摩托車曲柄連桿機構(gòu)動平衡測試與校正的新方法

唐一科 陰紅艷 陳國聰 徐正昭

(1.重慶大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶 400030;2.重慶科技學(xué)院機械與動力工程學(xué)院，重慶 401331)

摩托車曲軸總成由曲柄軸、軸承、曲柄銷、連桿、活塞及活塞銷等組成，發(fā)動機工作時，旋轉(zhuǎn)不平衡質(zhì)量會產(chǎn)生不平衡離心力，同時活塞的往復(fù)運動和連桿的往復(fù)擺動也會引起不平衡慣性力。傳統(tǒng)測量方法效率較低，且不具備不平衡校正的功能。本文通過對曲軸組件進行運動學(xué)和動力學(xué)分析，利用正交的二向測力儀來拾取不平衡慣性力的動態(tài)數(shù)據(jù)，將它們投影到曲柄軸旋轉(zhuǎn)的不同角度上，得到不同角度上的不平衡慣性合力的動態(tài)數(shù)據(jù)，進而得到每個角度上合力的力幅。由計算機繪制出不平衡慣性力矢端軌跡圖，它是一個封閉的“8”形力圖。由這個封閉力圖計算出曲軸組件的“主軸傾角Ψ”和“平衡率γ”。用這兩個參數(shù)來表征摩托車曲軸組件動力學(xué)特性［1］。在力圖中，通過測試軟件的識別，計算出所測曲軸組件的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量ma和偏置角β。再結(jié)合曲軸總成產(chǎn)品工藝的要求，計算不平衡校正的去重質(zhì)量m和去重相位α。

1 曲軸組件動平衡測試系統(tǒng)

摩托車曲軸組件動平衡測試系統(tǒng)是由驅(qū)動系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)以及測量系統(tǒng)組成，如圖1所示。在測量系統(tǒng)的機構(gòu)中，采用一個正交的二向測力儀，同時拾取不平衡慣性力在X、Y兩個方向的振動信號，不用重復(fù)進行分度操作，一次裝夾就能快速完成全部測試任務(wù)，使摩托車曲軸組件的測量效率比傳統(tǒng)曲軸總成動平衡機提高50倍以上，同時可對曲軸總成的產(chǎn)品質(zhì)量進行有效控制。

由傳感器拾取到的振動信號經(jīng)過信號調(diào)理電路變換，最終被送至計算機中，由測試軟件對其進一步處理。

(1)測試系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)由伺服電機、彈性聯(lián)軸器、軸承支座、曲柄連桿機構(gòu)、模擬氣缸、平衡底板、二向測力儀彈性體組成。圖1為曲軸組件動平衡測測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實物照片。

(2)測試系統(tǒng)電控結(jié)構(gòu)。電控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及結(jié)果輸出顯示三大組成部分［2］。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

計算機通過數(shù)據(jù)采集卡的脈沖發(fā)生器功能，產(chǎn)生給定頻率的驅(qū)動脈沖、驅(qū)動伺服電機、驅(qū)動曲軸組件運動。曲軸組件運動時產(chǎn)生的不平衡慣性力經(jīng)X、Y二向測力儀測量得到X、Y兩個方向的不平衡分力的模擬信號，經(jīng)信號調(diào)理電路的濾波放大，送到數(shù)據(jù)采集卡做AD轉(zhuǎn)換，得到X、Y兩個方向的不平衡慣性力的數(shù)字量，送給計算機，由測量軟件求得最終的動平衡測量結(jié)果。其中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及伺服控制等都是在WINDOWS環(huán)境下，用VISUAL BASIC 6.0［3］實現(xiàn)。

圖1 曲軸組件動平衡測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實物照片

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 曲軸組件參數(shù)識別和校正的研究

摩托車曲軸組件可以簡化為曲柄滑塊機構(gòu)［4］，圖3所示為曲軸總成的最常見情況，即旋轉(zhuǎn)質(zhì)量ms集中在與曲柄銷相差轉(zhuǎn)180°后再旋轉(zhuǎn)β角(與轉(zhuǎn)動方向相同為正，相反即為負)。實際產(chǎn)品的β角通常在±45°范圍內(nèi)變化。

圖3 曲軸組件運動學(xué)和動力學(xué)分析模型

圖3中:ω—活塞旋轉(zhuǎn)角速度;

r—曲柄半徑，指曲柄銷中心與曲軸旋轉(zhuǎn)中心的距離;

l—連桿長度，指連桿大、小頭孔中心的距離;

ms—旋轉(zhuǎn)質(zhì)量(ms為曲柄軸折算到半徑為r上的不平衡質(zhì)量、曲柄銷質(zhì)量以及連桿大頭端折算到曲柄銷處的質(zhì)量三部分相加而成);

mx—往復(fù)質(zhì)量(由活塞、活塞銷及連桿小頭端折算到活塞的三部分質(zhì)量相加而成)。

首先假設(shè)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量ms集中在曲柄銷處，則通過運動學(xué)和動力學(xué)分析，可以得到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量ms引起的離心力為:

式中:f=ms/mx，f為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量與往復(fù)質(zhì)量之比。

往復(fù)質(zhì)量mx引起的慣性力→Fb為:

它們沿X、Y軸投影的合力為

可見不平衡慣性力矢端點的軌跡曲線為橢圓［5］:

現(xiàn)假設(shè)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量ms集中在與曲柄銷相差轉(zhuǎn)180°后再旋轉(zhuǎn)β角處，經(jīng)過同樣的分析可以得到不平衡慣性力沿X、Y軸投影的合力為:

將Fx和Fy分別投影到θi的方向(圖3中的OA線)，合成得到平衡慣性力在曲柄旋轉(zhuǎn)的各個θi方向上的合力Fθi:

Fθi的力幅Aθi不平衡慣性力矢端的軌跡是一個傾斜的“8”字圖形，如圖4所示。由圖4可以得到以下推論。

理論計算和實驗驗證，不平衡慣性力幅圖中，A為最大力幅，B為最小力幅，Ψ為最大力幅A與正X軸的夾角(活塞的運動方向定義為正X軸的方向)，稱為主軸傾角，A/(A+B)稱為平衡率，它們表征了摩托車曲軸組件動力學(xué)特性。

圖4 不平衡慣性力幅圖

從曲軸總成產(chǎn)品圖紙要求的不平衡慣性力圖中找出工藝要求的不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量ms0和偏置角β0，再從測量結(jié)果的不平衡力幅圖中，算出實測的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量ms和偏置角β。

式中A(0)為0°方向上實測的不平衡慣性力幅，A(90)為90°方向上實測的不平衡慣性力幅，mx0為給定的等效往復(fù)運動質(zhì)量。

根據(jù)工藝要求的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量ms0和偏置角β0以及實測的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量ms和偏置角β，自動計算不平衡校正的去重質(zhì)量m和去重相位α，如圖5所示。

式中R為去重質(zhì)量m所處的位置半徑。r為曲柄銷的位置半徑。

圖5 平衡校正示意圖

3 測試結(jié)果及分析

對指定的曲軸總成，在給定的測試條件下，做了測試試驗，測試結(jié)果如表1所示。通過以下幾組重復(fù)性試驗可以看到，在相同的轉(zhuǎn)速下，每一組曲軸平衡率值都很接近。同時通過這個重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)我們可以知道本文的曲軸組件動平衡測量的機械結(jié)構(gòu)合理，控制系統(tǒng)的測量精度很高。

表1 摩托車曲軸組件的測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文為摩托車曲軸總成動平衡測量提供了一種全新的方法。由于原理和方法上的創(chuàng)新，測量效率比傳統(tǒng)曲軸總成動平衡機提高50倍以上，可對曲軸總成的產(chǎn)品質(zhì)量進行有效控制，并且可以自動識別被測件的兩個主要的設(shè)計參數(shù):旋轉(zhuǎn)質(zhì)量mx和偏置角β。該方法可用于指導(dǎo)制造工藝，提高產(chǎn)品合格率。同時使用該方法還可實現(xiàn)不平衡校正指導(dǎo)，使不合格產(chǎn)品成為合格產(chǎn)品，解決摩托車發(fā)動機行業(yè)長期無法解決的不平衡校正問題。

［1］張雅麗.摩托車曲軸組件動平衡檢測系統(tǒng)的研究［D］.天津:天津大學(xué)，2005.

［2］趙海文，張雅麗，岳宏，等.摩托車曲軸組件動平衡檢測新方法的研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2006，27(6):82-84.

［3］王秋曉，徐宗俊.單缸發(fā)動機動平衡測試校正理論與實驗的研究［J］. 內(nèi)燃機學(xué)報，2005，23(3):283-287.

［4］葉能安，余汝生.動平衡原理與動平衡機［M］.武漢:華中工學(xué)院出版社，1985.

［5］張長興.摩托車發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)慣性力平衡理論研究與試驗評價［D］.重慶:重慶大學(xué)，2008.