康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油机曲轴自动平衡与校正目的及原理

 

摘要：柴油机三大件中的曲轴是由活塞带动做圆周运动的高速回转件，旋转过程承受各种复杂多变的交变载荷；曲轴在加工过程中，对其轴颈直径、圆度、平行度、直线度、轴径跳动、轴径锥度、轴向距离、粗糙度、相位角、动平衡量、清洁度等都会标注各自的技术要求，而曲轴在高速旋转运动过程中自身产生的不平衡振动与其转速的平方成正比，产生的高频率振动会导致轴瓦承受力负载增加及曲轴断裂等风险。曲轴平衡精度的高低对柴油机的振动、平稳运行及柴油机寿命都很重要。如何去除曲轴动平衡量，就是本文所需要分析和解决的问题。

 

一、曲轴自动平衡与校正的目的

 

      曲轴是柴油发电机的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下（往复）运动变成循环（旋转）运动，是柴油机上的一个重要的机件。曲轴在工作时是高速转动并会产生振动，如果平衡度不好，会产生动量峰值，严重的能折断。为了解决此类问题，一般柴油机需要通过曲轴动平衡机测试，在曲轴的不受力部位减少一些材料。因此，凡是高速转动件都是要做平衡检测试验，如飞轮、传动轴、高速主轴等，当发现不符合技术要求的产品再进行校正。

1、原理

      曲轴动平衡的原理是旋转的物体质量重心不在其旋转轴心上，会产生偏心力与力矩，从而造成旋转过程中的振动与支撑承受不必要的冲击力。为了解决这一问题，需要检测动平衡，找出偏心重量、偏心距及偏心方位。在此基础上，可以通过加重与减重法去除偏心量，保证旋转物体的重心在其旋转轴线上，从而减小振动，保证转动的平衡性。

2、目的

      自动平衡、校正技术主要用于大批量机械产品中作高速运动的重要零件的制造过程，如发电机和内燃机中的多种零部件，特别在现代柴油发电机组生产中得到了日益广泛的应用。曲轴动平衡就是为了消除或尽量减少工件的质量偏心，以提高柴油机质量而采取的重要措施。

      动平衡的实质是以测量不平衡量的大小和方位为依据，在若干个预先选择的校正平面上，用去重或加重的方法改变旋转体的质量分布，使其质量轴线与回转轴线相重合，借以达到动平衡的目的。受到曲轴形状和允许去重位置的限制，四缸柴油机曲轴（见图1）只允许在其两端和中间主轴颈两侧配有的扇状平衡块上去重。为了去重（钻孔）方便，一般采用90固定坐标系统进行测量。

      进入80年代以来，随着微机技术在各种自动控制系统中日益广泛的应用，不但大大提高了工艺装备（包括检测设备）的功能，而且为操作人员提供了更多的方便。在曲轴动平衡机中，平衡块上的实际去重位置和钻孔的数量可以通过键盘预先设置（见图2），在对四缸柴油机曲轴进行三面校正时，对称的去重位置之间的夹角α不一定为90°，每一平衡块上的钻孔数可以选择两个，也可以选择四个，后者相互之间的夹角β也能自选。

 

图1  四缸柴油机曲轴示意图

图2  曲轴平衡块示意图

 

二、曲轴自动平衡、校正过程的实现

 

      曲轴动平衡的第一步是确定不平衡量的大小和相位，被测工件（见图1）利用测量平面L、R（即图中的I、IV面）两侧的主轴颈架在一对带有传感器的弹性支承上，并由动平衡机测量工位上的驱动轴带动曲轴以角速度ω作回转运动。因工件存在质量偏重而产生的离心惯性力随着工件的回转作周期性变化，于是在两个支持工件的弹性支承上就受到激振力的作用而产生强迫振动。此激振力的幅值为：

F_H=meω²

式中，F_H——激振力幅值；

m——曲轴上不平衡量的质量；

e——不平衡量的回转半径；

ω——角速度。

      根据力学原理（曲轴设计图如图3所示），只要符合一定条件（指工件回转角频率大于弹性系统固有频率若干倍），在角速度ω一定时，弹性系统强迫振动的振幅与激振力的幅值成正比。从上式也可看出，当ω一定时，F_H与m、e的乘积，即与不平衡成正比。因此，测得工件弹性支承的振幅，就可以得到不平衡量的大小。曲轴动平衡机确定工件的平衡量在具体做法上各不相同，如架持工件的弹性支承的结构形式、所配置传感器的种类、确定不平衡量相位所需的角位移基准的建立方法等等。目前，常用的传感器有电感式、压电陶瓷式和应变片式等多种，都是将位移量的变化转换为成正比的电量输出。至于建立回转系统角位移基准的方法，则经历了一个演变过程，在六七十年代，采用的是“硬”定位方式，利用工件上的一个特征位置（如轴端键槽、销孔等），再通过同步的光电发讯型基准信号发生器，来确定不平衡量的去重位置，而现今普遍采用的已是光电编码与伺服电机或步进电机驱动相结合的技术。

      现代曲轴动平衡机与早期机型相比的最大差别是在控制系统上，由于普遍实现了微机化，从而彻底改变了由分立元件或小规模集成块组合成各功能电路的状况，在简化了系统设计、提高了可靠性的同时，使其性能也有了很大的提高。

      自动平衡、校正机的系统框图（图4）表明了曲轴动平衡过程中测量、去重与检验三者之间的关系，测量工位两传感器S_L和S_R产生的反映工件不平衡量的模拟信号经放大后输入微机控制系统，同时输入的还有每回转一周产生的基准信号。经过一系列诸如测出不平衡量的大小，并分辨相位进行矢量分解计算等数据处理后，即可确定在工件各校正面上的等效不平衡量，即在各个设定位置的去重量，进而再转换成相应的以钻孔深度表示的去重信号。在微机系统的控制下，工件由测量阶段转入去重阶段，钻孔动力头在不同的去重点根据指令要求的深度进给，完成不平衡量的去除。经过平衡、校正的曲轴最后还得进行一次检验，这个过程与前面的测量阶段基本相同且更简单。

 

图3  曲轴动平衡设计原理图

图4  曲轴自动平衡校正机的系统框图

 

三、影响动平衡去重量的因素

 

1、平衡方法及节拍控制

      控制平衡的方法有添加配重块达到平衡效果；有去除重量法，如在配重（平衡）块上钻孔去除重量。康明斯公司曲轴平衡控制是采用去除曲轴配重块重量法。

      当测量出零件不平衡量集中在同侧时，优先在零件的中间打孔去除重量，这样可以快速完动不平衡去除，这样的零件去重方向与不平衡量方向一致时，修正最快、合格率最高，节拍效率最高；若当测量出零件不平衡量两端角度、重量不一致时，优先在重的一侧最远点打孔去重，这样的零件修正比较麻烦，合格率低，需要重复测量确定位置打孔去重，节拍慢效率低。

2、钻孔数量与生产节拍计算

      当一个零件的不平衡量较大时，去除量要求较多，但零件的打孔深度和不平衡量角度位置，平衡孔间距离受到限制（图5），这时我们需要适当控制孔深度避免孔与孔之间底部贯穿，增加打孔数来控制动不平衡量，但由于不平衡量的分布区域受限，打孔数多，重新打乱了平衡状态，需要二次测量打孔，这时会影响到节拍，所以会要求毛坯铸造是尽量不要混模生产，加工线生产时不要混批次加工。

      在最终动平衡工序测量结果可以看出，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数量、节拍有差异。康明斯公司生产1.2L曲轴采用几何定心方式，经过统计，平衡孔数基本在1～13个之间，平衡孔数量小于9个占90%（图6）。在最终曲轴动平衡工序，加工孔数越多节拍时间越长，当单台加工时间大于节拍要求时则需要调整前工序中心孔位置，减少初始不平衡量，提升节拍。

 

图5  曲轴平衡孔距离平面示意图

图6  曲轴平衡孔数量柱图

 

四、曲轴动平衡机实例介绍

 

      此处介绍的曲轴动平衡机是一种全自动单工位的平衡、校正设备，其结构的最大特点是工件不平衡量的测量、校正和最后的检验都在一个工位上，结构十分紧凑。它应用于四缸柴油机曲轴的动平衡，但也能用于二缸和三缸的曲轴，最大测量长度600mm，承载重量25kg，即主要在中小型柴油发电机生产线上使用。

1、主要技术指标

      这种完全由计算机控制的高精度、高性能自动化设备的主要技术指标如下：

（1）检测不平衡量的传感器：压电陶瓷传感器。

（2）测量时工件转速：250r/min。

（3）每个平衡块上的去重点数量：2~4。

（4）二对称去重位置间的最大夹角：120°，可通过键盘设定。

（4）不平衡分辨率，即最小刻度值：0.1g/cm。

（6）校正后最大残留不平衡量：24g/cm。

      微机控制系统还有一些重要的功能，如能对不平衡量（去重量）与钻孔深度之间的非线性关系、对去重过程中钻头刀刃部分磨损引起的误差等进行修正和补偿，以保持较高的测量精度。

2、工作原理

      曲轴动平衡机属于平衡机的一种，其用于测量旋转物体（转子）不平衡量的大小和位置。其主要性能是用最小可达剩余不平衡量和动平衡机减少率两项综合指标，前者是平衡机能使转子达到的剩余不平衡量的最小值，它是衡量平衡机最高平衡能力的指标；后者是经过一次校正后所减少的不平衡量与初始不平衡量之比。

      图5是该曲轴动平衡机的结构示意图。从图7可见，排列在底部的工件由多自由度上、下料机械手送至动平衡工位，依靠其左、右端主轴颈支承在两个带有压电传感器的弹性托架上，托架的左侧是固定头架，右侧是可移动的尾架。当曲轴就位后。头架中的驱动轴右移，与其左端的法兰盘接触，与此同时，另一端的尾架左移，利用其顶尖插入工件轴端的顶尖孔中，头架中的伺服电机接着带动工件回转，弹性支承内的传感器检出曲轴的不平衡量，经过计算机测量控制系统确定了在工件各设定位置的去重量，并转换成钻孔动力头的进给量（钻孔深度）。这台动平衡机的测量工位也就是去重工位，当测量过程结束后，由液压系统控制的锁紧机构动作，工件将被承载在两刚性支架上，而头架驱动装置则在去重过程中间断回转，使工件的去重部位准确地对准钻孔动力头。

      从图8可见，位于该机上方的数控去重系统的主体是一套能作水平位移的单头钻机，电机1通过传动装置带动去重钻机在水平导轨移动，电机2是机械动力头的主电机，既驱动主轴回转，还能根据接受的指令经执行机构产生工作进给运动，另外，该系统还包含一套能使钻机产生快速进退运动的装置，并针对去重钻头悬伸较长的情况，设置了夹持钻头的钻套，从而提高了钻削时的准确性和稳定性。所有决定去重位置和去重量的操作，即轴向（X向），转角（θ向）和钻孔深度（Z向）都为计算机数控。选定的钻孔直径为Ø10mm，最大钻深为25mm，主轴转速为570r/min，进给量为0.2mm/r，加工时需用冷却液。完成了曲轴不平衡量的钻孔去除后，工位又恢复到测量状态，系统对经过动平衡的工件执行检查，其过程与第一阶段的不平衡量测量相同，但最后只提供不平衡量的数值，并根据规定指标作出相应的评价，用绿灯亮表示合格，红灯亮为不合格。

      这台曲轴自动平衡、校正机的效率取决于工件的初始不平衡量及其相位角，利用极坐标矢量分解法，通过微机系统的优化处理，能将校正过程中的去重钻孔数减至最少，从而缩短了循环时间并提高了效率。若曲轴的初始不平衡量为80~180g/cm，则只需经过一次去重操作就可完成校正过程，在这种情况下循环时间仅1分钟左右。对四缸柴油机曲轴而言，去重部位为四个平衡块，每个平衡块上最多可钻孔四个，呈对称分布，下面的流程图（图8）反映的自动平衡、校正过程是耗时最多的一种状态，方框下半部为完成这项动作的时间（秒）。

      若“检查”结果表明，工件不平衡量仍超过允许值，则还需在“检查”工序后自动执行去重，此时的初始不平衡量已不大，一般只需经过一次去重操作就可完成校正。

 

图7  曲轴动平衡机校正装置示意图

图8  曲轴自动平衡校正机控制原理图

 

总结：

      当曲轴配动块的加工空间较小且不平衡量较大时，宜采用质量定心加工工艺；当加工空间足够且节拍满足要求，考虑性价比因素，则采用几何定心更划算。曲轴的铸造一般是使用同一套模具批量生产，在模具磨损量不大的情况下同批量/批次的曲轴质量差异不大，所以可以采用几何定心找出分布规律。总体来说，曲轴中心孔加工与动平衡联机优化能更好的控制曲轴的初始不平衡量，对大多数曲轴来说，只要一次去重便可，极大的提高了生产效率，并且具有良好的应用前景。

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