發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸動(dòng)平衡質(zhì)量分析及解決

劉軍　趙靖

摘 要：內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)三大件中的曲軸是由活塞帶動(dòng)做圓周運(yùn)動(dòng)的高速回轉(zhuǎn)件，旋轉(zhuǎn)過程承受各種復(fù)雜多變的交變載荷;曲軸在加工過程中，對其軸頸直徑、圓度、平行度、直線度、軸徑跳動(dòng)、軸徑錐度、軸向距離、粗糙度、相位角、動(dòng)平衡量、清潔度等都會標(biāo)注各自的技術(shù)要求，而曲軸在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中自身產(chǎn)生的不平衡振動(dòng)與其轉(zhuǎn)速的平方成正比。高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的高頻率振動(dòng)會導(dǎo)致軸瓦承受力負(fù)載增加及軸瓦上油膜不均勻消耗，曲軸斷裂等風(fēng)險(xiǎn)。曲軸平衡精度的高低對發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、平穩(wěn)運(yùn)行及發(fā)動(dòng)機(jī)壽命都很重要。如何去除曲軸動(dòng)平衡量，這些都是我們需要分析和解決的問題。

關(guān)鍵詞：曲軸 動(dòng)平衡量 自動(dòng)去重 數(shù)據(jù)分析及改進(jìn)

Analysis and Solution of Engine Crankshaft Dynamic Balance Quality

Liu Jun Zhao Jing

Abstract：The crankshaft of the three major parts of an internal combustion engine is a high-speed rotating part driven by a piston to make a circular motion. The rotation process bears various complex and changeable alternating loads; the crankshaft is in the process of machining its journal diameter and roundness. Parallelism， straightness， shaft diameter runout， shaft diameter taper， axial distance， roughness， phase angle， dynamic balance， cleanliness， etc. will be marked with their respective technical requirements， and the crankshaft itself generates unbalanced vibration during high-speed rotation， which is proportional to the square of its speed. The high-frequency vibration generated during high-speed rotation will lead to increased bearing load and uneven consumption of the oil film on the bearing bush， as well as the risk of crankshaft fracture. The accuracy of crankshaft balance is very important to engine vibration， smooth operation， and engine life. How to remove the dynamic balance of the crankshaft is the problem we need to analyze and solve.

Key words：crankshaft， dynamic balance， automatic weight removal， data analysis and improvement

1 引言

在內(nèi)燃機(jī)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)成部件中，曲軸是最重要的核心零部件之一。正確合理的安排曲軸加工工藝對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能有著重要的意義。本課題針對五菱1.2L直系汽油曲軸的加工工藝特點(diǎn)、控制曲軸兩端面鉆中心孔工序，最后再對曲軸進(jìn)行了一系列的機(jī)械加工及去重動(dòng)平衡加工。其中曲軸中心孔對曲軸初始不平衡量分布有顯著的影響，且曲軸初始不平衡量的大小和方向?qū)ηS最終動(dòng)平衡工序也有著顯著的影響，從而直接影響曲軸不平衡量的控制。在此基礎(chǔ)上探討研究工藝設(shè)計(jì)、加工工序安排、工序間去除量等因素對動(dòng)平衡的影響，解決曲軸動(dòng)平衡保證設(shè)備開動(dòng)率和節(jié)拍等實(shí)際問題。

通過本課題研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化中心孔位置度后的曲軸，其初始不平衡量比優(yōu)化前的曲軸的初始不平衡量要小;其次，初始不平衡量分布比優(yōu)化前的曲軸分布更集中，而且在一定的角度范圍內(nèi)。根據(jù)上述得出曲軸中心孔加工與動(dòng)平衡聯(lián)機(jī)優(yōu)化能更好控制曲軸的初始不平衡量，能夠滿足生產(chǎn)的實(shí)際需求。

2 曲軸的工作條件

2.1 曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件

曲軸作為內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的核心旋轉(zhuǎn)機(jī)件，與連桿連接后，活塞推動(dòng)連桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成周而復(fù)始圓周運(yùn)動(dòng)。曲軸旋轉(zhuǎn)過程中不斷承受連桿周期性上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊力和圓周轉(zhuǎn)動(dòng)扭力，在這種環(huán)境下曲軸既受到周向扭轉(zhuǎn)力又受到徑向沖擊力，此時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力疲勞。曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在扭轉(zhuǎn)剛度、強(qiáng)度不足情況下可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，輕則引起震動(dòng)、噪音，加速曲軸上飛輪、軸瓦傳動(dòng)件的磨損;重則缸體震裂、曲軸斷裂，造成發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢。

2.2 曲軸平衡的定義

動(dòng)平衡是指旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)圍繞軸心線的以外的由各偏心質(zhì)點(diǎn)組成的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系統(tǒng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力合力及合力矩均等于零。由于內(nèi)燃機(jī)是一個(gè)整體機(jī)構(gòu)，在考慮其平衡性時(shí)，從曲柄連桿機(jī)構(gòu)的角度和曲軸的角度考慮其平衡性。汽車內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速一般都不低于500轉(zhuǎn)每分鐘，所以對旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性有一定要求，特別是高速內(nèi)燃機(jī)，轉(zhuǎn)速高離心力大可能引起較大振動(dòng)，使軸承和支撐軸瓦過載損壞。

2.3 曲軸的平衡結(jié)構(gòu)分布

直列四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通常采用一四連桿與二三連桿呈現(xiàn)180度夾角的四拐五主軸頸設(shè)計(jì)，從理論設(shè)計(jì)是動(dòng)平衡的，但由于材料密度，鑄造（鍛造）時(shí)存在尺寸差異，在實(shí)際使用中存在著一定量的不平衡量，為了改善曲軸本身不平衡，減少主軸承載荷，曲拐連接部位的扭矩力，需合理分布平衡塊，也稱配動(dòng)塊。曲軸平衡配動(dòng)塊主要作用是用來調(diào)整控制曲軸以軸心線為中心旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。我廠生產(chǎn)的N1.2L、N15T平衡配重塊數(shù)為4塊，生產(chǎn)的1.2L、1.5L平衡配重塊數(shù)為8塊。

3 曲軸的加工工藝

曲軸加工線共有加工設(shè)備29臺，主要構(gòu)成有加工中心、溝槽滾壓機(jī)、磨床、動(dòng)平衡機(jī)、拋光機(jī)、終檢機(jī)等。動(dòng)平衡機(jī)是一臺離心式平衡機(jī)，當(dāng)曲軸在設(shè)備上旋轉(zhuǎn)測量時(shí)如果曲軸存在不平衡量大于工藝要求，零件會因存在偏心力矩作用使測量臺產(chǎn)生震動(dòng)，震動(dòng)通過支撐測量平臺的四根支撐桿傳遞到接收傳感器，這時(shí)安裝在設(shè)備上的CBI平衡系統(tǒng)根據(jù)傳感傳來信號計(jì)算出不平衡量大小和偏離的角度位置，再把數(shù)據(jù)傳送給加工站，加工站根據(jù)系統(tǒng)給出的角度和位置進(jìn)行打孔去除余量達(dá)到平衡效果。整線采用全自動(dòng)上下料形式，整線布局如圖1所示，滿足多種產(chǎn)品共線柔性生產(chǎn)。

4 動(dòng)平衡量確定

4.1 幾何中心線與質(zhì)量中心線確定

因?yàn)榍S也屬于軸類零件，通常軸類加工采用 “兩頂一夾”方式加工零件同軸度較好，故在粗加工主軸頸、連桿頸前，需要先加工中曲軸兩端中心孔，同時(shí)這兩中心是也是后工序的定位夾緊工藝基準(zhǔn)，因此它的同軸度、對稱度對后續(xù)工序尤其是對最終動(dòng)平衡工序影響較大。

旋轉(zhuǎn)軸類零件有幾何軸心線和質(zhì)量中心線之分。幾何中心線是以物體夾緊位置外圓做參照，取軸兩端的外圓中心點(diǎn)加工出中心孔，兩中心點(diǎn)連線即是幾何中心線。質(zhì)量中心線是以零件在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能使旋轉(zhuǎn)軸零件達(dá)到平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)的質(zhì)量中心連線。當(dāng)一個(gè)軸類零件分布比較均勻?qū)ΨQ，從理論上它是平衡的，這時(shí)他的幾個(gè)中心線和質(zhì)量中心線是重合的如圖2所示：

物體設(shè)計(jì)出來后在實(shí)際加工過程中由于材料密度、加工鑄造誤差等條件使得物體無法達(dá)到理想對稱狀態(tài)

1、若其中一種重量剛好附加在軸類物體的中心部位重物質(zhì)量為W，此時(shí)該物體質(zhì)心將發(fā)生改變，質(zhì)量中心軸線將與幾何中軸線平行，但徑向偏移一個(gè)距離，此時(shí)物體處于平衡狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)它是圍繞質(zhì)量軸線旋轉(zhuǎn)如圖3所示：

2、當(dāng)其中一種重量剛好附加在軸類物體的一端部重物質(zhì)量為W。這時(shí)零件的質(zhì)量中心線與幾何中心線形成一定角度，此時(shí)物體處于平衡狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)它是圍繞質(zhì)量軸線旋轉(zhuǎn)如圖4所示：

4.2 平衡定義

曲軸安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)屬于轉(zhuǎn)動(dòng)部件，對其平穩(wěn)性要求較高，不僅要求其靜平衡，更重要的是要求其動(dòng)平衡。靜平衡就是在不考慮重力和摩擦力的情況下當(dāng)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)以軸心線以外各質(zhì)點(diǎn)的離心力合力等于零，即系統(tǒng)的質(zhì)心（重心）位于旋轉(zhuǎn)軸線上。但當(dāng)旋轉(zhuǎn)質(zhì)點(diǎn)重心不在同一截面時(shí)，靜平衡不足以保證運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。只有當(dāng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)離心力合力及合力矩均為零時(shí)才完全平衡，這樣的平衡叫動(dòng)平衡。發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系統(tǒng)必須保證動(dòng)平衡，否則將引起很大振動(dòng)，并使軸承和支承過載，易引起損壞。

當(dāng)曲軸處于不平衡狀態(tài)時(shí)，其質(zhì)心軸線與旋轉(zhuǎn)軸線不重合，而最終動(dòng)平衡修正工位就是在不平衡的曲軸上通過修正配動(dòng)塊去除材料使其質(zhì)心發(fā)生改變（質(zhì)心軸線與幾個(gè)中心線重合）使其達(dá)到平衡狀態(tài)。

5 曲軸中心孔工藝

5.1 中心孔加工工藝

目前許多工廠曲軸生產(chǎn)線第一道加工工序都是以兩端主軸頸外圓定位鉆出兩端中心孔，形成后工序的定位基準(zhǔn)，同時(shí)也以這兩孔連線形成軸中心線，叫幾何中心線。如果在鉆中心孔前先找到曲軸的質(zhì)心軸線，再鉆出質(zhì)心線兩端中心孔這兩孔連線形成質(zhì)量中心線，叫質(zhì)心軸線。因此曲軸加工中心孔可以按幾何中心孔和質(zhì)量中心孔來定心加工。

采用幾何定心法是以軸徑一和軸徑五毛坯面外圓做參照找出圓心打孔，因此毛坯的A1/A5外圓差異不能太大，此時(shí)按照毛坯面外圓做參照找出圓心打孔，中心孔位置度會在設(shè)定公差內(nèi)波動(dòng)。幾何定心特點(diǎn)：可適應(yīng)多品種生產(chǎn)且機(jī)床利用率高、經(jīng)濟(jì)性好。

質(zhì)量定心是在加工中心孔前先測量出零件當(dāng)前平衡量找出質(zhì)心點(diǎn)再按照質(zhì)心點(diǎn)打中心孔，質(zhì)量定心有一個(gè)要求：就是毛坯最初動(dòng)平衡量不能太大，否則加工出來的質(zhì)心軸線和幾何中心線差異較大，最終加工出來零件成品跳動(dòng)不合格。質(zhì)量定心加工中心孔優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)毛坯來料時(shí)平衡量不是很大，角度不穩(wěn)定時(shí)，可減少后工序曲軸動(dòng)平衡時(shí)的去重量，提高動(dòng)平衡的合格率。質(zhì)量定心加工需要多增加一道初平衡量測量，比鉆幾何中心孔機(jī)床的成本要高很多。采用哪種定心方法加工更合理，根據(jù)工廠的經(jīng)濟(jì)能力而定。

5.2 曲軸前期平衡量控制方法

目前控制曲軸動(dòng)平衡前的初始不平衡量方法有主要采取3種方式：

1、采用在線質(zhì)量定心機(jī)，實(shí)時(shí)采集、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，自動(dòng)補(bǔ)償中心孔位置;優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量穩(wěn)定，動(dòng)平衡合格率高。缺點(diǎn)：成本高。

2、采用離線平衡測量機(jī)，先采集、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一批零件平衡量，找出偏移位置，再通過手動(dòng)調(diào)整中心孔位置，再進(jìn)行批量生產(chǎn)加工。優(yōu)點(diǎn)：成本低。缺點(diǎn)：對毛坯穩(wěn)定性要求高，每次毛坯批次更換時(shí)需要做一次采集測量調(diào)整。

3、根據(jù)最終的動(dòng)平衡機(jī)采集數(shù)據(jù)，調(diào)整前工序的中心孔位置度。優(yōu)點(diǎn)：成本低，工作量少。缺點(diǎn)：需要不定期查看最終動(dòng)平衡機(jī)最終平衡量變化進(jìn)行調(diào)整，不及時(shí)關(guān)注容易造成批量零件返工。

6 影響動(dòng)平衡去重量的因素

6.1 平衡方法及節(jié)拍控制

控制平衡的方法有添加配重塊達(dá)到平衡效果如：汽車的輪胎;有去除重量法，如在配重（平衡）塊上鉆孔去除重量。我廠曲軸平衡控制是采用去除曲軸配重塊重量法。

當(dāng)測量出零件不平衡量集中在同側(cè)時(shí)，如圖3顯示相類似優(yōu)先在零件的中間打孔去除重量，這樣可以快速完動(dòng)不平衡去除，這樣的零件去重方向與不平衡量方向一致時(shí)，修正最快、合格率最高，節(jié)拍效率最高;若當(dāng)測量出零件不平衡量兩端角度、重量不一致時(shí)如圖4顯示相類似，優(yōu)先在重的一側(cè)最遠(yuǎn)點(diǎn)打孔去重，這樣的零件修正比較麻煩，合格率低，需要重復(fù)測量確定位置打孔去重，節(jié)拍慢效率低。

6.2 鉆孔數(shù)量與生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算

當(dāng)一個(gè)零件的不平衡量較大時(shí)，去除量要求較多，但零件的打孔深度和不平衡量角度位置，平衡孔間距離受到限制（圖5），這時(shí)我們需要適當(dāng)控制孔深度避免孔與孔之間底部貫穿，增加打孔數(shù)來控制動(dòng)不平衡量，但由于不平衡量的分布區(qū)域受限，打孔數(shù)多，重新打亂了平衡狀態(tài)，需要二次測量打孔，這時(shí)會影響到節(jié)拍，所以會要求毛坯鑄造是盡量不要混模生產(chǎn)，加工線生產(chǎn)時(shí)不要混批次加工。

在最終動(dòng)平衡工序測量結(jié)果可以看出，零件毛坯的初始不平衡量、角度不一致所加工出不同平衡孔數(shù)量、節(jié)拍有差異。我廠生產(chǎn)1.2L曲軸采用幾何定心方式，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)， 平衡孔數(shù)基本在1～13個(gè)之間，平衡孔數(shù)量小于9個(gè)占90%（圖6）。在最終曲軸動(dòng)平衡工序，加工孔數(shù)越多節(jié)拍時(shí)間越長，當(dāng)單臺加工時(shí)間大于節(jié)拍要求時(shí)則需要調(diào)整前工序中心孔位置，減少初始不平衡量，提升節(jié)拍。

7 結(jié)束語

當(dāng)曲軸配動(dòng)塊的加工空間較小且不平衡量較大時(shí)，宜采用質(zhì)量定心加工工藝;當(dāng)加工空間足夠且節(jié)拍滿足要求，考慮性價(jià)比因素，則采用幾何定心更劃算。曲軸的鑄造一般是使用同一套模具批量生產(chǎn)，在模具磨損量不大的情況下同批量/批次的曲軸質(zhì)量差異不大，所以可以采用幾何定心找出分布規(guī)律。

總體來說，曲軸中心孔加工與動(dòng)平衡聯(lián)機(jī)優(yōu)化能更好的控制曲軸的初始不平衡量，對大多數(shù)曲軸來說，只要一次去重便可，極大的提高了生產(chǎn)效率，并且具有良好的應(yīng)用前景。

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