楊 浩，曾媛媛

YANG Hao1, ZENG Yuan-yuan2

（1.上汽通用五菱發(fā)動機制造部，柳州 545000；2.廣西科技大學，廣西 545000）

0 引言

曲軸是發(fā)動機的重要高速旋轉部件，隨著發(fā)動機功率的提高以及轉速高速化的應用和發(fā)展，發(fā)動機曲軸的轉速也不斷提高，有的甚至可以達到10000轉/min轉以上。但曲軸毛坯特別是鍛鋼曲軸的毛坯余量不均勻，在機械加工過程中也不可避免會因為毛坯材質不均勻、加工誤差等導致曲軸幾何軸線和質量軸線不重合，產生動不平衡量，使發(fā)動機工作時產生振動和振動力，引起發(fā)動機噪聲大、軸承發(fā)熱和整車振動大。因此，曲軸的平衡精度對發(fā)動機的振動、運行平穩(wěn)性及壽命都有很大的影響。同時，曲軸的初始動平衡量過大也會給加工造成諸多不便，導致平衡機平衡單個工件時間過長，從而影響加工效率，甚至會出現(xiàn)無法平衡造成曲軸報廢的現(xiàn)象。

1 動平衡原理

1.1 不平衡量的分類

1）靜不平衡量Uc

2）力偶不平衡量Um

圖2 力偶不平衡量Um

3）準靜不平衡量Uq

4）動不平衡量Ud

這種情況下的動不平衡可以看作是派生的，它是由一個或多個靜不平衡量Uc與力偶不平衡量Um組合而成。第1種情況與第2種情況是這種動不平衡的特殊情況。

由于曲軸結構的特殊性，都會有一定的初始不平衡量，且為動不平衡量。

1.2 曲軸動平衡機測量原理

任何物體在勻速旋轉時，體內任一質點都將產生離心力，無數(shù)個離心力組成一個慣性力系作用在軸承上，形成轉子對軸承的動壓力，如果鉆子的質量對轉軸對稱分布，則動壓力為零，即轉子不平衡量為零；否則將產生動壓力，即轉子有不平衡量。

假設圖3為一個質量均勻分布的盤形轉子，本身是平衡的，如果在角度ф半徑r的位置存在一個重量為u的不平衡量，那么一旦該轉子以轉速Ω旋轉起來后，這個重量產生離心力對回轉中心的支承點造成一個動壓力。動平衡機的測量原理就是通過檢測轉子支承點所承受的動壓力，求出轉子的不平衡量，在這個例子中就是U=u×r，單位克毫米或克厘米，角度ф。

圖3 離心力示意圖

圖4 顯示了曲軸平衡機的測量原理，轉子在支承擺架上回轉，其不平衡量產生離心力，通過支承點傳到擺架上，傳感器采集到信號后進行處理，發(fā)送給測量模塊。

測量模塊將測得的信號換算為不平衡量，顯示在屏幕上。同時按照輸入的鉆削工藝參數(shù)進行解算，將需要去除的不平衡量優(yōu)化分解到各個校正平面（曲軸的平衡塊），由PLC控制校正工位的動作。

圖4 曲軸動平衡機測量原理

2 動平衡工藝優(yōu)化方法

2.1 調整動不平衡量的方法

1）加重

在已知該校正面上的不平衡量的反方向加一質量，使這附加質量產生的不平衡量與原不平衡量抵消。加重可采用補焊、噴鍍、膠接、鉚接、螺紋聯(lián)接等方法。

2）去重

在已知該校正面上的不平衡量的相同方向上去掉一定質量，使這去掉的質量產生的不平衡量就是原來的不平衡量。去重方法可采用鉆、磨、銑、銼和激光打孔等方法。

3）調整校正質量

在回轉體預先設計好的各種結構中，調整校正質量的大小和方位，達到去重和加重的同樣目的。例如：調整平衡槽內平衡塊數(shù)和角度分布；調整兩偏心塊的相對角度位置；擰入或擰出螺釘改變校正質量半徑等。

由于曲軸的結構特殊性以及在發(fā)動機機體里的空間限制，一般采用去重的方法校正曲軸動不平衡量。

2.2 曲軸中心孔與動平衡量的關系

從不平衡原理得知不平衡量的產生是由于質量軸線和幾何軸線不重合所致。曲軸加工工藝的特殊性是首先要加工曲軸兩端中心孔，然后再以兩端中心孔作為基準加工曲軸。鉆完中心孔后曲軸的幾何軸線已基本確定，而質量軸線會根據(jù)曲軸毛坯的批次、模號以及曲軸加工工藝的變化而變化。對于一條曲軸生產線，在曲軸加工工藝確定、各機床加工狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，曲軸的質量軸線也會相對穩(wěn)定，這時只要找到質量軸線和幾何軸線的相對位置關系，通過調整曲軸中心孔位置來調整幾何軸線，使質量軸線和幾何軸線相對接近，降低曲軸的初始動不平衡量。

2.3 曲軸動平衡工藝優(yōu)化實例

某曲軸生產線的加工工藝布局為鉆中心孔工位四臺，動平衡工位一臺，中心孔位置度的要求為0.5mm。針對這條曲軸生產線的工藝布局，初步的優(yōu)化思路為：

1）收集曲軸初始不平衡量數(shù)據(jù)，并通過Q-DAS軟件分析數(shù)據(jù)；從圖5中看出，平均初始不平衡量X方向為376g.mm，Y方向為-260g.mm，初始不平衡量較大。理論上把初始不平衡量控制在200g.mm以內，可確保95%的曲軸一次校正合格。數(shù)據(jù)分布為部分數(shù)據(jù)相對集中，原因是單臺鉆中心孔機床加工出的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，但每臺之間的數(shù)據(jù)相差較大，故需要將四臺機床的初始不平衡量調整一致。

圖5 優(yōu)化前的初始不平衡量分布

2）將四臺鉆中心孔工位的中心孔位置度調整為一致即把四臺機床的初始不平衡量調整一致，確保所有曲軸的幾何軸線一致；

3）收集曲軸的初始不平衡量，通過分析找到幾何軸線與質量軸線的對應關系；

4）通過調整中心孔位置，使質量軸線和幾何軸線相對接近，降低曲軸的初始動不平衡量，調整后的初始不平衡量如圖6所示，平均不平衡量在150g.mm，改善效果較明顯，平均鉆孔數(shù)減少了30%左右，動平衡機工作節(jié)拍減少了3.3S左右。

3 結束語

1）通過對曲軸動平衡機原理進行研究，找出影響初始不平衡量的可能原因；

2）運用Q-DAS數(shù)據(jù)分析軟件分析實際曲軸線的運行狀態(tài)，并制定優(yōu)化方案；

圖6 優(yōu)化后的初始不平衡量分布

3）通過優(yōu)化曲軸中心孔位置，使質量軸線和幾何軸線相對接近，降低曲軸的初始動不平衡量，提高動平衡加工效率；

4）雖然通過工藝優(yōu)化可在一定程度上提高動平衡加工效率，但曲軸毛坯質量不均勻也是影響曲軸初始不平衡量的一大影響，還需要進一步的分析研究。

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