明一起使用的一般的轮子平 衡器；
图2是一个简化的顶视图，示出了适合于与本发明一起使用的另一个 一般的轮子平衡器；
图3是一个方框图，显示了图1或图2中的一般的轮子平衡器的各个 部分；
图4是现有技术中的平衡器显示屏的表示，指出了不需要失衡校正重 物来校正具有所示尺寸的转动体中存在的失衡；
图5是现有技术中的平衡器显示屏的表示，指出了校正具有较小尺寸 的转动体中存在的与图4中的失衡相同的失衡所需要的失衡校正重物量；
图6是现有技术中的平衡器显示屏的表示，指出了校正具有特定尺寸 的转动体中的失衡所要求的重物放置位置和数量；
图7是类似于图6的现有技术中的平衡器显示屏的表示，指出了不需 要失衡校正重物来校正具有较大尺寸的转动体中存在的与图6中的失衡相 同的失衡；
图8A是一个现有技术中的方法的流程图，用来确定只受失衡校正重 物阈值水平限制的所需要的失衡校正重物；
图8B是本发明所述方法的流程图，用来确定减小了的失衡校正重物 量；
图8C是本发明所述的另一个方法的流程图；
图9显示了使用本发明中的方法和普通失衡校正方法进行失衡校正之 后转动体中的残余失衡范围的差异；
图10是图8B所示的本发明的方法的流程图，该方法使用了计算出的 失衡阈值水平；
图11是本发明中的显示屏的表示，显示了尺寸未知的转动体中的失衡 力的图形表示；
图12是类似于图9的显示屏的表示，指出了尺寸未知的转动体的合格 状态；
图13是本发明中的显示屏的表示，显示了转动体中的失衡力的图形表 示；
图14是类似于图13的显示屏的表示，指出了具有较小的直径尺寸和 相同失衡的轮子上不需要额外的重物；
图15是本发明中的显示屏的表示，显示了转动体中的失衡力的图形表 示；
图16是类似于图15的显示屏的表示，指出了具有较大的宽度(重物 面间隔)尺寸但具有相同失衡的轮子上需要较小的重物；
图17是对于静态失衡极限盲点量与轮子直径的关系的二维图形表示；
图18是对于静态失衡极限的盲点量与轮子直径和轮胎直径的关系的 曲面图表示；
图19是对于力偶失衡极限的轮圈直径、轮子宽度和力偶盲点量的曲面 图表示；以及
图20是对于力偶失衡极限的轮胎直径、轮子宽度和力偶盲点量的曲面 图表示，类似于图19。
在所述的几个附图中，相应的参考数字指示相应的部分。

下面的详细描述通过例子但不是通过限制说明了本发明。所述描述很 清楚地能使本领域技术人员实现并使用本发明，它描述了本发明的几个实 施例、修正、变化、选择以及使用，包括目前所认为的实施本发明的最佳 模式。
现在来看附图，图1和图2以简化的形式示出了适用于本发明的轮子 平衡器10的机械部分，所示的具体平衡器只是说明性的，因为在平衡器技 术领域中普通技术人员会发现，用来获得与转动体相关的尺寸信息和失衡 信息的具体设备与结构在不改变本发明的情况下可以很容易地被改变。
平衡器10包括可转动的杆或主轴12，该主轴由合适的驱动机构，诸 如马达14和驱动带16，来驱动。在主轴12上安装的是普通的光学转轴编 码器18，该编码器可以将速度和转动位置信息提供给处理单元20，如图3 所示。平衡器10的机械方面的实际构造可以采取许多形式。例如，主轴 12可以包括在平衡调整过程期间与转动体22紧靠着的轮毂12A。
在轮子的平衡调整操作期间，在主轴12的末端安装有可取下来的待测 试转动体22，该转动体可以与轮毂12A一起转动。转动体22可以包括轮 圈，或者由轮圈和在其上安装的轮胎构成的轮子组件。为了确定转动体的 失衡，平衡器至少包括一对失衡力传感器24和26，诸如压电传感器或应 力计，这些传感器与主轴12耦合，并被安装在平衡器的基体28上。
当转动体22失去平衡时，它在转动时会发生周期性的振动，这些振动 会传到主轴12上。失衡传感器24和26对主轴12中的这些振动产生响应， 产生一对模拟电信号，与传感器的具体位置处的振动的相位和幅度相对应。 这些模拟信号被输入下面所述的电路中，该电路确定校正失衡所需要的校 正重物的所需大小和位置。
来看图3，轮子平衡器10不仅包括失衡传感器24和26以及主轴编码 器18，而且包括处理单元20(诸如微处理器、数字信号处理器、或图形信 号处理器)。处理单元20对来自失衡传感器24和26的输出信号进行信号 处理以确定转动体的失衡。另外，处理单元20与显示器30相连并对其进 行控制，该显示器将信息提供给操作人员，处理单元20还通过相关的马达 控制电路32对控制马达14进行控制，并通过编码器18来掌握主轴转动位 置。
平衡器10还包括一个或多个手动输入(设备)34，诸如键盘、控制钮、 或选择器开关，这些设备与处理单元20相连接。处理单元20有足够的能 力通过软件来控制平衡器10的所有操作，还能控制显示器30。处理单元 20与诸如EEPROM存储器36、EPROM程序存储器38、以及动态RAM (DRAM)存储器40等存储器相连接。EEPROM存储器36被用来存储 非挥发性信息，诸如校准数据，而处理单元20使用DRAM 40来存储临时 数据。
处理单元20也与模拟-数字转换器42相连接。来自失衡传感器24和 26的信号通过抗混叠电路44A和44B(如果需要的话)提供给模拟-数字 转换器42。
在Parker等人的美国专利No.5,396,436中完全阐明了上述各种部件 的操作，该专利的内容通过引述纳入这里。应该明白，只是为了完整才包 括了上面的描述，而可以使用各种其它电路来替代这些电路。
一旦转动体22的中心被精确地定位在平衡器主轴12上，平衡器10 就可以开始测量转动体22的一个或多个失衡参数，并为操作人员提供一个 或多个建议的失衡校正重物的大小和放置位置。计算失衡校正重物的大小 和放置位置，并为操作人员显示在屏幕或数字读出器30上。
由于失衡校正重物通常可用的尺寸增量有限，所以对于要求安装的失 衡校正重物量小于一个量(该量设定为校正重物的最小递增量或接近该校 正重物的最小递增量)的任何失衡，传统的平衡器系统配置为为操作人员 显示校正重物值为零。
当平衡器系统适合于使用增量为0.25oz的失衡校正重物时，示范性限 制值为0.29oz。不幸的是，由于所述校正重物对失衡所起的作用不明显， 这就导致了操作人员“不停地调整”小或窄轮子上的重物，并导致对现在 所用的较大直径的轮子的平衡调整不佳。
例如，如图4所示，轴向宽度为6.0英寸、直径为15.0英寸的轮子或 许会处于这样一种失衡状态下，其要求施加的失衡校正重物的重量小于失 衡校正重物量的阈值。于是，平衡器显示左失衡校正面或右失衡校正面都 步需要失衡校正重物。然而，如图5所示，如果例如由操作者使用“设定 尺寸”按钮150改变了轮子的尺寸，改成了轴向宽度为5.0英寸、直径为 14.0英寸，没有重新测量轮子的失衡，那么需要更大的重物量来校正同样 的失衡。如果这些重物量超过了失衡校正重物量的阈值，那么传统的平衡 器就会指示操作人员在左和右失衡校正面(如箭头152所示)中安装足够 的失衡校正重物来减小或消除失衡，尽管事实上就被认为在较大尺寸的转 动体中是“可接受的”失衡而言，失衡量并未改变。
在对大轮子进行平衡调整时，传统的平衡器系统存在一个相反的然而 却是更严重的问题。例如，如图6所示，轴向宽度为8.0英寸、直径为16.0 英寸的轮子或许会有超出失衡校正重物的阈值的失衡状态，导致平衡器显 示左右失衡校正面都需要失衡校正重物。然而，如图7所示，如果例如由 操作者使用按钮150手动改变了轮子的尺寸，改成了直径为18.0英寸，没 有重新测量轮子的失衡，那么需要更少的重物来校正同样的失衡，其中该 重物落在了重物阈值水平之下。于是，传统的平衡器此时就会显示在左右 失衡校正面不需要失衡校正重物，尽管事实上其失衡量并没有不同于在较 小尺寸的转动体中被认为是“不可接受的”失衡量。
如图8A所示，为了尽量减小转动体中的失衡量，最初传统的平衡器 系统测量转动体中存在的失衡(方框140)。每个失衡可以被表示为具有 大小和相位的力或矢量，也可以被表示为重物量和放置位置。确定将失衡 幅度减小为零所需要的失衡校正重物量和放置位置(方框142)。所确定 的失衡校正重物量与“盲点”，即转动体的失衡校正重物阈值，相比较(方 框143)。如果失衡校正重物量在“盲点”之下，即在可接受的失衡校正 重物阈值之下，如在114中所指示的那样，那么不需要对转动体使用失衡 校正重物，于是该过程结束(方框146)。然而，如果失衡校正重物量超 过了可接受的失衡校正重物阈值，那么，失衡校正重物量就被四舍五入为 可用的重物的最小递增量，并被施加到转动体上(方框148)。
相反，如图8B所示的本发明所述的方法寻求使用减少了的失衡校正 重物量来将转动体中存在的失衡量减小到一个可接受的水平(残余失衡目 标)，而不试图将转动体中存在的残余失衡状态减小到最小。对转动体中 存在的每个失衡进行初始测量(方框150)。每个失衡可以被表示为具有 大小和相位的力或矢量。所测量的失衡与转动体的可接受阈值进行比较(方 框152)。
如果所测量的失衡(诸如静态力和力偶)低于失衡校正阈值，如在154 中所指示的那样，那么不需要对转动体使用失衡校正重物，于是该过程结 束(方框156)。然而，如果所测量的失衡超过了失衡校正阈值，那么， 计算施加在转动体上以便将转动体的失衡减小到残余失衡水平的容差之内 的足够的失衡校正重物量。优选地，将每个测量的失衡量的分量部分的大 小减小一个与残余失衡水平相对应的量(方框158)，然后计算失衡校正 重物量，并将之应用到转动体上来校正转动体中的减小了的失衡量(方框 160)。或者，可以用其它已知的数学方法，诸如迭代方法，来计算每个测 量的失衡量的分量部分的大小，以便在使用了失衡校正重物后使转动体中 余留所预期的残余失衡量。
在本发明的另一个实施例中，如图8C所示，平衡器系统在初始时测 量转动体中存在的失衡量情况(方框170)。每个失衡可以被表示为具有 大小和相位的力或矢量，或者也可以被表示为重物量和放置位置。确定将 失衡幅度减小为零所需要的失衡校正重物量和放置位置(方框172)。所 确定的失衡校正重物量与“盲点”，即转动体的失衡校正重物阈值，相比 较(方框173)。如果该失衡校正重物量在“盲点”之下，即在可接受的 失衡校正重物阈值之下，如在174中所指示的那样，那么不需要对转动体 使用失衡校正重物，于是该过程结束(方框176)。然而，如果该失衡校 正重物量超过了可接受的失衡校正重物阈值，那么，就确定将失衡幅度减 小到残余失衡校正目标所需要的失衡校正重物量和放置位置(方框177)。 最后，将所确定的失衡校正重物量四舍五入为可用的重物的最小递增量， 并将之施加到所述转动体上(方框178)。
应该注意，可以使用其它方法将转动体的失衡或失衡分量减小到一个 非零的残余失衡目标而不超出本发明的范围。例如，可以使转动体与由于 失衡(例如静力或力偶)而产生的至少一个分量的能量相关，其中，至少 计算并使用一个重物，以便余留所能量(或分量能量，诸如静力或力偶) 的预期的残余水平。
使用本发明中的方法所确定的施加的失衡校正重物量是用来在转动体 中余留残余失衡，该残余失衡等于或小于所述失衡的分量部分的失衡校正 阈值，但它并没有被最小化。实质上，本发明中的方法有意地余留残余失 衡量，该残余失衡量大于传统平衡器系统所余留的失衡量，但低于相关的 可接受阈值。一般地，可以由各种已知数学方法中的任何一种方法，诸如 矢量数学或迭代技术，来计算要施加到转动体上的失衡校正重物量，以便 在施加了失衡校正重物之后在转动体中余留预期的残余失衡量。
如图9中所最好地显示的，在本领域普通技术人员会认识到，放置位 置误差、重物量误差、机器噪声、失衡校正重物量四舍五入到重物的最小 可用的递增大小等会导致转动体中的残余失衡量不能精确地与非零的残余 失衡目标190相匹配，但该残余失衡量会在接近该非零的残余失衡目标190 的一个已知容差192之内。所述容差192通常由所计算出的重物量的四舍 五入来定义，以适应操作人员可用的重物的最小递增量。图9还显示了由 本发明所得到的结果与由传统的平衡调整方法所得到的结果的差异。使用 传统的平衡调整方法校正过的失衡的转动体，诸如车轮，会有一个预期的 残余失衡量范围，如在194处所示的，该残余失衡量等于零，或稍微大于 零，如在196处所示的。相反，使用本发明中的方法校正过的失衡的转动 体会有一个预期的残余失衡量范围或容差192，该容差稍微高于或稍微低 于非零的残余失衡目标190，而该残余失衡目标则低于失衡校正阈值198。
通过在转动体中余留较大的残余失衡量，本发明中的方法和装置只要 求在转动体上使用更小的失衡校正重物量以便将失衡减小到可接受的水 平，因此就节约了时间和成本。例如，使用从约7500个不同的车轮所获得 的实际的失衡测量数据可以发现，传统的车轮平衡调整过程要求约16,500 oz的失衡校正重物来校正所测量到的失衡。将本发明中的方法应用到同样 的失衡测量，只使用约13,250oz的失衡校正重物，这就使失衡校正重物量 平均节约20％。
每个车轮所节约的平均失衡校正重物量随着所使用的失衡校正重物的 类型及其在车轮组件周围的相关放置位置而变化。例如，已经观察到，当 使用本发明中的方法并采用一个或多个粘合类型的失衡校正重物时，平均 可以节约大约30％。采用粘合类型的重物，不仅重物成本的节约是很容易 看到的，而且也可以减少劳力和混乱。例如，本发明表明，可以将重物位 置处所需要的两条粘合类型的重物(例如，当所要求的超过3oz时)减少 到只要一条。
应该注意到，有关使用本发明中的方法时为转动体(诸如车轮)进行 失衡校正所节约的失衡校正重物量的信息或许对操作人员是有用的。因此， 可以认识到，本发明中的方法可以调整为存储这样的信息，该信息能用来 确定相对于使用一个或多个普通的失衡校正过程将所测量到的失衡减小到 零或接近零时所要使用的失衡校正重物量而言节约下来的失衡校正重物 量。可以将该信息存储下来供以后的检索和分析使用，并且/或者可以在失 衡校正过程中将该信息显示给操作人员。
在本发明的另一个实施例中，为平衡器10提供有一个参考值，该参考 值表示转动体22中要校正的每种类型的失衡所能允许的最大失衡效应， 即，将Fmax用于静态失衡，将Mmax用于动态失衡。例如，静态失衡力 的极限Fmax用来确定静态失衡阈值，动态失衡力矩的极限Mmax用来确 定动态失衡阈值，对这些阈值的选择对应着普通用户所无法察觉到的转动 体22中的失衡力的水平。例如，静态失衡力矩的极限为2.18oz.-in.，对应 着直径15英寸的轮圈上的0.29oz的重物，动态失衡极限为15.0oz.-in2.， 对应着在轴向宽度为6英寸、直径为15英寸的轮圈的每个面上的约0.33oz 的重物，这两个重物相互隔开180度。
然而，或许希望调整这些极限来关照静态失衡或动态(力偶)失衡。 例如，已经知道，车辆中的乘客对动态(力偶)失衡不如对静态失衡敏感。 可以将Fmax和Mmax的值编程到平衡器10中，也可以根据进行维修的 车辆的具体种类(即，客车、赛车、轻型卡车)、根据正在进行平衡调整 的轮胎类型、或基于特殊车辆类型以及轮胎组合的数据库来选择Fmax和 Mmax的值。对失衡力具有较低敏感度的车辆可以容忍轮胎组件中有较大 的失衡水平而不被普通用户所察觉。例如，一种减小失衡校正工作量而又 使振动的增加最小化的方法是，对于一些类型的转动体22，将动态失衡极 限Mmax增加到20.0oz.-in2。
与寻求将转动体中的残余失衡力减小到零或零附近的一个值的现有技 术中的平衡器系统相比，所计算出的失衡校正重物量最好是足够将转动体 中的残余失衡减少到约为可接受失衡阈值的90％这样一个残余失衡水平， 即失衡容差水平，只受到将所应用的失衡校正重物量四舍五入到运用到转 动体时可用的重物的最小递增量的限制。残余失衡水平或容差可以是可接 受的失衡阈值的函数(即，它的百分比)，可以是一个固定值，一个用户 可选的值，或者可以使用车辆信息数据库来选择。通过选择低于可接受失 衡阈值但大于零的转动体中的可允许残余失衡水平或容差，可以减小必须 使用的将转动体中存在的失衡减小到所述可接受水平的校正重物量，这就 可以节约成本。
对于计算将所测量到的失衡减小到零所需的失衡校正重物量的现有技 术中的平衡器系统来说，本发明中的替代方法可以减小所使用的失衡校正 重物量，它要求计算并使用减小了的失衡校正重物量，该失衡校正重物量 小于原来所计算出来的用来将所测量到的失衡校正到零附近的失衡校正重 物量，因而在转动体中余留了预期的残余失衡。将减小了的失衡校正重物 量运用到转动体上之后，或许要求对失衡测量和校正重物计算过程进行一 次或多次重复，以便保证将转动体中存在的失衡减小到比失衡校正阈值低 的可接受的残余失衡水平。
可以发现，本发明中的各种方法可以用于很多种平衡器系统，包括那 些使用固定失衡阈值水平的平衡器系统，以及那些基于转动体的尺寸来计 算失衡阈值水平的平衡器系统，诸如图10所示的。
如图10所示，平衡器10用来基于正在进行平衡调整的转动体22的一 个或多个尺寸来选择失衡校正重物阈值，即“盲点”。这些尺寸包括失衡 校正重物的放置直径和失衡校正重物的放置间隔距离。优选地，这些尺寸 直接由平衡器10来测量，例如通过利用操作人员协助在所希望的失衡校正 重物面上和/或在转动体22的边缘上放置轮子尺寸测量设备，或通过非接 触测量方法。或者，当转动体22的直径和宽度已知时，操作人员可以使用 一个或多个手动输入设备34将相应的值直接提供给平衡器10(方框200)。
平衡器10配置为利用表示所允许的最大失衡效应的值连同转动体22 的相关尺寸来确定当把任何失衡调整到零时在显示屏30上显示给操作人 员的可变的失衡校正阈值，其中将失衡调整到零要求失衡校正重物值低于 所述可变阈值(方框204)。
对于校正转动体22中存在的静态失衡(方框206)，静态失衡力的极 限为Fmax(通常的单位是oz.-in.)，已知的或测量的转动体直径为D，失 衡校正重物阈值(即“盲点”)为WBS。WBS的可变阈值根据下面的方 程由平衡器10来确定：
WBS＝FMAX/(D/2)    方程(1)
对于校正转动体22中存在的动态失衡(方框208)，动态失衡力矩的 极限为Mmax(通常的单位是oz.-in2)，已知的或测量的转动体的轴向长 度或轴向宽度为W，失衡校正重物阈值(即“盲点”)为WBD。如果假 设轮子中没有静态失衡，那么，WBD的可变阈值根据下面的方程由平衡 器10来确定：
WBD＝MMAX/(W×(D/2))    方程(2)
例如，为了校正转动体22中存在的静态失衡，如果平衡器10被设定 2.18oz.-in.的静态失衡力极限(Fmax)，转动体22的测量的或已知的直径 为15.0英寸，那么解上述有关WBS的方程(1)可以得到，失衡校正重 物阈值(即“盲点”)为0.29oz。如果转动体22的测量的或已知的直径 为12.0英寸，那么从方程(1)可以得到，失衡校正重物阈值(即“盲点”) 为0.36oz。相应地，如果转动体22的测量的或已知的直径为20.0英寸， 那么对于同样的Fmax值，从方程(1)可以得到，失衡校正重物阈值(即 “盲点”)为0.21oz。
利用上述方法部分地基于正在进行平衡调整的转动体22的已知的或 测量的尺寸来确定失衡校正阈值的平衡器10带来的好处可以从下面的比 较中清楚地说明。
当对轮圈直径为15.0英寸、轴向宽度为5.0英寸的轮子组件进行平衡 调整时，传统配置的平衡器可以确定超过2.18oz.-in.极限的静态失衡，但 只能确定不足15.0oz.-in2极限的动态失衡，并建议使用0.25oz和0.75oz 的两个失衡校正重物进行校正，一个重物放置在轮圈的内缘，另一个重物 放置在轮圈的外缘。然而，在动态失衡力矩极限(Mmax)被设定为15.0 oz.-in2的平衡器10上，可以确定动态失衡对车辆的影响很小，可以忽略， 并且可以由0.25oz的单个重物来校正剩余的静态失衡。
通过基于实际的力和力矩值而不是基于所显示的重物量来设定失衡阈 值量，可以使轮子中的残余失衡减到最小。传统平衡器可以测量要求使用 0.50oz的重物来校正的纯粹静态的失衡。如果所述平衡器被设置为“动态” 平衡模式，那么它将计算出在左右面上都需要0.25oz的重物。由于传统的 阈值被设置为0.29oz，所以该机器将显示不需要校正重物，但轮子却是不 平衡的。采用本发明中的方法，将显示一个减小的校正重物量，并在可接 受的失衡阈值内使轮子达到平衡。在上述例子中，有很小的力偶失衡与静 态失衡一起存在。即使力偶失衡量很小并且不需要特殊的重物来对其进行 校正，也可以在某个位置上放置静态校正重物，以便有可能减小所述力偶 失衡。
当校正静态失衡时，可以将单个静态重物放置在内平面上，靠近平衡 器，也可以放在外平面上，与平衡器相对。当轮子被安装在平衡器的右边 时，内平面也被称作左平面，在轮子同样放置的情况下，外平面也被称作 右平面。为了选择放置所述单个静态重物的正确平面，需要比较动态失衡 矢量的相位与静态力矢量的相位。静态校正重物被放置在不需要放置额外 的力偶失衡校正重物就可以将残余动态失衡减到最小的平面上。
这将校正静态失衡(静态失衡大于“盲点”)，并且根据力偶和静态 失衡之间的相位差别，会减小力偶失衡或使其保持不变(力偶失衡已经低 到可以接受)。由于内平面和外平面力偶失衡相位总是相隔180度，所以， 静态失衡相位与力偶失衡相位中的一个相位的差绝不会大于90度。如果静 态失衡相位与力偶失衡相位中的一个相位之间的差别很小，那么就会显著 地改进力偶失衡。如果静态失衡相位相对于两个力偶失衡相位正好是90 度，那么当加上静态校正重物时，力偶失衡将不会改变。这可以通过下面 的逻辑步骤来实现：
假设平衡器处于“动态”模式，静态失衡大于“盲点”，而力偶失衡 小于所述“盲点”。采用下面的步骤来放置单个重物，以校正静态失衡， 同时减小(或不改变)力偶失衡。
使力偶失衡＝0，并计算静态校正重物；
静态校正重物的大小＝静态失衡/半径
静态校正重物的相位＝静态失衡相位+180度
为了校正静态失衡，可以将这个重物放置在内平面上或外平面上。
如果静态失衡相位角与外平面力偶失衡相位角之间的差小于90度，那 么在外平面上放置单个静态校正重物，否则，在内平面上放置该重物。
如果平衡器处于“静态”模式，通常只输入单个平面的尺寸。采用本 发明，最好是将动态失衡与动态阈值进行比较。如果动态失衡超过了该阈 值，那么最好是为操作人员指示出这种状态。这个指示可以是闪烁光、文 字数字文本的形式，也可以是消息的形式。如果操作人员输入了两个平面 都的尺寸，那么这个指示可以是显示校正力偶失衡所需重物的形式。
本发明中的平衡器10可以配置为在使用转动体22(即，诸如尺寸未 知的转动体或车轮)的尺寸测量值之前获取转动体22的静态和力偶失衡的 初始矢量测量值，这两个矢量被表示为S＞和C＞。在对转动体22上的失衡 力进行初始估计时不使用该转动体的具体尺寸测量值以及放置失衡校正重 物的空间位置。S＞和C＞的测量值与失衡分量的参考极限Fmax和Mmax 进行比较，以便判断是否需要与失衡校正重物的确定和放置相关的额外步 骤。如果转动体22中存在的失衡力低于参考阈值，那么可以选择以图形的 形式将它们显示出来，如图11所示，并且不需要进一步地进行校正，这一 点可以用转动体22的“合格”状态来指示，如图12所示。
如果所测量的失衡力超过了参考阈值，那么可以引导操作人员进行尺 寸测量步骤，之后，根据本发明中的方法计算并显示减小了的失衡校正重 物量以及放置位置，但不使用普通的“盲点”设置。
或者，车轮平衡器10可以使用一组参考尺寸(诸如直径15.0英寸， 宽度6.0英寸)连同所测量到的转动体22中存在的失衡力来计算尺寸未知 的转动体22的失衡校正重物量和放置位置。然后由平衡器10将计算出的 失衡校正重物量与具有参考尺寸的转动体的相关参考重物量进行比较，并 基于此确定是否接受。例如，如果计算出的失衡校正重物量小于参考重物 量，那么平衡器10可以指示转动体“合格”了，不需要进行任何失衡校正。 相反，如果计算出的失衡校正重物量大于参考重物量，那么平衡器10根据 本发明中的方法使用正在进行平衡测试的转动体22的实际尺寸来计算减 小的失衡校正重物量以及放置位置。
车轮平衡器系统10在确定或测量转动体22的实际尺寸之前估计与转 动体相关的失衡力和/或失衡校正重物量的能力可以潜在地为操作人员在 平衡调整操作期间节约大量的时间。这对于各种车轮平衡器系统都可以是 有用的，包括那些使用非接触式轮子测量系统(诸如超声波测量系统、激 光测量系统、或机器视觉测量系统)的平衡器系统，这些系统相对于确定 轮子中所存在的失衡力所需要的时间而言需要相当长的时间来获取轮子的 尺寸测量值。
计算可变校正重物阈值的另一个实施例使用所选择的失衡校正重物面 的位置与一组失衡校正重物面的参考位置的比较结果，不需要转动体22 的失衡力测量值或不使用失衡力的参考极限Fmax或Mmax。例如，所述 一组失衡校正重物面的参考位置可以对应着前面所述的15.0英寸直径和 6.0英寸宽度尺寸，与在轮子上放置0.29oz的静态重物和0.33oz的力偶对 重物所导致的“司机可感觉到”这样当量的失衡力极限Fmax和Mmax相 关。
然后，失衡校正重物阈值Wbs和Wbd被确定为“参考”重物阈值极 限Wbs_ref和Wbd_ref的变化，是所选失衡校正重物的各面的直径和平面 距离(plane seperation)相对于参考尺寸的变化的函数：
Wbs＝Wbs_ref*(Ds_ref/Ds)    方程(3)
其中，Wbs表示待测轮子的静态重物阈值；Wbs_ref表示参考轮子的 静态重物阈值(诸如0.29oz)；Ds表示待测轮子的静态重物放置位置的直 径；Ds_ref表示参考轮子的静态重物放置位置的直径(诸如15.0英寸)。
Wbd＝Wbd_ref*(Dd_ref/Dd)*(W_ref/W)  方程(4)
其中，Wbd表示待测轮子的动态重物阈值；Wbd_ref表示参考轮子的 动态重物阈值(诸如0.33oz)；Dd表示待测轮子的动态重物对放置位置 的直径；Dd_ref表示参考轮子的动态重物对放置位置的直径(诸如15.0英 寸)；W表示待测轮子的动态重物的平面距离，W_ref表示参考轮子的动 态重物的平面距离(诸如6.0英寸)。
对于一些转动体22来说，要放置失衡校正重物的内平面和外平面可以 有不同的直径，特别是当处理在沿着轮廓有内部坡面或台阶的轮圈的内部 放置的粘合型失衡校正重物时。对于这种情形，在方程(2)中所使用的 Dd值是内外平面直径的平均值。尽管照字面意思这样使想象的“动态重物 对放置直径”对左平面来说被置于中间的空气中，而对于右平面来说被置 于轮子材料的内部，但这只是临时用来计算动态失衡校正重物对的显示阈 值的，不会影响如Parker等人的美国专利No.5,396,436中所给出的使用 实际内外平面的直径进行的重物计算的精确性。
最后，对高于各自的可变阈值Wbs和Wbd的静态和动态失衡校正重 物矢量进行矢量组合，如在本技术中所已知的那样，以便产生内外失衡校 正重物矢量的显示表示，同时为转动体校正静态和力矩失衡。
另一种方法是，由静态和力矩失衡矢量分量S＞和C＞以及重物放置尺 寸A-AC、W、Ri、Ro按Parker等人的美国专利No.5,396,436中所述来 计算重物；如果计算出的静态或动态重物矢量中的任何一个小于对应的 Wbs或Wbd，那么就将S＞或C＞的值简单地排除在重物计算之外。
第二个替代方法是，当力矩阈值Wbd被超出时，使用静态失衡校正， 即使Wbs没有被超出。使用两个失衡校正重物来校正转动体中的力偶失 衡，所以，这就允许最终的重物计算(该计算使用两个失衡校正重物同时 校正静态和动态失衡)有可能进一步减小转动体中的任何静态残余失衡。 失衡校正重物必须被四舍五入到最近的递增重物量上，所以，可以将校正 小静态分量所需要的部分包括在所显示的失衡校正重物值中。
或许希望调节这些极限以便关照静态失衡或动态(力偶)失衡。例如， 已经知道，车辆中的乘客对动态(力偶)失衡不如对静态失衡敏感。可以 将Wbs_ref和Wbd_ref的值编程到平衡器10中，或者也可以根据进行维 修的车辆的具体种类(即，客车、赛车、轻型卡车)、根据正在进行平衡 调整的轮胎类型、或基于特殊车辆类型以及轮胎组合的数据库来对其进行 选择。对失衡力具有较低敏感度的车辆可以容忍轮胎组件中有较大的失衡 水平而不被普通用户所察觉。
本发明的另一个实施例使放置单个失衡校正重物是可行的，该实施例 在将单个(静态)失衡校正重物只放置到内校正平面或只放置到外校正平 面之后预测转动体22中剩余的残余力偶失衡。将测量到的力矩失衡矢量用 矢量减法减去由所选校正平面处静态重物矢量所导致的力矩矢量，可以计 算出预测的残余力矩矢量。应该注意，当两个重物校正平面处于转动体22 上的不同直径上时，诸如当至少其中的一个重物是粘合型重物并被运用到 轮子内表面上时，左平面放置所产生的静态校正重物矢量的大小将不同于 右平面放置所产生的静态校正重物矢量的大小。
在确定了转动体22需要失衡校正之后，选择重物平面位置，然后平衡 器10根据下面的步骤判断是否可以使用单个的失衡校正重物，这导致了转 动体22中的可接受的残余动态失衡Mmax：
首先，确定转动体的校正重物平面位置A-AC、W、Ri和Ro，其中， “A”表示测量的到转动体22的内重物面的距离；“AC”表示从参考平 面A到坐标系的原点的距离；“W”表示转动体22的各面之间的宽度； “Ri”表示内重物位置的半径；“Ro”表示外重物位置的半径，如Parker 等人的美国专利No.5,396,436中所描述的。
接着，根据下面的方程对只在内重物面上放置静态失衡校正重物的情 况计算残余失衡预测量“Cres_i＞：
Cres_i＞＝C＞-((S＞/Ri)＞*(A-AC)*Ri)＞    方程(5)
其中，“＞”表示矢量，“C＞”表示施加在原点的力偶失衡，“S＞” 表示施加在原点的静态失衡。
类似地，根据下面的方程对只在外重物面上放置静态失衡校正重物的 情况计算残余失衡预测量“Cres_o＞：
Cres_o＞＝C＞-((S＞/Ro)＞*(A-AC+W)*Ro)＞    方程(6)
从Cres_i＞和Cres_o＞中选择较小的幅度，如果该幅度小于动态失衡力 矩极限或阈值Mmax，那么平衡器10就引导操作人员在相应的重物面上放 置静态失衡校正重物，优选是通过在与相应平面相关的显示器上显示静态 失衡校正重物量并对另一个平面显示零值来引导。
当在转动体22的内外平面处使用一对相等的用夹子夹住的失衡校正 重物时，Ro＝Ri＝D/2，每个平面上的静态重物都相同，方程(5)和(6) 简化为：
Cres_i＞＝C＞-((S＞/(D/2))＞*(A-AC)*D/2)＞      方程(7)
Cres_o＞＝C＞-((S＞/(D/2))＞*(A-AC+W)*D/2)＞    方程(8)
基于所用失衡校正重物的类型，可以针对一个可能的平衡面进行单个 重物计算。
对于内外平面夹住型平衡调整，当有可能将单个失衡校正重物只放在 内平面上并使残余动态失衡力矩保持在动态失衡力矩极限或阈值Mmax之 下时，可以选择使平衡器10配置为避免引导操作人员将单个失衡校正重物 安装在外平面上。这种选择特别适合于用在转动体22或轮子在物理上不支 持将夹住型失衡校正重物放置在外平面上的情形中，或者用在客户出于美 观的原因只是不想让失衡校正重物放置在轮子外面的情形中。
对于混合重物型平衡调整，其中，夹住型失衡校正重物将被放置在内 平面上，而粘合型失衡校正重物将被放置在外平面上，可以选择使平衡器 10配置为对于单个重物的使用关照夹住型失衡校正重物在内部的放置位 置(假设残余动态失衡力矩预测值在Mmax之下)，即使将失衡校正重物 放置在粘合(重物)位置会使残余动态失衡更小。由于以下原因这种选择 尤其合适：使用夹住型失衡校正重物比使用粘合型失衡校正重物相对容易； 使用夹住型失衡校正重物可节约成本；以及对于一些转动体22(即轮子) 应用来说，制动钳(brake calipers)与一些轮子的内表面靠得如此近，以 至于在该区域不能使用粘合型重物。
为了协助操作人员判断是否已将转动体22的静态失衡和动态失衡都 调节到阈值之内，在另一个实施例中，使平衡器10在显示器30上为操作 人员提供所测量到的失衡相对于绝对失衡的阈值水平(即力偶失衡阈值和 静态失衡阈值)的图形显示300。通常，诸如Douglas的美国专利No. 5,915,274中所示的，在条图上为操作人员提供校正静态和动态失衡所需要 的重物相对于固定的重物量阈值的显示。所述固定重物量基于递增重物大 小和车轮几何尺寸来确定。相反，本发明中的图形显示300基于绝对失衡 量而不是基于递增重物大小和车轮几何尺寸来为操作人员显示信息。
来看图13和14，配置有本发明的特性的平衡器10在显示器30上首 先显示了轴向长度或轴向宽度为6英寸、直径为15.0英寸的轮子的情况。 在这个例子中，轮子中存在的静态和动态失衡都低于阈值水平。这一点用 图形显示300显示出来，其中包含静态失衡的计算尺302和动态失衡的计 算尺304。在每个计算尺302和304上，如图13所示，所计算出来的失衡 量(如箭头306S和306D所示)都在可接受的范围内，因此指示出在左右 校正平面上不需要失衡校正重物量。此外，如图14所示，如果操作人员手 动地将轮子的尺寸改变为轴向宽度为5.0英寸，直径为14.0英寸(对应着 图5中的变化)，而没有重新测量失衡，那么所测量到的轮子中的失衡保 持不变，如计算尺302和304上所显示的。于是，指示出在左右校正平面 上不需要失衡校正重物量。
本发明中的方法在对大轮子进行平衡调整时也具有优点。例如，如图 15所示，轴向宽度为8.0英寸、直径为16.0英寸的轮子中的失衡或许高于 阈值，如计算尺302和304所示，使得平衡器为操作人员显示在左右失衡 校正平面上所需要的失衡校正重物。然而，如图16所示，如果操作人员手 动地将轮子的尺寸改变为直径为18.0英寸，而没有重新测量失衡，那么需 要较少的重物来校正同样的失衡。于是，平衡器为操作人员显示在左右失 衡校正平面上仍然需要减小的重物来校正高于失衡阈值的失衡。
已知转动体22的静态失衡力是失衡质量(imbalance mass)、失衡质 量相对于转动轴的径向距离以及转动体22的角速度的函数。在车轮的情形 中，其中转动体22包括轮圈和轮胎组件，对于任何给定的车速，所述角速 度可以被表示为轮胎直径的函数，或被表示为轮胎直径和轮圈直径的函数。 因此，在本发明的另一个实施例中，车辆从转动的车轮组件中所感受到的 失衡力F可以被定义为：
$F=\frac{{\left(\frac{v}{{\mathrm{\pi D}}_T}\right)}^2{\mathrm{mD}}_W}{2}$方程(9)
其中，v为车辆速度，DT为轮胎直径，DW为校正重物的放置直径(对 于夹住型重物来说它等于轮子的直径)，以及m为失衡质量。例如，如果 对于直径DW0为15.0英寸的轮圈连同直径DT0为28.0英寸的轮胎来说， 可接受的失衡校正阈值或“盲点”为0.29oz(m0)，那么计算具有尺寸 DW1和DT1的组件的等价“盲点”(m1)的方程为：
$m_1=\frac{m_0{D}_{W0}}{D_{W1}}{\left(\frac{D_{T1}}{D_{T0}}\right)}^2$方程(10)
一旦为具体的轮胎和轮圈组合确立了可接受的失衡校正阈值或“盲 点”，可以利用方程(10)为很多种车轮组件自动计算等价的失衡校正阈 值或“盲点”，提供失衡校正阈值曲线，如图17所示的各种轮圈尺寸下的 曲线，以及如图18所示的各种轮胎尺寸下的情况。
利用轮胎直径DT和轮子直径DW，可以将车轮组件分到预定的组中。 例如，DT-DW相对较小(～3.0英寸或更小)的性能车轮组件(performance wheel assemblies)、DT-DW在3.0到5.0英寸之间的观光车轮组件(touring wheel assemblies)、DT-DW大于5.0英寸的卡车车轮组件(truck wheel assemblies)。每个不同的预定的分组可以提供有不同的可接受失衡校正阈 值或“盲点”曲线。使用方程(10)，一旦选择了特定的轮胎分组以及相 关的曲线，就可以自动计算具有特定尺寸的车轮组件的特定的失衡校正阈 值或“盲点”。
可以对转动体22的力偶失衡力进行类似的分析。当L为轮子宽度时， 车辆所能感受到的失衡力偶(M)可以表示为：
$M={\left(\frac{v}{{\mathrm{\pi D}}_T}\right)}^2\mathrm{wL}\frac{D_w}{2}$方程(11)
如果车轮组件具有15.0×6.0英寸的轮圈(DW0×L0)以及在其上安 装的直径为28.0英寸的轮胎(DT0)，其可接受的失衡校正阈值或“盲点” 为0.29oz(w0)，那么利用方程(11)得到尺寸为DW1、DT1和L1的 组件的等价“盲点”(w1)为：
$w_1=\frac{w_0{D}_{w0}}{D_{w1}}{\left(\frac{D_{T1}}{D_{T0}}\right)}^2\frac{L_0}{L_1}$方程(12)
一旦为具体的轮胎和轮圈组合确立了可接受的力偶失衡校正重物阈值 或“盲点”，可以利用方程(12)为很多种车轮组件自动计算等价的力偶 失衡校正重物阈值或“盲点”，提供力偶失衡校正重物阈值曲线，如图19 所示的各种轮圈尺寸下的情况，以及如图20所示的各种轮胎尺寸下的情 况。
本发明可以部分地以由计算机实现的过程以及实现这些过程的装置的 形式来实施。本发明也可以部分地以含有指令的计算机程序代码的形式来 实施，而这些代码被存储在有形的介质中，诸如软盘、CD-ROM、硬盘驱 动器、或其它计算机可读的存储介质，其中，当计算机程序代码被装载到 诸如计算机、微处理器或逻辑电路等电子设备中并被执行时，该设备就变 成了实现本发明的装置。
本发明也可以部分地以计算机程序代码的形式来实施，例如，这些程 序代码可以存储在存储介质中并被装载到计算机中来执行，也可以通过诸 如电线或电缆、光纤、或电磁辐射等传输介质传输，其中，当计算机程序 代码被装载到计算机中执行时，该计算机就变成了实现本发明的装置。当 在通用微处理器中实现时，计算机程序代码段配置该微处理器来产生特殊 的逻辑电路。
考虑上述描述可以看到，本发明的几个目标被实现了，并且获得了其 它的有利结果。由于在上述构造内可以做各种变化而不偏离本发明的范围， 所以，应该将上述描述中所包含的或附图所显示的所有内容理解为说明性 的，而不是限制性的。
相关申请的交叉引用
本申请涉及并要求获得下列专利申请的优先权：(a)2005年8月19 日提交的美国专利申请序列号11/207,974，该申请是2005年5月12日提 交的美国专利申请No.11/127,386的部分延续案(continuation-in-part)； (b)2005年5月12日提交的美国专利申请No.11/127,386，该申请是2003 年8月26日提交的美国专利申请No.10/648,165、现在的美国专利No. 6,952,964的部分延续案，该专利是2003年6月5日提交的、现已放弃的 美国专利申请No.10/455,623的部分延续案；这些申请及专利都通过引述 被纳入这里。