曲轴动平衡的工艺及技术应用

曲轴动平衡的工艺及技术应用

肖恒

（阿美特克商贸（上海）有限公司广州分公司广东省广州市510030）

摘要：曲轴（Crankshaft）作为发动机系统中的重要组成部件，其平衡精度的高低对发动机运行的稳定与安全存在直接影响。在此分析动平衡检测和修正原理及影响动平衡的因素等理论基础上，结合生产实际、论述曲轴动平衡的技术应用。

关键词：曲轴动平衡；重复性；平衡精度

曲轴（Crankshaft）是发动机中最为重要的高速旋转部件，将连杆上的力转化为转矩，并将其输送给其他附件，带动发动机其他附件的运行。通常情况下，曲轴在运行过程中易受旋转质量产生的离心力、旋转过程中周围环境变化下产生的气体惯性力以及往复惯性力的影响，发生质量与性能问题，对此，加强曲轴基本性能，提升曲轴平衡性至关重要。基于此，本文以曲轴动平衡为研究对象，就曲轴动平衡技术与应用进行了如下分析。

1、曲轴动平衡的概述

曲轴是发动机的动力源，主要是由质量轴线与几何轴线共同组成的发动机高速旋转部件。就曲轴几何轴线而言，主要是指支撑旋转体中的两个轴颈的中心点共同构成的轴线；质量轴线是旋转体在旋转作用下产生综合质量的轴线。通常情况下，当曲轴旋转体处于完全对称形态时，轴线中点位置为质量中心所在位置，此时质量中心与几何中心相重叠。在此条件下，假如轴承对旋转体不产生限制作用时，旋转体将围绕着几何轴线进行均匀旋转,呈现平衡状态。当给予曲轴旋转体中心位置一定重量时（UnbalanceWeight），曲轴的质量中心将产生一定的变化，此时曲轴的几何轴线将于曲轴的质量轴线不再重叠，而是呈现出平行状态，当其径向会产生一定距离的偏移（如下图所示）。在此条件下，假如轴承对旋转体不产生限制作用时，旋转体将围绕着质量轴线进行旋转。当给予曲轴旋转体某端位置一定重量时，曲轴的质量中心将将产生一定的变化，其径向和轴向均存在偏移，且偏移的数值与所给予的重块质量呈现出比例关系。因此当曲轴质量轴线与几何轴线不再同一位置时，曲轴在旋转质量产生的离心力、旋转过程中周围环境变化下产生的气体惯性力以及往复惯性力的作用下，将出现较大的振动和异响，造成轴承、轴套等异常磨损，进而影响发动机的寿命并动力输出不均，部件精度下降以及输出效率降低等缺陷。而曲轴动平衡则是为改善这一问题的产生的概念与技术，主要在于通过应用一定的曲轴动平衡技术与措施进行曲轴不平衡情况下曲轴质量分布的调整，用以保证曲轴质量轴线与几何轴线位于同一位置，使曲轴在高速运转过程中呈现出平衡状态，简称曲轴动平衡。

2、动平衡测量原理及修正原理

测量原理：

曲轴在铸（锻）造，机械加工过程中，内部重量的分布不均，使其在回转过程中每个单位质心产生离心的惯性力不均匀，进而产生不平衡，即是曲轴几何中心和质量中心的差异，产生的动不平衡量，旋转产生离心力。

例如：当一个质量（m）围绕轴心进行半径（r）旋转，其旋转速度为固定的角速度（w）时，就会产生离心力（F）,而该离心力位于其旋转半径方向上。如图

F=ma;a=V2/r;v=wr;F/w2=mr=U;

动不平衡量U=mr，单位克.厘米；

曲轴旋转因不平衡量产生的离心力，通过支撑点传给支撑架，传感器采集到信号并进行分离和数模处理，计算出动不平衡量U，同时按照输入的钻削工艺参数进行解算，将需要去除的不平衡量优化分解到各个校正平面（曲轴的平衡块）,由PLC及CBI系统控制修正工位的动作进行去除多余的不平衡量，以达到平衡。

修正原理：

根据动不平衡量U=不平衡的质量mX不平衡质心到回转中心的距离R；

假设修正的孔直径为D，深度为H，材料密度为ρ，回转半径为R，如下图所示。

则：钻削面积S=π（D/2）2；钻削后的回转半径为r=R-H/2;

孔的去重量为m=ρSH=ρπ（D/2）2H;

孔产生的动平衡量U=mr=ρπ（D/2）2H(R-H/2);

3、实际生产中对曲轴动平衡的影响因素

在实际生产过程中，动平衡量的大小主要取决于毛柸质量的质量中心及和几何中心的偏差，机床加工误差造成中心偏移以及动平衡工位机床自身的精度等因素，详细如下：

（1）毛柸质心偏差缺陷：铸（锻）造件模具开发工艺及材料密度均匀性及零件缺陷等。（2）前加工工序缺陷：加工中心孔位置度的偏差，磨削过程中，出现的偏磨误差、或者机加工过程出现工件微弯曲变形等因素都会直接影响。（3）动平衡机床缺陷：加工前未做基准标定及测验则会造成加工误差，机床精度不够或者人为操作或参数配置不当。

4、动平衡在曲轴生产上的技术应用

曲轴动平衡机是非常关键的工位，如果测量的准确性与真实性误差过大，即会造成不合格品误认为合格而进入发动机内使用，后果会非常严重，所以在曲轴动平衡生产之前务必做好动平衡的重复性与真实性的测试，这是一个非常重要的指标，以此检验机床是否能正常；

例如：用一个已知的砝码（10G.cm）分别固定180度的二边的平衡块上，重复50次测量，得出数据，分析其重复性与准确性，数据如下图所示：

经计算分析，结果如下：

结果显示平均不平衡量及角度分别为10.12G.cm/180.660和10.6G.cm/178.670;

公差值EV=2.8%和EV=2.0%；

结果是非常接近真实值的，且重复测量其值的误差波动也是非常小的。

结论：总而言之，曲轴是发动机中的核心，是实现热能向机械能进行有效转化的重要手段。由于曲轴的平衡性对曲轴本身质量与性能、发动机质量与性能存在密切关联性，因此，在曲轴生产加工过程中务必采取行之有效的技术与措施实现曲轴动平衡的有效合理控制，使得发动机的性能更加稳定与高效。