江新軍,馮杰

(臺州中際汽車零部件有限公司,浙江臨海 317000)

汽車制動空壓機(jī)的曲軸與整機(jī)動平衡

江新軍,馮杰

(臺州中際汽車零部件有限公司,浙江臨海 317000)

汽車制動空壓機(jī)的曲軸及其傳動平衡是整機(jī)性能和精準(zhǔn)的關(guān)鍵要求。分析了制動空壓機(jī)曲軸及其傳動平衡偏差的產(chǎn)生、變化和連帶問題，提出了制動空壓機(jī)的曲軸與整機(jī)動平衡的特殊要求，以及解決問題的思路、依據(jù)和方法。

汽車制動空壓機(jī)；曲軸；整機(jī)動平衡

0 引言

汽車制動空壓機(jī)的工作傳動，是曲軸的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)換成活塞的上下運(yùn)動。曲軸是主動運(yùn)動。對于雙缸機(jī)，由曲軸軸心到活塞的上止點(diǎn)，是曲軸圓周(力矩)的放大，是非直線型力臂。對于單缸機(jī)，曲軸傳輸?shù)膱A周半徑是軸心到活塞的上止點(diǎn)和下止點(diǎn)循環(huán)變化的過程。制動空壓機(jī)的曲軸只要稍有偏差，在力矩到達(dá)活塞時(shí)，偏差就會被放大。即使其本身平衡，也可能無法達(dá)到傳動整體的平衡而影響整機(jī)的性能。若本身的不平衡或平衡偏差更會產(chǎn)生無法估量的質(zhì)量后果。

而汽車發(fā)動機(jī)或內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)動方式相反，是活塞的上下運(yùn)動變成曲軸的圓周運(yùn)動。它的曲軸是起協(xié)調(diào)作用的被動運(yùn)動。汽車制動空壓機(jī)的曲軸及其傳動整體的動平衡，相對于汽車發(fā)動機(jī)或內(nèi)燃機(jī)而言，有特殊的定義和要求。

1 制動空壓機(jī)曲軸與整機(jī)平衡的要點(diǎn)

各種曲軸，均有其最平衡的支承位置、最平衡的轉(zhuǎn)速。在最平衡支承、最平衡轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上確定技術(shù)參數(shù)或指標(biāo)區(qū)間，實(shí)現(xiàn)曲軸效用最大化。不恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速和支承位置，振動較大，功效低。超出支承位置和轉(zhuǎn)速區(qū)間，或達(dá)到曲軸內(nèi)在的頻率區(qū)間，易發(fā)生共振、扭振等不良現(xiàn)象。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，支承位置或支點(diǎn)的變化往往不大，但轉(zhuǎn)速變化很大。為達(dá)到功能目的，轉(zhuǎn)速往往被額定或鎖定。在技術(shù)上，首先鎖定的應(yīng)是最平衡的轉(zhuǎn)速。因此，速度既是目的又是條件。整機(jī)動平衡是有條件的平衡，額定轉(zhuǎn)速必須達(dá)到平衡，平衡又必須保障額定轉(zhuǎn)速。

曲軸運(yùn)動的偏差主要是動平衡偏差。曲軸運(yùn)動偏差較大時(shí)，相對離心力也大。汽車制動空壓機(jī)的曲軸在工作時(shí)，是高速轉(zhuǎn)動的，高端產(chǎn)品可達(dá)4 000 r/min。如果平衡度不好，就會產(chǎn)生動量峰值，不但會產(chǎn)生較大的振動和不利的效能，嚴(yán)重的還會折斷。

目前生產(chǎn)廠商加工的曲軸,大多尺寸準(zhǔn)、精度高，靜平衡看似較好,但動平衡基本上都難以保證。 因?yàn)?靜平衡并不能保證質(zhì)心絕對在軸線上(不是尺寸形狀來決定的，還受間隙、鑄造質(zhì)勻度的影響),哪怕是微小的誤差在轉(zhuǎn)速提高到一定程度都會被不允許。同時(shí),不平衡質(zhì)量不在同一個(gè)平面內(nèi)，因此它們還會產(chǎn)生一個(gè)力矩，使軸線發(fā)生撓曲，從而產(chǎn)生振動。曲軸運(yùn)動的偏差主要是動平衡偏差。制動空壓機(jī)的制造，如深入地采用曲軸的動平衡和校正技術(shù)，將會給汽車制動空壓機(jī)的性能帶來品質(zhì)的提升，甚至是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝的變革。

2 曲軸平衡的難點(diǎn)

汽車制動空壓機(jī)的曲軸平衡有特殊的要求。曲軸作為結(jié)構(gòu)特殊的剛性轉(zhuǎn)子,在運(yùn)行中總是與連桿、活塞一起構(gòu)成一個(gè)傳動整體, 加以相關(guān)組件，暫稱其為傳動系統(tǒng)(與汽車構(gòu)造中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)含義不相同[1])。傳動系統(tǒng)內(nèi)部的配件連接，加上往復(fù)質(zhì)量的影響, 傳動組件整體很難達(dá)到高度或完全的平衡。由此可見，曲軸及其傳動組件整體的動平衡技術(shù)，在生產(chǎn)制造或市場競爭活動中占有特殊地位，其難點(diǎn)不可小視。

2.1 曲軸平衡連帶作用大

曲軸平衡工序是一種制造工藝。整機(jī)平衡是終極目的。曲軸傳動運(yùn)動的終端是活塞。曲軸+連桿+活塞組成了內(nèi)部傳動系統(tǒng)，因此傳動系統(tǒng)是整機(jī)平衡校正研究的重點(diǎn)。當(dāng)傳動系統(tǒng)(曲軸+連桿+活塞)通過校正確認(rèn)平衡后，仍有不符標(biāo)準(zhǔn)的整機(jī)振動現(xiàn)象，才去考慮閥片閥門、箱體材料、整機(jī)裝配等其他因素，但源頭仍然是曲軸。

2.2 曲軸的“平衡偏差”無法前置設(shè)定

曲軸的生產(chǎn)，經(jīng)過鑄造或鍛造、切削、鉆油孔等，自身的平衡偏差變化無常，無法事前設(shè)定。因此，檢測不可缺失。

加工軸線所在圓周長小，近似是個(gè)點(diǎn)。裝配軸線所在圓周長大，是軸柄的外圓與軸承的內(nèi)圓，在重力與間隙的作用下，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的圓外周雙影(可拍攝后顯微觀看)就是中心線的偏差，因此更能反映實(shí)際中心線的細(xì)微偏差或平衡偏差。加工軸線(設(shè)計(jì)線)與裝配軸線圓心的區(qū)別，即檢測的中心線的偏差問題。

理論上的平衡(即設(shè)計(jì)上處于靜止或勻速轉(zhuǎn)動狀態(tài))，是F動力×l動力臂=F阻力×l阻力臂。根據(jù)企業(yè)“偏差”水平，作者認(rèn)為：所有的中速曲軸(作者認(rèn)為1 000～2 000 r/min)應(yīng)該都要做動平衡測試。平衡偏差較大，相對離心力也大，會產(chǎn)生較大的振動。凡是高速轉(zhuǎn)動件更要做平衡試驗(yàn),如曲軸+連桿+活塞、傳動軸、軸承等。部件加工軸線圓心一般也要通過動平衡機(jī)測試，以便決定是否在曲軸的不受力部位調(diào)整一些材料。

3 解決問題的思路、依據(jù)和方法

3.1 樣機(jī)研究

曲軸不是規(guī)則的圓形部件，需要?jiǎng)討B(tài)情況下的平衡。動態(tài)不平衡的曲軸，需要通過合適(見第3.4節(jié))的方法，使其運(yùn)轉(zhuǎn)圓周平衡。曲軸的兩端，通過軸承或軸套支撐，對其運(yùn)動狀態(tài)也會帶來間接影響。因此，前期研究首先是曲軸的平衡校正小試；確定企業(yè)樣機(jī)和動平衡等級，借助檢測設(shè)備進(jìn)行振動測試、平衡測試；通過記錄、校正多次測試，比較平衡與振動情況，計(jì)算平衡等級差距，進(jìn)行曲軸平衡分析論證。

3.2 傳動系統(tǒng)的平衡

為達(dá)到傳動系統(tǒng)平衡的目的，有必要進(jìn)行曲軸、連桿、活塞的單件平衡分析和曲軸+連桿+活塞+氣缸的關(guān)聯(lián)配合運(yùn)動分析。單件的連桿和活塞有別于曲軸，不適宜做圓周轉(zhuǎn)動測試。建議對連桿做擺動頻次性能、擺動平衡、連接端距離試驗(yàn)，對活塞做上下垂直運(yùn)動偏離和與缸體順應(yīng)性能試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行曲軸+連桿+活塞的關(guān)聯(lián)配合運(yùn)動試驗(yàn)，或稱為傳動系統(tǒng)的動平衡測試。

關(guān)于曲軸與整機(jī)平衡的特殊設(shè)計(jì)和計(jì)算。國內(nèi)成熟的技術(shù)資料和數(shù)據(jù)較多。因文字量大，專業(yè)計(jì)算較多，此文從略。但需要強(qiáng)調(diào)的是，文中所指的曲軸是針對汽車制動空壓機(jī)的曲軸，目前尚無國家標(biāo)準(zhǔn)[2]。為此，文中所指曲軸平衡概念要走出傳統(tǒng)的觀念，需要研究針對制動空壓機(jī)曲軸組件與單件動平衡測試的理論，才能為該行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐服務(wù)。

3.3 檢測專具的研發(fā)

目前的測振儀、平衡儀很難測得機(jī)內(nèi)傳動件連接后的平衡狀況，只能用外部測振等方法進(jìn)行判斷，測試結(jié)果也較難區(qū)分主次輕重。因此，研制“有缸無箱”的專用夾具(簡稱專具)進(jìn)行傳動平衡測定，尚能解決上述問題。

目前市場上的汽車曲軸專用平衡機(jī)是針對汽車發(fā)動機(jī)的。有支架式的，直觀、易操作、成本較低，可作為制動空壓機(jī)曲軸專用平衡機(jī)的參考樣機(jī)。為測試傳動系統(tǒng)平衡、終端平衡，作者構(gòu)思、探討在該機(jī)上部另設(shè)氣缸支架，用于固定模型氣缸，有缸無箱可觀察。測試時(shí)，曲軸連接連桿、活塞、氣缸進(jìn)行測試，缸數(shù)減到1缸和2缸兩用的專用試驗(yàn)機(jī)。在有條件時(shí)，再加上自動去重等功能。

仿真條件下的試驗(yàn)還有高溫、高壓、潤滑、整機(jī)配合等測試項(xiàng)目。

3.4 曲軸動平衡的方法

3.4.1 支承平衡和轉(zhuǎn)速平衡

支承平衡和轉(zhuǎn)速平衡需要支承點(diǎn)與周條件的支持。曲軸受承位置點(diǎn)與周條件、間隙條件有關(guān)，點(diǎn)支承組成了多點(diǎn)支承。實(shí)驗(yàn)表明：各種曲軸，均有其相對的最平衡支承位置、最平衡轉(zhuǎn)速。在此基礎(chǔ)上確定技術(shù)參數(shù)或指標(biāo)區(qū)間，可實(shí)現(xiàn)曲軸效用最大化。不恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速和支承位置，振動較大。超出支承位置和轉(zhuǎn)速區(qū)間，若達(dá)到曲軸內(nèi)在頻率時(shí)，會發(fā)生共振或扭振現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)、制造、測試、校正的各個(gè)環(huán)節(jié)中，要緊扣曲軸這個(gè)特性，才能為制造最平衡曲軸、進(jìn)而制造最平衡的制動空壓機(jī)打下基礎(chǔ)。

3.4.2 去重、加重和最佳質(zhì)量

去重平衡是最常用、最實(shí)用的平衡方式。不少新款平衡機(jī)加上了去重功能，成為平衡去重試驗(yàn)機(jī)。相對于去重平衡，還有加重平衡的方法。從傳動系統(tǒng)看，曲軸在轉(zhuǎn)速等傳動條件被確定后，質(zhì)量顯得尤其重要。設(shè)計(jì)和額定質(zhì)量是動平衡最基礎(chǔ)最重要的預(yù)置工作，絕不能忽視。在動平衡測試時(shí)，質(zhì)量是必需輸入的數(shù)據(jù)。在曲軸符合規(guī)定的質(zhì)量、材質(zhì)和規(guī)格的條件下，在許可誤差內(nèi)，才可能進(jìn)行去重或加重平衡。質(zhì)量是曲軸穩(wěn)定和強(qiáng)度的基礎(chǔ)，而最佳質(zhì)量是曲軸動平衡精準(zhǔn)的條件。

3.4.3 動不平衡的檢測與預(yù)防

目前，動不平衡的檢測儀器主要有動平衡儀、去重平衡機(jī)、汽車曲軸專用平衡機(jī)等。但動平衡與振動密切相關(guān)。動不平衡必然引起振動，振動必然影響平衡。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，建議結(jié)合使用測振儀進(jìn)行動不平衡檢測驗(yàn)證，從不同角度考證動不平衡的情況[2]。檢測結(jié)果數(shù)據(jù)可以根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算、等級比照[3-4]，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

3.4.4 扭振的預(yù)防

扭振是動不平衡的特殊形式。曲軸不是絕對剛性的，具有一定的彈性和頻率，受轉(zhuǎn)動慣性、轉(zhuǎn)動扭力、干擾扭力的影響，它們之間不會同步。各種復(fù)雜的扭力交織而不一致，在達(dá)到一定頻率臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，會發(fā)生振抖現(xiàn)象。頻率、轉(zhuǎn)速、剛性是決定扭振與否的三大要素，同時(shí)也是控制扭振現(xiàn)象的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)預(yù)防是行之有效的重點(diǎn)預(yù)防方式。

4 總結(jié)

制動空壓機(jī)的曲軸不同于汽車發(fā)動機(jī)或內(nèi)燃機(jī)的曲軸。它只要稍有偏差，力矩在到達(dá)活塞時(shí)，偏差就會被放大。即使曲軸本身平衡，由于傳輸，也可能無法達(dá)到終極的平衡而影響整機(jī)的性能，產(chǎn)生無法估量的質(zhì)量后果。

研究汽車制動空壓機(jī)的曲軸與整機(jī)動平衡有現(xiàn)實(shí)與特殊的意義。在與曲軸相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)[5-6]中，至今沒有汽車制動空壓機(jī)曲軸及動平衡的標(biāo)準(zhǔn)[2]。而上述標(biāo)準(zhǔn)大多以嚴(yán)格的加工尺寸來控制其平衡偏差，對不平衡量和適用對象沒有作出規(guī)定，制動空壓機(jī)產(chǎn)品終極動平衡得不到應(yīng)有的控制。

文中分析了制動空壓機(jī)曲軸及其傳動系統(tǒng)動平衡偏差的產(chǎn)生、變化、連帶和平衡無法前置等問題，提出了制動空壓機(jī)的曲軸與整機(jī)動平衡的特殊要求，以及解決問題的思路、依據(jù)和方法。

【1】張?jiān)椒?曲軸連桿機(jī)構(gòu)的動平衡[J].化學(xué)工程與裝備，2010(1):67-72.

【2】周士炎.動平衡標(biāo)準(zhǔn)及其評價(jià)[J].標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)，1995(12):23-27.

【3】中華人民共和國工業(yè)和信息化部.JB/T 8541-2013容積式壓縮機(jī)機(jī)械振動分級[S].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

【4】ISO 1940/1-2003機(jī)械振動.在恒定(剛性)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量要求.第1部分：平衡公差的規(guī)定和檢定[S].

【5】全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化委員會發(fā)動機(jī)分委會.QC/T 481-2005汽車發(fā)動機(jī)曲軸技術(shù)條件[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2005.

【6】全國內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T23339-2009內(nèi)燃機(jī)曲軸技術(shù)條件[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

Dynamic Balance of the Crankshaft of Auto Brake Air Compressor and the Whole Machine

JIANG Xinjun, FENG Jie

(Taizhou Zhongji Auto Parts Co.,Ltd., Linhai Zhejiang 317000,China)

The dynamic balance of crankshaft of auto brake air compressor and transmission balance are key request for performance and accuracy of complete machine. The generation, change and other problems about crankshaft dynamic balance deviation and the transmission system balance deviation were analyzed. The special requests for crankshaft of auto brake air compressor and dynamic balance of the whole air compressor were presented,as well as thinking,reason and way for solving problems.

Air brake compressor; Crankshaft; Dynamic balance of whole machine

2015-07-20

江新軍，男，研究方向?yàn)槠嚳諌簷C(jī)高端產(chǎn)品。E-mail：：info@tabco-auto.com。