提高发动机曲轴自动平衡机测量稳定性的方法

提高发动机曲轴自动平衡机
测量稳定性的方法
谢金龙，刘智翔
（四川省宜宾普什汽车零部件有限公司，四川宜宾 644007）
摘要：汽车发动机曲轴动平衡量值大，会产生振动现象，甚至让驾驶员无法接受以致影响正常驾驶。

对于曲轴的动平衡量值在设计中有严格的要求，若曲轴动平衡量值不稳定，加工置信率差，会导致发动机异常振动。

本研究分析影响动曲轴平衡机测量不稳定性的原因，旨在让动平衡测量精度置信率达标，并寻求提升动平衡测量稳定性的方法。

文中采用了平衡机定标砝码的制定，解决分离比问题和增设创新轴向定位装置方法，解决了曲轴动平衡不稳定性问题。

关键词：汽车发动机；曲轴自动平衡机；测量
中图分类号：U666.16+1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.010 文章编号：1006－0316 (2018) 04－0042－05
A Method for Improving Measurement Stability of Engine Crankshaft Automatic Balancer
XIE Jinlong，LIU Zhixiang
( PUSH Auto Parts Co., Ltd., Yibin644007, China )
Abstract：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.
Key words：automobile engine；crankshaft automatic balancing machine；measurement
汽车发动机曲轴36道加工工序中，曲轴动平衡加工被列为关键加工工序，动平衡加工精度差，会导致车辆在行驶中的振动过大而影响行驶平稳性，甚至会引起曲轴断裂带来安全事故。

动平衡测试技术、信号处理技术发展迅速，发表的相关文献和测试系统也比较多[1-5]，虽然在机加工中进行了一系列的检测调整和对比，但是，曲轴的动平衡稳定性还不够好，还需要进一步对测量稳定性查找原因和寻求新的解决方法。

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1 曲轴自动平衡机测量精度要求
通常曲轴动平衡加工的精度会根据汽车发动机厂家的要求而规定。

如一款型号为P1的曲轴，发动机厂家要求动平衡精度为15 g·cm。

曲轴生产厂家不仅需要将精度加工到15 g·cm以内，重复测量误差不能超过3 g·cm，且在全自动平衡机的测量精度置信率达到95%以上。

目前全自动平衡机能达到曲轴工艺生产要求，重复测量值超过6 g·cm（要求3 g·cm以内），置信率达不到95%，测量值不稳定。

测量值记录如表1所示，测试时间为2016.11.10～2016.11.20，测试机床为一车间自动平衡机，产品型号为P1。

表1 动平衡标件量值记录
角度/° 量值/g·cm 角度/° 量值/g·cm
小头大头小头大头小头大头小头大头
255 279 2.89 2.29 249279 3.10 5.13
254 275 5.13 2.90 253278 2.30 6.10
253 280 6.10 6.20 254280 2.90 7.10
255 281 7.10 8.10 255282 6.20 2.20
249 280 2.20 2.89 250280 8.10 2.60
250 278 2.60 3.20 253281 2.89 2.90
251 279 2.90 3.50 251282 3.20 6.20
255 280 6.20 5.20 256278 3.50 5.20
256 281 5.20 4.10 249279 5.20 3.10
253 280 3.10 8.10 250281 4.10 8.10
248 282 8.30 2.89 254280 8.10 2.89
249 280 2.89 2.29 253280 2.89 2.29
2 曲轴动平衡测量不稳定原因分析
2.1 机械干涉
在实际生产过程中这些因素主要体现在以下几个方面[6]：
（1）制造过程中机械加工不精确，传感器连接杆有间隙。

传感器连接杆与机床固定件之间有间隙，且无铁屑等杂质的干涉、卡阻。

（2）升降托架电机外壳有无外部干涉。

这就机床操作人员在测量加工中经常遇到的问题，曲轴的大头和小头测量值时好时坏，小头测量值偏小的主要原因，小头侧的托架电机外壳与机床外壳只有约5 mm的间隙，测量时如果有铁屑卡在间隙里就会阻碍小头侧整个测量摆架的运动，进而影响称量结果。

（3）维修过程中改变状态，气管、电线与摆架发生干扰。

机床使用的压缩空气气管、电缆线与测量摆架如发生干涉，测量值也会收到一定的影响。

（4）运行过程中转子不均匀磨损，摆架上的护罩如果没有紧固，在测量过程中会参摆，影响测量。

2.2 工装夹具
在换型时，轴向限位块，支撑瓦的状态也会影响测量：
（1）轴向限位的位置调整。

在工件旋转的过程中，起到实际轴向窜动限位作用的是两个轴承，而铜瓦的作用是在去重钻削时防止曲轴在切削时由于切削力在摆动的称量摆架上产生位移，而影响钻削深度。

在铜瓦的安装时，应避免与工件端面产生摩擦，与轴颈有0.3～0.5 mm的间隙。

轴向限位轴承也应与端面有0.3～0.5 mm间隙且要避开圆角防止工件旋转时有“爬坡”现象。

定时检查轴承是否动作灵活无卡阻。

（2）支撑瓦。

合金瓦应该紧固在工装上，并定期研磨，每次研磨要研磨至轴颈无污物为最好。

陶瓷支撑瓦由于加工工艺应该浮动于工装上，使其充分接触轴颈。

换装陶瓷瓦时检查瓦是否有活动间隙，瓦面是否全部接触轴颈，避免陶瓷瓦磨损不均匀。

2.3 辅助材料
（1）润滑。

支撑瓦与工件之间的润滑依靠机床自带的油雾润滑，没有润滑或者润滑不均匀会导致瓦块磨损，也会导致称量不准确，是极其重要的。

润滑系统在使用调节过程中应保证前后支撑架的出气量大小基本相同，检测方式为用白纸放在出油孔的地方能在白纸上形成
圆形油印为最佳状态。

出油量大小可以调节油雾器的调节旋钮，同时配合压差调节，进气压力5～6 bar，出气压力比进气压力小2 bar。

冬天温度较低应该适当调大出油量或者使用密度较低的润滑油。

（2）气管。

由于两台自动平衡机钻头都没有使用护罩，铁屑飞溅严重，气管烫伤，漏气的地方比较多。

压力不稳定，产品去重时夹持产品可能会出现产品位置变化，影响切削深度或者角度。

以上问题都是在机床调试过程中处理过和需要注意的，有些因素虽然不是影响机床稳定性的根本原因或者单独能影响机床稳定性的原因，但是都不能忽视。

3 提高自动平衡机测量稳定性方法
3.1 平衡机定标砝码的制定
以常见发动机曲轴4JB1为例，标准扇叶半径85 mm，动平衡要求在17 g/cm内。

首先动平衡定标，标准件的加重砝码应该贴合扇叶板，在实验时选择2 g、20 g、50 g左右的砝码进行加重实验，定标后反复测量看其量值是否稳定。

这里涉及到了砝码质心的计算，能准确计算砝码质心是验证机床测量系统是否准确和定标起到决定性作用。

下面是砝码质心计算的方法，如图2所示。

图2 动平衡砝码几何尺寸
图中：m为砝码总质量，g；m1为砝码大端质量，g；m2为砝码螺纹端质量，g；a为砝码螺纹段长度，cm；b为砝码大段长度，cm；c为砝码计算质心到螺纹底端距离，cm；h为砝码计算质心距离，cm。

根据动平衡机砝码计算公式[7]：
m2×a/2＋m1×(a＋b/2)＝m×c （1）由式（1）可以得出砝码计算质心距为：
h＝c－a （2）假如曲轴的扇面半径为R＝85 mm，砝码加在扇叶上时的计算半径为R'＝R＋h，在加重实验时机床测量出的不平衡量就应该为m×R'（g/cm）。

再根据计算砝码质心距离修改参数中的试重半径，这样就能对比计算的不平衡量与实际机床测量的不衡量的差值了。

多次试重后如机床的测量值非常不稳定。

在原参数中设定的主轴转速为400 r/min，由于4JB1的质量较大，转速过高会影响测量振动线性，在分别实验350 r/min、360 r/min、380 r/min 后得出360 r/min时测量4GB1的称量值相对稳定了，但是仍然有偏差以及大小头的分离比不好，加重后另一端的不平衡量也会很大。

3.2 解决分离比问题
分离比不好也会影响测量值。

影响分离比通常有两个方面，一个是大小头有一端有机械干涉，一个是大小头有一端的传感器有问题。

如排除机械干涉，那么检查传感器。

传感器探头与连杆固定无松动，探头运动正常能自由往复运动无干涉（如果有卡阻现象可更换传感器内的簧片）。

检查无问题后做无加重测量，检查左右两端的振幅线性一致性，如形成180°，一个近似正玄波一个近似余弦波，可判断有一侧传感器的1、2端子的线路接法问题导致波形不一致影响分离比。

通过在大小头分别加重，继续做无加重实验就可看振幅变化从而确定是哪一边的传感器线接线问题了。

重新焊接线后线性一致（图3），再看振幅线性时，加上最重的砝码（50 g左右），看线性图会不会出现跳出画面的情况，如果有就调节测量板上的档位，左右侧均可调节放大比例，直到线性适中。

3.3 增设轴向定位装置
继续进行加重测试，改了传感器线后分离比很小在允许范围内，但还是出现小范围波动，量值不稳定。

曲轴自动平衡机在测量的过程中，曲轴是旋转件，一个不平衡的曲轴在其旋转过程中对其支承结构和曲轴本身产生一个压力，并导致振动，自动平衡机就是对曲轴在旋转状态下进行动平衡测量校验，经过反复测量和检查发现，曲轴在旋转过程中轴向窜动严重（约0.5～3 mm 的轴向窜动），导致曲轴动平衡量值重合性极差[8]，甚至有曲轴在测量过程中飞出机床的现象。

（a ）改传感器线前 （b ）改传感器线后
图3 动平衡传感器振幅线性图
造成上述情况的原因是：曲轴全自动平衡机轴向定位装置主要是靠轴向定位块（见图4），轴向定位块材料为黄铜，曲轴轴向定位块磨损，曲轴在加工测试旋转中，产生轴向窜动时，与铜块干涉，造成铜块磨损，定位块与曲轴开档的间距越来越大，曲轴在加工中的轴向窜动也越来越大，量值误差也逐渐增大。

根据上述分析，对曲轴在动平衡测量时的端面进行定位，即提供一种能防止发动机曲轴在动平衡测量中的轴向窜动，以弥补现有技术的不足，增设动平衡机轴向定位装置，限制曲轴在动平衡加工中轴向窜动。

轴向定位装置如图4所示。

1.支撑块
2.
接头和轴承 3.气缸
图4 轴向定位装置
该定位装置改进后，操作方便，曲轴开始测试时，轴向定位气缸伸出，定位轴承紧贴曲轴端面，防止曲轴在旋转过程中产生的轴向窜动，曲轴动平衡精度达到发动机厂家要求的精度，保证了全自动平衡机置信度达到96%以上。

杜绝了曲轴在测量旋转时偶尔飞出的现象。

表2为动平衡标件量值改进后记录，测试时间为2016.12.21～2016.12.29。

从表中可以看出，曲轴自动平衡机测量稳定性得到有效提升。

表2 动平衡标件量值改进后记录
角度/°
量值/g·cm 角度/° 量值/g·cm 小头大头小头大头小头 大头 小头 大头 255279 2.89 2.36 249 279 2.36 2.89 254275 2.90 2.30 253 278 2.30 2.90 253280 2.10 2.90 254 280 2.90 2.10 255281 1.89 2.20 255 282 2.20 1.89 249280 2.20 1.88 250 280 1.88 2.20 250278 2.60 2.89 253 281 2.89 2.60 251279 2.90 1.99 251 282 1.99 2.90 255280 2.50 1.86 256 278 1.86 2.50 256281 2.40 2.58 249 279 2.58 2.40 253280 2.84 2.78 250 281 2.78 2.84 248282 2.65 2.46 254 280 2.46 2.65 249280
2.89 2.89 253 280 2.89 2.89
4 结论
针对曲轴的动平衡稳定性不够好问题，本文根据动平衡机的精度要求，通过在实际生产加工过程中找到三个影响动平衡不稳定的切实原因。

并通过对平衡机定标砝码的制定，解决分离比问题和增设创新轴向定位装置，限制曲轴动平衡加工中轴向窜动，使动平衡置信率从90%提高到了96%以上，从而提高了曲轴自动平衡机测量的稳定性。

参考文献：
[1]王晓升，测量点对转子动平衡影响的研究[J]. 西安交通大学学报：1998，32（7）：85-89
[2]唐一科，顾乾坤，张济生，转子自动平衡理论及应用研究[J]. 重庆大学学报，1995，18（6）；124－128
[3]张令弥. 振动测试与动态分析[M]. 北京：航空工业出版社，1992. [4]高冰，李智远. DPH-C 便携式动平衡仪[J]. 实验技术与管理，2003，23（1）：54-57.
（下转第66页）
通过触摸屏的操作界面，可以方和显示本控制系统的运行参数，如根度需要调整在切断过程中各电磁阀设定初始要完成的切断任务量，还可
引运行速度、现已完成的切断数量等面清晰，所有操作界面和提示信息清操作过程一目了然。

触摸屏的设计包面和信息，并将它们和PLC 程序相系统功能要求，设计了控制页面、参显示页面等界面，运行显示画面可实前设定的完成量、已切断数量、切断运行速度等信息。

图3 主程序流程图
4 样机运行调试
整机零件设计加工、完成装配后调试。

样机的整体结构如图4所示上设定好剪切时序时间，设定切断量，待料导入设备，点击送料按钮，当钢筋运行到定尺机构，完成剪切动成设定的数量后停止，随后关闭液压行效果良好。

方便地设置根据切断长的得电时间、可以显示牵等，显示画清晰明确，包括创建画相配合，根据参数设置、实时显示当断长度及现
后进行样机。

在触摸屏的长度和数钢筋运行，动作，当完压泵站，运图4
样机机械结构图5 结束语
设计了高强钢筋定长切断机统，进行自动化流水线作业，节减低了工人的劳动强度。

可以根度调整定尺机构，采用了PLC 控高，定尺精度准，提高了产品质量产品结构紧凑，通过触摸屏设计可以方便地控制和显示系统参数便，使用维护方便，安全性能高参考文献：
[1]李英波，等. 高速自动校直切断机控制系动化，2000，17（2）：33-35.
[2]安爱琴，等. 基于PLC 自动定尺切断机系统2013，34（3）：173-175.
[3]王永华. 现代电气控制及PLC 应用技术[航天大学出版社，2005.
[4]陈兰. 基于西门子PLC 的切断机定长切断联科技，2017，11（6）：145-146.
[5]包一辰. 基于PLC 及变频调速小区恒压供工程技术，2017，46（2）：42-48.
（上接第45页）
[5]金文鹏，丛培田. IMB-Ⅱ智能化多功能动平制[J]. 沈阳工业学院学报，1998，17（2）：1[6]张玉光. 动平衡测试技术研究[D]. 长沙：国[7]刘键，潘双夏，杨克己，等. 动平衡机系统研究[J]. 组合机床与自动化加工技术，2004（[8]彭亮，谈德世. 多功能动平衡测试仪[J]. （1）：45-48.
图
机的电气控制系节省了劳动力，根据不同切断长控制，牵引速度量和生产效率，计的人机界面，数，操作直观方高。

系统设计[J]. 制造业自统设计[J]. 煤矿机械，[M]. 北京：北京航空断控制系统[J]. 无线互供水系统设计[J]. 机电平衡测试仪的设计与研101-105.
国防科技大学，2006. 统误差分析及标定方法4）：1-4.
电机电器技术，2004。