正六拐曲軸相位角的檢測(cè)方法

王　浩

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065)

0　引言

曲軸又叫彎地軸或拐軸，是一種偏心工件，是內(nèi)燃機(jī)車(chē)及汽車(chē)等行業(yè)中連接發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件。有一個(gè)偏心軸頸的曲軸，也有多個(gè)偏心軸頸的曲軸，各偏心軸頸在空間相交所成的角度不同，即曲軸相位角，如兩偏心軸頸空間相交成90°和180°的曲軸。而正六拐曲軸就是三個(gè)偏心軸頸空間相交成120°的曲軸，即相位角為120°。曲軸相位角精度是曲軸的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)功率、平穩(wěn)性等。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，對(duì)相位角的精度要求也在提高，中華人民共和國(guó)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QCT 481—2005《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸技術(shù)條件》規(guī)定：曲軸各連桿軸頸中心線對(duì)第一連桿軸頸中心線的角度偏差不大于±15′。在曲軸加工過(guò)程中，相位角波動(dòng)幅度較大，若不能全檢或檢測(cè)誤差大，對(duì)其質(zhì)量控制和管理極為不利。

實(shí)際上，兩個(gè)偏心軸的曲軸檢驗(yàn)比較容易，但是對(duì)三個(gè)或三個(gè)以上偏心軸的曲軸，檢測(cè)起來(lái)就比較困難。目前，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)曲軸生產(chǎn)線普遍采用曲軸綜合測(cè)量?jī)x進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，而很多中小企業(yè)由于資金問(wèn)題仍采用手工測(cè)量。本文介紹一種采用通用量具，手工測(cè)量正六拐曲軸相位角的檢測(cè)方法，檢測(cè)時(shí)需要一套檢測(cè)工具，通過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算即可進(jìn)行測(cè)量。

1　檢測(cè)方法

如圖1、圖2所示。把正六拐曲軸兩端主軸頸放在一對(duì)等高的V形鐵上，用千分表檢查其最高點(diǎn)，然后調(diào)整兩端，使兩端主軸頸外圓母線最高點(diǎn)對(duì)平板Q等高。再用高度等于A的墊塊墊在一個(gè)偏心軸頸上，使它與兩主軸頸中心連線對(duì)平板水平面成30°，而此時(shí)需要檢測(cè)的另一個(gè)偏心軸頸與兩主軸頸中心連線對(duì)平板水平面的夾角為θ。

圖1　正六拐曲軸架在等高V形鐵和墊塊上

圖2　高度等于A的墊塊和夾角為θ的偏心軸頸

要想使一個(gè)偏心軸頸與兩主軸頸中心連線對(duì)平板水平面成30°，就必須計(jì)算出墊塊A的精確高度。

1.1　墊塊A的高度

見(jiàn)圖2，墊塊A的精確高度可以用下面的公式計(jì)算：

A=M-D/2-N-d/2

N=esin30°=e/2，則

A=M-D/2-e/2-d/2

=M-(D+e+d)/2

(1)

式中，M為主軸頸最高點(diǎn)與平板之間的距離(mm)；D為主軸頸的實(shí)際直徑(mm)；d為偏心軸頸的實(shí)際半徑(mm)；e為偏心距(mm)。

1.2　相位角等于120°

墊塊墊上以后，用千分表檢查或用深度千分尺測(cè)量出h1和h的高度。如果h1=h，說(shuō)明另一偏心軸頸中心與水平面也成30°，也就是兩個(gè)偏心軸頸中心夾角為120°，即相位角120°。

2　計(jì)算方法

如果h1≠h，說(shuō)明夾角120° 有誤差。誤差的大小可以用下面的公式計(jì)算。

1)相位角大于120°時(shí)的計(jì)算

當(dāng)h1>h，θ角小于30°時(shí)，見(jiàn)圖3。

圖3　曲軸相位角大于120°情況

sinθ=[e/2-Δh]/e

=[e/2-(h1-h)]/e

=[e-2(h1-h)]/2e

θ=arcsin[e-2(h1-h)]/2e

角度誤差Δθ=30°-θ

Δθ=30°-arcsin[e-2(h1-h)]/2e

(2)

這時(shí)兩個(gè)偏心軸頸中心夾角大于120°，即相位角大于120°。

2)相位角小于120°時(shí)的計(jì)算

當(dāng)h1

圖4　曲軸相位角小于120°情況

sinθ=[e/2+Δh]/e

=[e/2+(h-h1)]/e

=[e+2(h-h1)]/2e

θ=arcsin{[e+2(h-h1)]/2e}

角度誤差Δθ=θ-30°

Δθ=arcsin{[e+2(h-h1)]/2e}-30°

(3)

這時(shí)兩個(gè)偏心軸頸中心夾角小于120°，即相位角小于120°。

3　檢測(cè)誤差

采用通用量具檢測(cè)曲軸偏心軸頸相位角過(guò)程中，存在著各種誤差。本文不考慮計(jì)量器具、溫度等產(chǎn)生的誤差，只討論檢測(cè)方法的誤差：

1)這種測(cè)量方法比較簡(jiǎn)單且能達(dá)到要求的測(cè)量精度，但它屬于間接測(cè)量法。因?yàn)樗鼰o(wú)法直接檢測(cè)角度，必須先測(cè)量與角度(被測(cè)之量)有函數(shù)關(guān)系的各類(lèi)高度尺寸，然后經(jīng)過(guò)換算，才能得出角度的大小，所以要將角度換算成各類(lèi)線性高度值方能檢測(cè)。

2)測(cè)量時(shí)需要使用很多參數(shù)，為了減小工作量，均使用與曲軸相關(guān)的基本尺寸進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際尺寸與基本尺寸相差較大，如曲柄半徑公差為±0.05～±0.1mm，6個(gè)曲柄半徑實(shí)際尺寸的差別也可能較大，必然帶來(lái)較大的檢測(cè)誤差；主軸頸的直徑偏差以及各連桿頸的偏心距均使相位角產(chǎn)生誤差。

3)用軸頸外圓母線代替軸線，產(chǎn)生了基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差。主軸頸和連桿頸的軸心是測(cè)量基準(zhǔn)，無(wú)法直接使用，檢測(cè)時(shí)以外圓母線代替軸心，軸心位置隨直徑大小而上下變動(dòng)，帶來(lái)了基準(zhǔn)位置轉(zhuǎn)換誤差。

4)六拐曲軸較長(zhǎng)，剛性差，受加工應(yīng)力影響，產(chǎn)生塑性變形，形成彎曲跳動(dòng)；緊支承兩端主軸頸，曲柄中部因自重向下彎曲，撓度值一般在0.04～0.08mm之間，這兩種彎曲撓度也造成各拐的相位誤差，中間的兩拐誤差值最大。

4　補(bǔ)償措施

1)采用實(shí)際尺寸來(lái)計(jì)算測(cè)量參數(shù)。

2)只有當(dāng)被測(cè)角度要素處于與平臺(tái)平行時(shí)才能最大限度地排除其它參數(shù)誤差的影響，提高檢測(cè)精度。

3)檢測(cè)連桿軸頸夾角偏差時(shí)都以對(duì)稱(chēng)度的方法進(jìn)行，這樣效率更高。

4)為了避免基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差，可以在V形鐵底面加可調(diào)支承，再把六拐曲軸兩端主軸頸放在V形鐵上，事先測(cè)量好兩端主軸頸大小，根據(jù)兩端主軸頸實(shí)際大小之誤差，計(jì)算出兩端相差的高度值，用千分表檢查其最高點(diǎn)，然后調(diào)整支承兩端，使兩端主軸頸軸線對(duì)平板等高。這樣就不用軸頸外圓母線代替軸線，避免了基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差。

5)對(duì)于剛性較差的的長(zhǎng)曲軸，必要時(shí)采用可調(diào)支撐消除其撓度誤差后再測(cè)量。在中間主軸頸加3點(diǎn)支承，使兩端和中間主軸頸軸線等高，采取措施后絕大部分誤差便可消除或減小。實(shí)際曲軸在缸體中，每個(gè)主軸頸均有軸瓦支撐，并受軸承蓋的限制，上述撓度大部分可以消除。很顯然曲軸在檢測(cè)相位時(shí)的狀態(tài)，與其工作時(shí)的狀態(tài)差別較大。

5　結(jié)論

一般曲軸數(shù)量越多發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)汽缸越多，功率越大，但曲軸增多后對(duì)曲軸加工精度要求就越高，當(dāng)曲軸相位角誤差很大時(shí)不僅影響整機(jī)輸出功率，還會(huì)影響整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，增大振動(dòng)和噪聲，縮短使用壽命，帶來(lái)不安全隱患。目前大規(guī)模生產(chǎn)廠均選用曲軸相位自動(dòng)檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，而許多民營(yíng)企業(yè)不具備以上條件，常用的人工檢測(cè)方法很難保證產(chǎn)品質(zhì)量，為此作者根據(jù)自己實(shí)踐提出這種采用通用量具對(duì)正六拐曲軸相位角的檢測(cè)方法，能提高檢測(cè)精度，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]陳宏麗.曲軸連桿頸相位角測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)及應(yīng)用.機(jī)械，2010(5)

[2]郭婷婷.曲軸連桿頸相位角測(cè)量誤差研究.機(jī)械，2009(8)

[3]朱成華，崔州平.曲軸連桿頸測(cè)量研究.工具技術(shù).2008(9)

[4]王愛(ài)民，曾憲章，何文學(xué).三缸和六缸曲軸連桿軸頸夾角偏差檢測(cè)方法分析.現(xiàn)代制造工程，2006(7)

[5]陳立光，劉召兵，彭亞超.六拐曲軸相位檢測(cè)的誤差及補(bǔ)償.計(jì)量技術(shù)，2004(2)

[6]陳立光，劉召兵，彭亞超，陳龔駿.多拐曲軸相位角檢測(cè)的高效精密量?jī)x.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造.2004(3)

[7]周孝燾，紀(jì)青，六缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸曲拐夾角檢測(cè)方法的精度分析.汽車(chē)技術(shù)，1991(6)