謝金龍，劉智翔

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提高發(fā)動機曲軸自動平衡機測量穩(wěn)定性的方法

謝金龍，劉智翔

（四川省宜賓普什汽車零部件有限公司，四川 宜賓 644007）

汽車發(fā)動機曲軸動平衡量值大，會產(chǎn)生振動現(xiàn)象，甚至讓駕駛員無法接受以致影響正常駕駛。對于曲軸的動平衡量值在設(shè)計中有嚴格的要求，若曲軸動平衡量值不穩(wěn)定，加工置信率差，會導致發(fā)動機異常振動。本研究分析影響動曲軸平衡機測量不穩(wěn)定性的原因，旨在讓動平衡測量精度置信率達標，并尋求提升動平衡測量穩(wěn)定性的方法。文中采用了平衡機定標砝碼的制定，解決分離比問題和增設(shè)創(chuàng)新軸向定位裝置方法，解決了曲軸動平衡不穩(wěn)定性問題。

汽車發(fā)動機；曲軸自動平衡機；測量

汽車發(fā)動機曲軸36道加工工序中，曲軸動平衡加工被列為關(guān)鍵加工工序，動平衡加工精度差，會導致車輛在行駛中的振動過大而影響行駛平穩(wěn)性，甚至會引起曲軸斷裂帶來安全事故。動平衡測試技術(shù)、信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，發(fā)表的相關(guān)文獻和測試系統(tǒng)也比較多[1-5]，雖然在機加工中進行了一系列的檢測調(diào)整和對比，但是，曲軸的動平衡穩(wěn)定性還不夠好，還需要進一步對測量穩(wěn)定性查找原因和尋求新的解決方法。

1 曲軸自動平衡機測量精度要求

通常曲軸動平衡加工的精度會根據(jù)汽車發(fā)動機廠家的要求而規(guī)定。如一款型號為P1的曲軸，發(fā)動機廠家要求動平衡精度為15 g·cm。曲軸生產(chǎn)廠家不僅需要將精度加工到15 g·cm以內(nèi)，重復(fù)測量誤差不能超過3 g·cm，且在全自動平衡機的測量精度置信率達到95%以上。

目前全自動平衡機能達到曲軸工藝生產(chǎn)要求，重復(fù)測量值超過6 g·cm（要求3 g·cm以內(nèi)），置信率達不到95%，測量值不穩(wěn)定。測量值記錄如表1所示，測試時間為2016.11.10～2016.11.20，測試機床為一車間自動平衡機，產(chǎn)品型號為P1。

表1 動平衡標件量值記錄

2 曲軸動平衡測量不穩(wěn)定原因分析

2.1 機械干涉

在實際生產(chǎn)過程中這些因素主要體現(xiàn)在以下幾個方面[6]：

（1）制造過程中機械加工不精確，傳感器連接桿有間隙。傳感器連接桿與機床固定件之間有間隙，且無鐵屑等雜質(zhì)的干涉、卡阻。

（2）升降托架電機外殼有無外部干涉。這就機床操作人員在測量加工中經(jīng)常遇到的問題，曲軸的大頭和小頭測量值時好時壞，小頭測量值偏小的主要原因，小頭側(cè)的托架電機外殼與機床外殼只有約5 mm的間隙，測量時如果有鐵屑卡在間隙里就會阻礙小頭側(cè)整個測量擺架的運動，進而影響稱量結(jié)果。

（3）維修過程中改變狀態(tài)，氣管、電線與擺架發(fā)生干擾。機床使用的壓縮空氣氣管、電纜線與測量擺架如發(fā)生干涉，測量值也會收到一定的影響。

（4）運行過程中轉(zhuǎn)子不均勻磨損，擺架上的護罩如果沒有緊固，在測量過程中會參擺，影響測量。

2.2 工裝夾具

在換型時，軸向限位塊，支撐瓦的狀態(tài)也會影響測量：

（1）軸向限位的位置調(diào)整。在工件旋轉(zhuǎn)的過程中，起到實際軸向竄動限位作用的是兩個軸承，而銅瓦的作用是在去重鉆削時防止曲軸在切削時由于切削力在擺動的稱量擺架上產(chǎn)生位移，而影響鉆削深度。在銅瓦的安裝時，應(yīng)避免與工件端面產(chǎn)生摩擦，與軸頸有0.3～0.5 mm的間隙。軸向限位軸承也應(yīng)與端面有0.3～0.5 mm間隙且要避開圓角防止工件旋轉(zhuǎn)時有“爬坡”現(xiàn)象。定時檢查軸承是否動作靈活無卡阻。

（2）支撐瓦。合金瓦應(yīng)該緊固在工裝上，并定期研磨，每次研磨要研磨至軸頸無污物為最好。陶瓷支撐瓦由于加工工藝應(yīng)該浮動于工裝上，使其充分接觸軸頸。換裝陶瓷瓦時檢查瓦是否有活動間隙，瓦面是否全部接觸軸頸，避免陶瓷瓦磨損不均勻。

2.3 輔助材料

（1）潤滑。支撐瓦與工件之間的潤滑依靠機床自帶的油霧潤滑，沒有潤滑或者潤滑不均勻會導致瓦塊磨損，也會導致稱量不準確，是極其重要的。潤滑系統(tǒng)在使用調(diào)節(jié)過程中應(yīng)保證前后支撐架的出氣量大小基本相同，檢測方式為用白紙放在出油孔的地方能在白紙上形成圓形油印為最佳狀態(tài)。出油量大小可以調(diào)節(jié)油霧器的調(diào)節(jié)旋鈕，同時配合壓差調(diào)節(jié)，進氣壓力5～6 bar，出氣壓力比進氣壓力小2 bar。冬天溫度較低應(yīng)該適當調(diào)大出油量或者使用密度較低的潤滑油。

（2）氣管。由于兩臺自動平衡機鉆頭都沒有使用護罩，鐵屑飛濺嚴重，氣管燙傷，漏氣的地方比較多。壓力不穩(wěn)定，產(chǎn)品去重時夾持產(chǎn)品可能會出現(xiàn)產(chǎn)品位置變化，影響切削深度或者角度。

以上問題都是在機床調(diào)試過程中處理過和需要注意的，有些因素雖然不是影響機床穩(wěn)定性的根本原因或者單獨能影響機床穩(wěn)定性的原因，但是都不能忽視。

3 提高自動平衡機測量穩(wěn)定性方法

3.1 平衡機定標砝碼的制定

以常見發(fā)動機曲軸4JB1為例，標準扇葉半徑85 mm，動平衡要求在17 g/cm內(nèi)。首先動平衡定標，標準件的加重砝碼應(yīng)該貼合扇葉板，在實驗時選擇2 g、20 g、50 g左右的砝碼進行加重實驗，定標后反復(fù)測量看其量值是否穩(wěn)定。這里涉及到了砝碼質(zhì)心的計算，能準確計算砝碼質(zhì)心是驗證機床測量系統(tǒng)是否準確和定標起到?jīng)Q定性作用。下面是砝碼質(zhì)心計算的方法，如圖2所示。圖中：為砝碼總質(zhì)量，g；1為砝碼大端質(zhì)量，g；2為砝碼螺紋端質(zhì)量，g；為砝碼螺紋段長度，cm；為砝碼大段長度，cm；為砝碼計算質(zhì)心到螺紋底端距離，cm；為砝碼計算質(zhì)心距離，cm。

圖2 動平衡砝碼幾何尺寸

根據(jù)動平衡機砝碼計算公式[7]：

2×/2＋1×(＋/2)＝×（1）

由式（1）可以得出砝碼計算質(zhì)心距為：

＝－（2）

假如曲軸的扇面半徑為＝85 mm，砝碼加在扇葉上時的計算半徑為'＝＋在加重實驗時機床測量出的不平衡量就應(yīng)該為×'（g/cm）。

再根據(jù)計算砝碼質(zhì)心距離修改參數(shù)中的試重半徑，這樣就能對比計算的不平衡量與實際機床測量的不衡量的差值了。

多次試重后如機床的測量值非常不穩(wěn)定。在原參數(shù)中設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min，由于4JB1的質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)速過高會影響測量振動線性，在分別實驗350 r/min、360 r/min、380 r/min后得出360 r/min時測量4GB1的稱量值相對穩(wěn)定了，但是仍然有偏差以及大小頭的分離比不好，加重后另一端的不平衡量也會很大。

3.2 解決分離比問題

分離比不好也會影響測量值。影響分離比通常有兩個方面，一個是大小頭有一端有機械干涉，一個是大小頭有一端的傳感器有問題。如排除機械干涉，那么檢查傳感器。傳感器探頭與連桿固定無松動，探頭運動正常能自由往復(fù)運動無干涉（如果有卡阻現(xiàn)象可更換傳感器內(nèi)的簧片）。檢查無問題后做無加重測量，檢查左右兩端的振幅線性一致性，如形成180°，一個近似正玄波一個近似余弦波，可判斷有一側(cè)傳感器的1、2端子的線路接法問題導致波形不一致影響分離比。通過在大小頭分別加重，繼續(xù)做無加重實驗就可看振幅變化從而確定是哪一邊的傳感器線接線問題了。重新焊接線后線性一致（圖3），再看振幅線性時，加上最重的砝碼（50 g左右），看線性圖會不會出現(xiàn)跳出畫面的情況，如果有就調(diào)節(jié)測量板上的檔位，左右側(cè)均可調(diào)節(jié)放大比例，直到線性適中。

3.3 增設(shè)軸向定位裝置

繼續(xù)進行加重測試，改了傳感器線后分離比很小在允許范圍內(nèi)，但還是出現(xiàn)小范圍波動，量值不穩(wěn)定。曲軸自動平衡機在測量的過程中，曲軸是旋轉(zhuǎn)件，一個不平衡的曲軸在其旋轉(zhuǎn)過程中對其支承結(jié)構(gòu)和曲軸本身產(chǎn)生一個壓力，并導致振動，自動平衡機就是對曲軸在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行動平衡測量校驗，經(jīng)過反復(fù)測量和檢查發(fā)現(xiàn)，曲軸在旋轉(zhuǎn)過程中軸向竄動嚴重（約0.5～3 mm的軸向竄動），導致曲軸動平衡量值重合性極差[8]，甚至有曲軸在測量過程中飛出機床的現(xiàn)象。

圖3 動平衡傳感器振幅線性圖

造成上述情況的原因是：曲軸全自動平衡機軸向定位裝置主要是靠軸向定位塊（見圖4），軸向定位塊材料為黃銅，曲軸軸向定位塊磨損，曲軸在加工測試旋轉(zhuǎn)中，產(chǎn)生軸向竄動時，與銅塊干涉，造成銅塊磨損，定位塊與曲軸開檔的間距越來越大，曲軸在加工中的軸向竄動也越來越大，量值誤差也逐漸增大。

根據(jù)上述分析，對曲軸在動平衡測量時的端面進行定位，即提供一種能防止發(fā)動機曲軸在動平衡測量中的軸向竄動，以彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，增設(shè)動平衡機軸向定位裝置，限制曲軸在動平衡加工中軸向竄動。軸向定位裝置如圖4所示。

圖4 軸向定位裝置

該定位裝置改進后，操作方便，曲軸開始測試時，軸向定位氣缸伸出，定位軸承緊貼曲軸端面，防止曲軸在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的軸向竄動，曲軸動平衡精度達到發(fā)動機廠家要求的精度，保證了全自動平衡機置信度達到96%以上。杜絕了曲軸在測量旋轉(zhuǎn)時偶爾飛出的現(xiàn)象。

表2為動平衡標件量值改進后記錄，測試時間為2016.12.21～2016.12.29。從表中可以看出，曲軸自動平衡機測量穩(wěn)定性得到有效提升。

表2 動平衡標件量值改進后記錄

4 結(jié)論

針對曲軸的動平衡穩(wěn)定性不夠好問題，本文根據(jù)動平衡機的精度要求，通過在實際生產(chǎn)加工過程中找到三個影響動平衡不穩(wěn)定的切實原因。并通過對平衡機定標砝碼的制定，解決分離比問題和增設(shè)創(chuàng)新軸向定位裝置，限制曲軸動平衡加工中軸向竄動，使動平衡置信率從90%提高到了96%以上，從而提高了曲軸自動平衡機測量的穩(wěn)定性。

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A Method for Improving Measurement Stability of Engine Crankshaft Automatic Balancer

XIE Jinlong，LIU Zhixiang

(PUSH Auto Parts Co.,Ltd., Yibin644007, China )

The large value of the crankshaft dynamic balance of an automobile engine may cause vibrations even to the extent that the driver cannot accept it and normal driving is affected. There are strict requirements on the dynamic balance of the crankshaft. If the crankshaft's dynamic balance is unstable and the machining confidence is poor, it will cause abnormal engine vibration. This study analyzes the reasons that affect the instability of the crankshaft balancing machine measurement. The purpose is to make the dynamic balance measurement meet the standard of accuracy and to seek ways to improve the stability of the dynamic balance measurement. The formulation of balancing machine calibration weights was adopted to solve the problem of separation ratio and to develop a method of adding innovative axial positioning devices, which solved the instability problem of crankshaft dynamic balance.

automobile engine；crankshaft automatic balancing machine；measurement

U666.16+1

A

1006－0316 (2018) 04－0042－05

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.010

2017－09－21

謝金龍（1982－），男，四川宜賓人，本科，工程師，主要從事生產(chǎn)、設(shè)備管理工作。