張文睿

（中北大學，山西 太原 030051）

0 引言

連桿是發(fā)動機的核心部件，連接活塞和曲軸，將作用在活塞上的燃燒氣體壓力傳給曲軸，輸出扭矩［1］。工作過程中，連桿承受活塞銷傳來的氣體作用力以及其本身擺動和活塞組往復運動時的交變載荷［2］，機械負荷重，工作條件惡劣［3］。連桿大小頭孔軸線的平行度直接影響活塞銷與曲軸中心線的平行度和與汽缸中心線的垂直度，使活塞在汽缸中產(chǎn)生前、后傾斜而間隙不一致［4］，從而導致活塞連桿組產(chǎn)生偏磨［5］，加速了機件的磨損［6］，嚴重時會產(chǎn)生拉缸；連桿扭曲將造成竄油、竄氣，使發(fā)動機動力下降，經(jīng)濟性差，使用壽命縮短；活塞在汽缸內(nèi)運動不規(guī)則，還會發(fā)生前、后搖擺，撞擊汽缸壁產(chǎn)生敲缸。

目前通用的連桿檢測方法大致有通用量具測量方法、專用測量臺測量方法和光電自動化設備測量方法［7］。

1 連桿兩孔中心線平行度測量的基本原理

1.1 孔中心線平行度要求

如圖1所示，連桿以大、小孔中的一個孔軸線為基準，另一軸線理論上應處于平行于基準軸線且距離x的準確位置上，允許誤差是以理論值為圓心的一個圓柱空間［8］，因此軸線的實際位置處于該圓柱空間內(nèi)即認為是滿足設計精度要求的。

1.2 測量原理

連桿大小頭孔的中心線本身并不存在于桿身上，而是設計、加工、測量時假想的一條基準線，用來形象地描述孔的理論位置和形狀。因此在測量時也不可能直接測到這條中心線，而是通過測量其他參數(shù)計算該中心線的位置，即連桿孔中心線平行度實際上描述的是連桿兩孔內(nèi)壁的平行度和內(nèi)壁對應位置的間距。

圖1 中心線平行度

從測量方法上區(qū)分，主要根據(jù)是否采用心軸，分為孔內(nèi)壁測量法和心軸引出測量法?？變?nèi)壁測量法通過測量該孔某一截面的內(nèi)壁，計算該截面的圓心。既可以測量多個圓心連線獲得孔的實測中心線，再進行判斷；也可以測量另一孔對應截面圓心位置直接進行比較。心軸引出測量法是用一心軸從孔內(nèi)穿過，并保證孔內(nèi)壁與心軸本身貼合良好，認為心軸的中心線就是孔的中心線。在測量中往往又認為心軸本身是理想的圓柱體，將兩心軸外壁某一截面的平行度視為兩孔中心線的平行度。

從采用的測量工具上區(qū)分，主要分為機械儀表測量和電控測量兩種。機械儀表測量大多采用千分表，通過觀察其指針跳動來讀數(shù)。電控測量主要是指測量探頭輸出電流或者電壓信號，通過一系列電信號處理換算為被測量量，也有直接采用三坐標測量儀等通用測量儀器進行測量。

2 通用量具測量方法

采用通用的夾具、定位裝置和測量儀表組合對連桿的若干距離參數(shù)進行測量，通過判斷其相互位置關系確定連桿孔平行度是否滿足精度要求。如圖2 所示，用千分表配合伸縮觸頭直接測量連桿孔內(nèi)壁，測量精度可達到0.01mm，重復精度≤0.005mm。這是最基本最直觀的測量方法，具有很強的靈活性，并且只要測量方法得當，也能滿足測量精度的要求。缺點是一般操作較為復雜，甚至與檢測人員的技術水平直接相關，并且很難實現(xiàn)大批量檢測。

圖2 千分表直接測量連桿平行度誤差

通常情況下，為了便于測量并且進一步提高測量精度，需要使用心軸，將測量孔內(nèi)壁改為測量心軸的外表面，圖3為用心軸測量兩孔平行度［9］的一種方法。用心軸穿過連桿兩孔，并與孔緊密貼合，認為心軸本身的軸線與孔中心線重合。使用千分表分別測量兩個相互垂直方向的平行度誤差，測量中需要工件本身稍作擺動，通過千分表讀數(shù)的最大值確定該方向上軸線的位置，兩千分表讀數(shù)分別加設定的基準距離即為該方向兩軸的實測距離，進一步計算得到兩軸線的平行度誤差。

圖3 心軸法測量連桿平行度誤差

3 專用測量臺測量方法

鑒于通用量具測量方法的復雜性，又考慮到連桿生產(chǎn)通常批量較大，所以在通用量具測量的基礎上，通過對測量儀器進行整合，設計專用夾具或測量臺架，將量具與夾具相對固定后即成為專用測量臺。專用測量臺測量方法往往與通用量具測量方法在測量原理上非常接近，只是測量工作更加簡便，同時能夠降低人為測量誤差，提高測量準確性。通過合理設計還能在測量兩孔中心線平行度的同時測量其他相關參數(shù)。

圖4是一種連桿平行度的檢測裝置［10］。在底座上固定有平行設置的芯棒和豎直設置的支撐板，連桿一段的軸孔能夠套設在芯棒一上，另一端的軸孔上能夠穿設芯棒二，連桿兩側(cè)設置測量儀表，在支撐板上設有能夠帶動儀表移動的滑動機構(gòu)。當滑動機構(gòu)同時帶動兩個千分表從芯棒二上劃過時，分別讀取兩千分表的最大值，就可以得到在這個方向上兩孔平行度誤差值。同理可以得到另一個方向的平行度誤差，進而獲得最終的檢測結(jié)果。通過對圖4進行改進，可以在一次裝夾中完成整個測量過程，如圖5所示。

圖4 連桿平行度的檢測裝置

圖5 改進后連桿平行度的檢測裝置

總體來說這類測量方法原理簡單，能夠達到較高的測量精度，但是依然需要較大的工作強度，而且依舊存在較大的人為誤差。

4 光電自動化設備測量方法

隨著傳感器技術的發(fā)展，連桿檢測也逐漸向著自動化的方向發(fā)展。出現(xiàn)了由微機控制、采用傳感器的多參數(shù)綜合量儀［11］，在測量精度和測量效率上都有了顯著的提高。通過合理安排傳感器，一次裝夾可以同時測量若干個待測參數(shù)，獲得10多項甚至20多項尺寸誤差、形位誤差類參數(shù)。而隨著傳感器本身的模塊化、集成化，用戶可以更方便地選擇被測量，按照測量需要安裝需要的組件，即可以全部選用傳感器，也可以與傳統(tǒng)量具相結(jié)合。

圖6是一種智能連桿測量系統(tǒng)的示意圖［12］。該設備在兩個測量柱中共布置了20個電感傳感器，將測量柱放入待測連桿中，采集這20個點的位置信息，經(jīng)過計算就可以得到兩孔平行度誤差。

圖6 智能連桿測量系統(tǒng)示意圖

除電控傳感器之外，還有采用氣動測量法、三坐標測量機測量、光電測量等等。氣動量儀測量連桿兩孔的平行度［13］，需要在每個被測方向上分別至少有8個噴嘴分別組成兩組氣路連接到兩臺量儀上，且只能定性評定精度，不能定量評定誤差大小、方向和位置。三坐標測量機（CMM）是一種典型的通用測量方法，并且已廣泛應用于制造業(yè)。雖然本身是一種先進的測量儀器，但是在實際使用中由于其對工作環(huán)境的嚴格限制，很難實現(xiàn)大批量的檢測。另外從生產(chǎn)成本的角度也并不劃算，不能滿足一般生產(chǎn)要求。光電測量方法使用激光光源和高精度CCD 作為主要測量元件，一般由激光束照射幕布靶面，用高精度CCD 相機拍攝相應的激光光斑位置，根據(jù)每個光斑在CCD 上的像素關系進行測量。該方法適用于長工件、大口徑的情況，而連桿頭孔深度小，很少使用這種方法。

5 展望

隨著發(fā)動機性能的不斷提升，對連桿本身制造、檢測的精度要求也不斷提高，需要更為快速、可靠的連桿檢測方法和設備。使用光電傳感器對連桿進行自動化檢測將會是連桿幾何參數(shù)測量的主要發(fā)展趨勢。

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