（机械电子工程专业论文）摩托车发动机曲柄连杆机构动平衡测试及数据处理的研究.pdf

摘要 摘要 不平衡是指转子相对于其旋转轴质量分布不均匀，改变转子质量分郝以使它相 对于旋转轴分布均匀是恢复平衡的要求。转子或转轴的制造不可能达到使它们的质 量分布相对于旋转轴完全均匀的程度，因此，必然在运行中表现出不平衡。不平衡 将会在轴承上产生周期性惯性力，导致轴承疲劳，进而损坏机器设备。平衡( 使转 子质量分布均匀) 的目的并不是完全消除转子不平衡，而是将其降低至容许范围内。 恢复平衡需要将一定数量的不平衡量( 克厘米) 加在转子固有不平衡量的相反位置 上，故平衡的过程涉及不平衡量大小的补偿值的决定，及补偿值的正确定位。 曲轴作为结构特殊的刚性转子，在运行中总是与连杆，滑块一起构成一个整体 的曲柄连杆机构。由于有往复质量的影响，曲柄连杆机构不可能达到完全的平衡， 有其特殊性，因此其理论在动平衡领域内占有特殊地位。本论文针对摩托车发动机 曲柄连杆机构为研究对象，划曲柄连杆机构动平衡的测试提出了一种新方法，并列 其数字化测试裟覆进行了深入研究完成的t 要工作及取得的成粜如下： 首先，对动平衡理论进行了详细的探讨，论述了不平衡产生的原因，不平衡种 类及转予在不平衡量产生的惯性力激励下的运动规律，并对曲轴这一结构特殊的刚 性转子的平衡理论进行了阐述，重点研究了曲柄连杆机构这一往复式机械构件的力 学特性。 其次，通过对当前国内外曲柄连争下机构动平衡实验的现状及其存在问题的分析 研究，提出了一种新的测试方法：在工作原理上采用硬支承型测力式动平衡机，在 测量方法上应用互成9 0 0 的两点测量来失量合成任意一点旋转惯性力大小及方向， 这也是也是其不同于以往试验机的最大之处。提出了新型实验方法所采用实验装置 的测试原理和数学模型。 第三：得到了一个结论：在设计制作曲柄连杆机构动平镛测试装置时，必须考 虑这一受力情况，即连杆在作平面运动时，其臼身的惯性力( 不通过回转中心) 与 汽缸对活塞的反作用力二者之问形成的力偶将会对弹性支承元件产生扭矩的作用。 最后，对测试过程中数据采集、数据定标、数据处理进行了详细研究，利用强 大的m i c r o s o f tv j s u a lc + + 6 ，0 中的a p p w i z a r d 与i p c 5 4 3 2 数据采集卡自带的 i p c 5 4 3 2 o c x 应用程序接| 二j 控件”发通川。1 i 本试验机的测试应片j 程序。 关键词：不平衡，摩托车发动机曲柄连杆机构，数据采集数据处理 a b s t r a c l a b s t r a c t u n b a l a n c em e a n st h en o n u n i f o i t nd i s t r i b u t i o no f t h em a s so f ar o t o ra b o u ti t sa x i so f r o t a t i o n r e d i s t r i b u t i n gt h em a s s ( w e i g h t ) m o r eu n i f o r m l yi sn e c e s s a r yt or e s t o r eb a l a n c e ， n or o t o r , o rs h mc a r lb em a n u f a c t u r e dw i t hp e r f e c t l yu n i f o r mw e i g h td i s t r i b u t i o n h e n c e a l ls u c h c o m p o n e n t sw i l ld i s p l a ys o m ed e g r e eo fu n b a l a n c e u n b a l a n c ed a m a g e s m a c h i n e r yb yi m p o s i n gc y c l i cf o r c e so nb e a r i n g sa n ds h a f t st h a tl e a dt of a t i g u ef a i l u r e t h ep u r p o s eo f ”b a l a n c i n g ”一o fr e s t o r i n gu n i f o r m i t yo fm a s sd i s t r i b u t i o ni n s o f a ra s p o s s i b l e - i sn o tt oe l i m i n a t ea l lr o t a t i n gs y s t e mu n b a l a n c e ，b u tt ob r i n gi t d o w nt oa t o l e r a b l el e v e l t or e s t o r eb a l a n c e ，t h a ts a m en u m b e ro fg r a m c e n t i m e t e r sm u s tb ea d d e d t ot h ea s s e m b l yl g od e g r e e sa w a y t h eb a l a n c i n gp r o c e s s ，t h e n ，i n v o l v e sd e t e r m i n i n gt h e n u m b e ro fg r a m c e n t i m e t e r st ob ec o m p e n s a t e df o r , a n dl o c a t i n gt h ep r o p e ra n g u l a r p o s i t i o na tw h i c ht oa d ds u c hc o m p e n s a t i o n a sar i g i dr o t o rw i t hs p e c i a lc o n f i g u r a t i o n ，t h ec r a n ki sa l w a y si n t e g r a t e dw i t hi t s a c c e s s o r yc o m p o n e n t ss u c ha ss h a f ta n dp i s t o nw h e ni ti su n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n s s o w i t ht h er e c i p r o c a lm a s so ft h i sc o m b i n a t i o n a le q u i p m e n t ，t h ed y n a m i cu n b a l a n c eo ft h e c r a n kh a st h es p e c i a ls t a t u si nt h ef i e l do ft h eu n b a l a n c et h e o r y t h i sd i s s e r t a t i o nh a s p r e s e n t e dan e wm e t h o do nt h em e a s u r i n ga n dc h e c k i n gp r o c e d u r e so ft h ed y n a m i c u n b a l a n c eo ft h em o t o r c y c l ec r a n ka n dm a d ead e e pr e s e a r c ho ni t sm e a s u r i n gd e v i c e w h a th a v eb e e nd o n ei sa sf c i l l o w s ： f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o nh a st h o r o u g h l yd i s c u s s e dt h eb a s i ct h e o r yo fr o t o ru n b a l a n c e s u c ha si t sv a i l e t i e s ，c h a r a c t e r sa n dr u l e so f t h em o v e m e n tw h i c hi su n d e rt h ee x c i t a t i o n o ft h ei n e r t i a lf o r c ea n di n e r t i a lm o m e n ti n d u c e db yt h eu n b a l a n c em a s s i ta l s oh a s d e e p l ye x p o u n d e dt h ed y n a m i cm e c h a n i c so ft h es p e c i a l l yf o r m e dc o m p o n e n t s c r a n k e s p e c i a l l yi nt h ea r e ao f t h ec r a n ki n t e g r a t e dw i t hs h a f ta n dp i s t o n s e c o n d l y , b a s e do nt h ed e f e c t so ft h eu p t o d a t eb a l a n c i n gm a c h i n ew h i c hw e r e e m p l o y e di nt h em o t o r c y c l em a n u f a c t u r ep l a n t s ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a sp r e s e n t e dan e w m e t h o do nt h em e a n so fc h e c k i n gu n b a l a n c em a s so ft h em o t o r c y c l ee n g i n ec r a n ks e t i t h a sa d o p t e dt h eh a r d b e a r i n gb a l a n c i n gm a c h i n ea st h ep r o t o t y p e ，u t i l i z e dt o wg r o u po f r e s i s t a n c es e n s o r sp l a c e di nv e r t i c a ld i r e c t i o nw i t ho n ea n o t h e rt op i c ku pt h ei n f o r m a t i o n w h i c hs t a n df o rt h ei n e r t i a lf o r c eo ft h em o t o re n g i n ec r a n ks e tw h e ni ti sr u n n i n g f u r t h e r m o r e ，o nt h et h e o r e t i c so ft h eb a l a n c i n gm a c h i n ea n da s s o c i a t i o n sw i t ht h e p r a c t i c a l i t i e s o ft h em o t o r c y c l ec r a n k ，i th a sr e a s o n e do u tt h et e s tp r i n c i p l e sa n d 重庆人学硕士学位论文 m a t h e m a t i cm o d e lo ft h eu n b a l a n c em a s sc h e c k i n gd e v i c eo ft h em o t o r c y c l ee n g i n ec r a n k s e t ，w h i c hi ss u p p o r t e db yt h en e wm e t h o d t h i r d l y ，ac o n c l u s i o nh a sb e e ns e t t l e dd o w ni nt h i sd i s s e r t a t i o n ：b e c a u s et h es h a f t i n e r t i a lf o r c ev e c t o rd on o tp a s st h ec e n t e ro ft h er o t a t i n gc e n t e ro ft h es y s t e m t h e r ei sa m o m e n tg e n e r a t e db yt h es h a f ti n e r t i a lf o r c ea n dt h ec o u n t e r f o r c eo ft h ec y l i n d e rw a l lt o c o u n t e r b a l a n c et h ep r e s s u r ew h i c hi si m p o s e db yt h ep i s t o n ，s o ，i ti si m p o r t a n tt oc o n s i d e r t h et o r t i l ee f f e c to nt h ef l e x i b l es u p p o r t i n gc o m p o n e n to f t h eb a l a n c i n gm a c h i n ed e d i c a t e d t om o t o r c y c l ec r a n ks e t ，w h i c hi so r i g i n a t e db yt h em o m e n t f i n a l l y , t h i sd i s s e r t a t i o nh a sm a d ea ne x h a u s t i v er e s e a r c ho nt h ed a t as a m p l i n ga n d d a t ap r o c e s s i n g b a s e do nt h ep o w e r f u la p p w i z a r do ft h em i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 a n dt h ei p c 5 4 3 2c o n t r o l su s e da st h ea p p l i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dt h e m u l t i f u n c t i o n a ld a t as a m p l i n gb o a r d ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd e v e l o p e dt h eu n b a l a n c em a s s c h e c k i n gs o f t w a r ew h i c hi sa p p l i e di n t ot h i sb a l a n c i n gp r o t o t y p em a c h i n e k e y w o r d s ：u n b a l a n c e ，m o t o r c y c l ec r a n ks e t ，d a t as a m p l i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ， v 绪沦 1 1 动平衡原理简介 1绪论 机器中绕轴线旋转的零部件，称之为机器的转子。如果一个转子的质量分向均 匀，制造和安装都合格，则运转是平稳的。理想情况下，其对轴承的压力除重力之 外别无其它的力，即与转子不旋转一样，只有静压力。这种旋转与不旋转时对轴承 都只有静压力的转子，称为平衡的转子。如果转子在旋转时对轴承除有静压力外还 附加有动压力，则称之为不平衡的转子。由于转子不平衡而在旋转时产生的附加动 压力通过轴承传达到机器上，引起整个机器的振动，产生噪音，加速轴承的磨损， 降低机器寿命，甚至使机器控制失灵，发生严重事故。 这是从转子质量分布的角度论述了转子的不平衡，即出于转予质量相对于转子 轴线不能均匀对称分布，因此在转予转动时，重的一边比轻的一边产生较大的离心 力，导致了转子存在不平衡。 同样，转子的不平衡还可以作如下理解：当转子的中心主惯性轴线与旋转轴线 不重合时，我们就说转子上存在不平衡，并根据中心主惯性轴线与旋转轴线相对位 置的关系，将转子不平衡分为： 静不平衡 力偶不平衡 动不平衡 在后续章节中，我们可以知道，动不平衡其实就是静不平衡与力偶不平衡的组 合。 因此，由于即使在加工非常完善的回转体上也会存在着回转体质量密度的分布 不均匀的情况及旋转轴和回转体之间由于装配间隙而产生的偏心( 前者使回转体质 心偏离几何中心，而后者使回转中心和几何中心都偏离旋转轴) ，那么，平衡的过程 就是将物体的质心恢复到接近或与转轴重合的位置，这样来使剩余不平衡罱产生的 力和力矩达到可接受的程度。完全消除不平衡量是不可能也没有必要实现的理想状 态，将其控制在准许范围之内是转子动平衡技术的目标和发展方向。【3 】【5 】【2 2 】 1 2 不平衡量测试方法及装置 进行动平衡实验和校正不平衡量，首先面临的问题是不平衡量的测试。由于转 予不平衡量产生的惯性力的人小程度与旋转转予的转速和回转直径有天，因此，低 速，回转直径小的转子相对f 高速，回转直径大的转了允许在其上存在着较大的不 重庆人学项十学位论文 平衡量，故不平衡量通常定义为与转轴相隔适当距离上的净偏心重量。这是静不平 衡的情况。而在不平衡量的产生不仅有惯性力，而且还有惯性力偶参与的情况下( 这 是动不平衡的情况) 则需考虑转子的厚薄因素，薄的转子相对于厚的转子允许存在 着较大的不平衡力偶。( 不平衡量的表达方式详见2 1 4 ) 可见，一个转子究竟需要进行静平衡还是动平衡，这要根据具体情况，如转子 的重量、形状、转速、支座条件及用途藤定。目前广泛采赐的基本原则为：当西转 体径长比d i l 5 时，可只采用静平衡校罹而当d l l 时，需采用动平衡技术 校验时应用动平衡试验机进行两面校正( 两面平衡原理详见2 1 5 ) 。u 1 _ 2 1 静平衡测试方法及装置 在以只除去静不平衡为目的试验中，我们将在转子不旋转的情况下测量不平衡 的试验机，称为“静平衡实验机”。典型的静平衡测试方法有滚动法和天平法。 滚动法利用了如下原理：转子在滚动过程中，因存在静不平衡，转子停止转动 时重的部份必定处于最低位置。如果在较重部份的相反位簧上配置适量的平衡块， 那么，转子在任何位置上均可以处于停止状态，即达到静平衡。试验时，可将转子 置于两根摩擦很小的水平导轨或两个滚轮式支承上滚动转子。 另一种形式采用天平称重法，浚类型平衡机是把转子安装在水平的工作台面上， 工作台的支承可使工作台与转子一起在两个自由度方向倾斜。测量时移动两个在相 互垂直方向上的配重块，使工作台恢复到水平位置，由配重块的重量和位置计算出 转子的静不平衡大小和位置。 上述两种形式都是利用了转子静不平衡重力矩效应测量转子静不平衡，其精度 因受支承摩擦力矩的影响比较低，生产效率也不高，因此，近来尽管是测定转子的 静不平衡也驱动转予旋转，在一个校正面上测量并校正转子静不平衡的离心力式平 衡机称为“单面平衡机”。但习惯上所说的静平衡机系指重力式平衡机，而把单面离 心力式平衡机称为单面平衡机。【1 1 2 i t 2 7 】【2 8 1 1 2 2 动平衡测试方法及装置 动不平衡实际上就是静不平衡与偶不平衡的组合，转子经动平衡校征后，也就 校正了静不平衡，可见动平衡理论研究与实验机的研制开发在转子平衡理论中具有 非常重要的地位。 由于有偶不平衡量的影响故不平衡转子须进行双面校f 。通用型动平衡机一 般就是指完成双面平衡用的离心力式平衡机。在转子旋转的情况下，用测量转子不 平衡离心力所引起的支承振动或支承所受动载荷柬确定转子的不平衡量大小和相 位，它与单面平衡机的区别就在f 动平衡机须存转：r - 的两个简化- 、f ，面if ：测埽 = 校f f j 2 绪论 小、f 衡量。 动i f 衡机的主要组成部分： 由动平衡机的工作原理可知，在使用动平衡机测量转子的不平衡量时，必须使转 子旋转，转子旋转时不平衡离心力使转予一支承系统产生振动，通过测量支承振动或 所受动载荷确定转子的不平衡量。因此动平衡机有以下几个主要组成部分： 1 ) 能够支承转子并保证转子具有必要自由度的支承系统： 2 ) 使转子按一定转速旋转的驱动系统； 3 ) 测量和指示转子不平衡量大小和相位测量指示系统 动平衡机除以上三个主要组成部分外，根据用户要求或被平衡转子的特点还常 带有其他辅助装置，例如，去重装置、装卸装置、安全防护装置，不平衡相位打标 记装置等。 a 动平衡机的支承系统 动平衡机的支承系统是指安放被试体轴、承受其载荷，使被试体能够在摆架卜 旋转的部分。主要元件有：支承元件、支承架、弹性元件、摆架座、摆架锁紧机构、 托架高度调整机构、保持架和摆架移动机构等。主要形式有：滚轮式支承、v 形支 承、平面轴承、套式支承、各向同性支承形式。 动平衡机的支承系统结构形式不完全相同，所用元件的形状也不一样，但是， 支承系统的特性必须满足动平衡机工作的基本要求。其一是：转子必须能在支承系 统上被驱动旋转，并应考虑到转子旋转时会产生很大的不平衡离心力。因此，支承 系统必须能牢囿地支承转子，组成系统的各元件要有足够的强度和刚度，以承受转 予的不平衡离心力，并且联接可靠，不应松动。除此之外，支承系统必须有足够的 自由度，保证系统在转子不平衡离心力的作用下产生与转子不平衡量成正比的有规 律的振动。以便测量支承系统某测点的振动或所受动载荷以确定转子的不平衡量。 第二点是：平衡机的支承系统和转子构成了平衡机的机械振动系统也常称为平衡机 的转子一支承系统。其固有频率卯。与平衡机的工作转速0 9 的关系是设计制造软、硬 支承型动平衡机的理沦依据。因此，支承系统弹性元件刚度和系统的参振质量的选 择和确定是很重要的，必须引起足够重视。 b 动平衡机的驱动系统 平衡机的驱动系统通常包括：动力源、变速( 调速) 装置、传动( 驱动) 装置 等。驱动系统是使转子按所要求的平衡转速转动，并应使平衡转速尽量保持稳定。 动力源应有足够的拖动功率，使转子在一定范围内旋转。变速( 调速) 装置应使转 子得到所需要的转速。平衡机的驱动系统对平衡精度、平衡校证效率都有直接影响， 必须按照平衡校正工作的需要慎重考虑选用。 传动方式应根据转子的结构形式、重量和要求达到的平衡精度来确定。主要的 传动方式有以下几种： ( 1 ) 联轴节传动 ( 2 ) 带传动 ( 3 ) 旋转磁场传动 ( 4 ) 转予的自驱动 ( 5 ) 压缩空气驱动 ( 6 ) 摩擦轮驱动 ( 7 ) 其他驱动方式 c ，动平衡机的测量指示系统 转子的不平衡量是个矢量。因此，不平衡量的测量要包括两方面的任务，一是 要测出不平衡量的大小，其次还要决定不平衡量所在的相位。对转子不平衡量的测 量是通过测量平衡机支承系统的振动或其所承受的动载荷进行的。首先由传感器将 不平衡振动( 或支承动载荷) 变成相应频率的电信号，但这种电信号还不能直接用 来指示不平衡的大小和相位，它还包龠有各种不刷频率的干扰，必须经过必要的转 换和处理。诸如，消除校正平面问的相互影响，滤除信号中的各种干扰成分，为了 得到适合指示的信号电平，还有必要进行相应的放大和衰减。最后才能从显示装置 中读得不平衡指示。 从传感器完成机电信息转换到显示装置指示出不平衡量的太小和相位，这一完 整的测量过程主要由以下几个环节组成的： ( 1 ) 传感器 ( 2 ) 不平衡量测量电路 ( 3 ) 显示装置 l 2 1 1 4 1 5 1 1 4 4 l 两种媳型的动平衡机： 动平衡机的分类方法有多种，其中比较典型的一种分类方法是根据平衡机转子 一支承系统的力学特性，将动平衡机分为软支承动平衡机( 实验转速n - 0 高于2 倍参 振系统固有频率0 9 。即0 9 2 0 9 。) ，与硬支承动平衡机( 实验转速0 9 低于o _ 3 倍参振系 统固有频率0 9 。即0 9 0 3 c 0 。) 以及在这之间的第三类半硬支承动平衡机( 即 o 3 0 9 。 k 。，k ， k 。，于是，6 0 ，这样六个自由度的机械系统便只有 三个自由度了，即y 方向平动，绕石轴转动( a 角) 和绕z 轴转动。也就是转子只 能在y o z 水平面内运动，参照( 2 ) 、( 4 ) 式，令其中k ，= k ，y = 0 ，并且f l = ，：= f 得运 动方程为： 蚴0 + 2 k y 。= m l p l 国2c o s ( o t = 巧c o s ( d ( 6 ) j r 疆+ 2 k 1 2 a = m l n 椰2 z lc o s c 0 t = f , z lc o s o g( 7 ) 2 2 3 转子不平衡量和振幅、相位的关系 为了进一步分析不平衡量和转子振动的振幅和相位的关系，有必要考虑阻尼因 素，设阻尼系数c ，阻尼力大小为 。为分析方便不考虑转子的摆动影响，即转 子是作平动的单自由度系统，则转子的运动微分方程为： 何。+ 。+ 2 x y 。= m 1 p l 2c o s m t 解上式得：y 。= a c o s ( ( o l 一妒) 令 三：2 n 2 k ：国! m t p ：h 重庆大学硕士学位论文 振幅爿： ! ! ( 脚；一2 ) 2 + 4 n 2 0 3 2 相角2 留磊2 i o ) d ) j 一一 ( 驴席黼子振动固有 在小阻尼情况下，当振动频率远小于固有频率时，即珊 t o 。 a = - m 肘l p 翌= 一p ( p 为不平衡量使转子产生的偏心距) 西= 1 8 0 。 即振幅大小与转子的偏心距相等，但相位相反，这就是软支承型平衡机的工作 原理，故软支承型平衡机又称为测幅型平衡机。1 1 1 1 2 1 1 4 1 1 5 】 2 3曲轴动平衡原理 2 3 1曲轴动平衡特点 我们知道，曲轴是- , e e 结构特殊的刚性转子，这是因为曲轴在工作时是多点支 承，工作转速远低于曲轴的临界转速。另外，曲轴平衡时转速也比较低，因此平衡 时不会产生明显影响曲轴不平衡状态的弹性变形，它在原则上可按刚性转子二面平 衡原理进行平衡校正。但由于曲轴的结构特殊性，它没有任意位置去重的校正面， 平衡时的去重，都只能在某些固定的位置上或范围内进行( 如平衡块或连杆颈) 进 行。 图2 8 f i g u r e2 8 y ( 9 0 0 x ( o o ) 图2 8 为四缸曲轴的简图，其两端和中间主轴两侧的连杆颈的对而配有扇形平 扣尺婶氆书上 2 动平衡理论研究 衡块( 图中1 ，2 ，3 ，4 面) 。为了测量和去重的方便。这类曲轴通常采用9 0 。固定 坐标系进行平衡。即取i 、4 面为测量平面进行测量，将测得的不平衡量进行9 0 。( 沿 x ，y 坐标方向) 分解；如果其分量为正，就在1 、4 面中的x ，y 的正向去重，如 果分量为负，在l 、4 面的相应位置无法去重，就要将此负量转换到其他各面相应的 位置上去重。例如在l 面上有不平衡量盯，可将不平衡量沿直角坐标分解，如图2 9 所示。设o 。方向为x 轴的正向( 1 8 0 。为负向) ，9 0 。方向为y 轴正向( 2 7 0 。为负向) ， 其大小为： u 。= u c o s o ， u y = u s i n o = u c o s ( = j , 一0 ) o 以 图2 9 f i g u r e 2 9 如果这两个分量( 包括正、负量) 都被除掉，不平衡量盯也就被平衡了。若曲 轴采用钻孔的方法去重，那么分量都为正时，可在1 面o o 和9 0 0 方向去重；当分量 为负值时，表示应在1 8 0 。或在2 7 0 。方向去重，而l 面在1 8 0 0 或2 7 0 0 方向不能去重。 这时可以利用四缸曲轴的平衡块分布对称的特点，根据平行力分解的原理进行运算， 把负分量转换到2 ，3 ，4 校正面上去，进行多面校正。如图2 1 0 所示，若1 面出现 了负量u 。( 即在1 8 0 。位置上) ，可把他分解为2 ，3 面上的分量u 。和4 面上的分 量u 。 图2 1 0 f i g u r e2 1 0 由u m u m = u “，a u m x = 2 a u m ， 得u m = 2 u h ，u m = u h 。 u m , 重庆人学硕士学位沦文 即在中间校正面( 2 ，3 面) 的1 8 0 0 方向各去重u ，( 中间面平衡块的1 8 0 0 ，2 7 0 。 方向可钻孔去重) ，在4 面的0 。方向去重u 。同样，l 面j ，方向出现负量，就可转 换到2 ，3 面2 7 0 0 方向和4 面9 0 。方向去重。当然，对于4 面上的不平衡的分量出现 负量，用同样的方法将其转换到1 ，2 ，3 面上去重。总之，四缸曲轴可采用9 0 0 坐 标系三面校正的平衡方法进行平衡。 六缸曲轴可采用1 2 0 。坐标系五面校j 下的平衡方法进行平衡校正，其具体原理可 参阅有关文献。 由上可见，曲轴由于形状特殊，故其平衡方法也和一般转子不同，主要特点为： a 定点去蘑，b 多面校正。 2 3 2 曲柄连杆机构动平衡特点 曲柄连杆机构( 如图2 1 l 所示) 应用于往复机械中，它与一般的回转体构件运 动规律不同。 幽2 1 1 f i g u r e 2 1 1 其运动构件有三个，曲柄l 作定轴转动， 作平面运动，有一个惯性力和一个惯性力偶、 力。其运动特点为： 有旋转惯性力( 离心方向) ，连杆2 滑块( 活塞) 3 作平动，有往复惯性 往复质量引起的惯性力和惯性力偶，除了产生与曲轴转速相同频率的同步振 动外，还产生2 倍、4 倍、6 倍的所谓高频振动。 气缸数小于3 时，往复质量产生的惯性力和惯性力偶中，与转速同频的成份 不都为零。 气缸数为4 以上时，适当布置连杆轴颈，可使往复质量引起的惯性力和惯性 力偶中与转速同频的成份都变为零。 实际上，往复质量产生的高频成份的惯性力和惯性力偶大小远远小于转速同 频的成份，一般可以忽略。 在本论文中，研究对象为摩托车单缸发动机曲柄连杆机构动平衡。【2 i t 2 1 1 1 3 1 3 4 】 2 动平衡理论研究 2 3 3 单缸发动机曲柄连杆机构动平衡原理 媳班骖 图2 1 2 单缸发动机曲柄及连杆 f i g u r e2 1 2 c r a n ka n ds h a f ti ns i n g l ec y l i n d e ro f e n g i n e 取汽缸中心线为x 轴，与之相垂直的轴线为y 轴，如图2 1 2 所示。下面研究监 轴以角速度甜旋转时的情况，设m 。、m 。、1 1 , 1 矿m mm ，、m ，l 、聊，2 分别为活塞质 量，曲柄质量，连杆轴颈质量，曲柄臂质量，连杆质量连杆往复质量以及连杆旋转 质量，m 为全部往复质量，m 。为全部旋转质量，尺为曲柄半径，为连杆长度， p = r l ，则： 小r2 聊r 1 + 删r 2 b d m r i = 了m ，m r 2 = 了m r m 。= m c n + 2 m c d t r o e ) 珊2 m 口+ 7 , 1 “ 珊o2 埘c + m ，2 若x ，表示往复质量的惯性力，则 。圭m t 0 2 r ( c o s 纠+ p c o s 2 a , v ) 旋转质量的惯性力x 。k 为 x o 。m o t o2 r c o s o t k = m o 椰2 r s i n t o t 因而，对曲轴轴承的作用力为 x = 氐+ x 口主+ m o 如2 r c o s a g + m 2 r p c o s 2 t o t y = k = m o 出2 r s i n t o t 一般在发动机中p 为；，x 中带有2 倍角速度的项可用双轴平衡法加以平 )j 衡，为分析方便，若不计x 中带有2 倍角速度的项，则可得 x + o b 2 r c o s t o t y = 坍o 2 r s i n 研 整个机构的不平衡力为衙口，的合成欠量，其运行轨迹为： 重庆大学硕士学侥论文 兰： + ! ： ：l ( ，= m 。m ) ( 1 + f ) m c o2 r 】2【f m 国2 r 】2 这是个平面椭圆方程( 实际上的合成矢量轨迹不为一个椭圆，轨迹中含有 中带有2 倍角速度项的成份) ，也就是说，如果不计x 中的二次惯性力项，单杠曲 轴连杆机构惯性力矢量端点的轨迹是一个椭圆，其长轴在x 方向，大小为 ( 1 + f ) m c 0 2 r ，短轴在y 方向，大小为f m 2 r 。 在实际应用中，有时为了调整最大惯性力的方向，有意识地在设计曲柄时，将 旋转不平衡质量偏移一定的角度，如图2 1 3 所示，此时惯性力失端轨迹为一个倾 斜的椭圆，如图2 1 3 ，其长轴倾角为目，并有： 1 目= a r c t g 2 f s i n f l ( 1 2 f c o s f l ) 】 图2 1 3 f i g u r e2 1 3 刁 y 产0 3 口= 3 0 。 可见，x 轴与y 轴方向上得到不同大小的惯性力，x 轴方向上的作用力是往复 质量惯性力和旋转质量惯性力之和，而y 轴方向上的作用力只有旋转质量惯性力。 这种情况下，不可能使x 与y 同时为零。譬如，若为了平衡旋转质量惯性力，在曲 轴曲柄臂的相反方向上设置2 m 。r 。= m 。r ( 图2 1 4 ) 的平衡重，则 y = 0 ，x = 州缈2 r c o s c o t ，这样，只剩下往复质量惯性力。 图2 1 4 f i g u r e2 1 4 若使用复杂的方法，往复质量也能得到平衡，但一般4 i 予以平衡，实际上根据 发动机的使用目的，一般设置大于平衡旋转质量所需重量的平衡块，以平衡往复质 2 动平衡理论研究 量惯性力的一部分。采用这种方法，可以变小工方向上的惯性力，但又产生y 方向 上的惯性力a 现设所设置的平衡重的多余质量为( 即在平衡掉聊。2 r 后余下的质量) a ( r r 。) 埘 则惯性力在x 轴与y 轴方向上的分力分别为：( 注意平衡质量加在原有不平衡量的相 反位置上) ，有： z 1 = ( 1 一a ) m c 0 2 r c o s a ) l z = 一册2 rs i n c o t 这时，整个机构不平衡矢量端点轨迹方程为： v 2 1 ，2 二一+ 生一：1 【( 1 一a ) m c a 2 r 2 【僦珊2 r 】2 1 当口 o 5 时，惯性力椭圆长轴沿y 轴方向。最大惯性力为( 1 一a ) m c o2 r 和n t r ( _ 02 r 两 项中较大者。如图2 1 5 所示。 图2 1 5 f i g u r e2 1 5 ；0 7 通过适当选择a ，可使z ，与i 之比取各种不同的值。6 t 的选择方法，是随机械 的使用目的而不同，例如，象摩托车发动机曲轴那样，允许在y 方向上有振动，但 要避免x 方向的振动时，口值要接近于1 。另外，如同农用发动机曲轴，尽管允许x 方向上的振动，但希望y 方向上的振动小时，口值要接近于零。由此可见，应该按 不同的使用目的来适当规定口值，一般取g t = o 5 0 6 ，以使x ，士z 。这种单杠曲 轴的平衡，有下述两种方法： 连杆轴颈处设茕等效质量，对单个曲轴进行平衡。曲轴上的总平衡重块不仪 用以平衡曲柄旋转惯性力，而且用来平衡一阶往复惯性力。对这一类曲轴在进行动 平衡试验时，须加装当量环，当量环的质量可根据活塞和连杆的质量计算得到，此 方法的缺陷前以提及。 在试验机上测量装好滑块和连杆的曲轴总成( 曲柄连杆机构) 在x 方向和y 方向上的振动，并加以平衡，以使值与】，值有适当的比例，如：单缸曲轴的平衡 重块用以平衡连杆旋转质量，但只能部分甲衡往复质量，这部分往复质量的校正值 难庆大学硕t 学何论文 作为平衡因素，以百分比表示，随发动机配置不同而变化。此方法是本论文研究的 中心问题，重点放在对两个坐标方向振动力的测量方法上，并为今后设计曲柄连卡f 机构时确定z 值与】，值之间比例的容许范围打下基础。 一般说来，方法( 1 ) 比较实际而且简便。 图2 】6 f i g u r e2 1 6 如图2 1 6 所示。在设计中，从发动机的使用目的出发规定a 值，根据此值在曲 轴上已经布景平衡重 肌。2 孚c 寺 来平衡旋转质量时，一般在连杆轴颈上固定质量为 = o r m + ；州， 与，见图2 1 2 所示) 的等效质量，然后，在试验机上旋转单个曲轴，在，和，两个平面上进行通常的双 面平衡。用切去平衡重的方法校正不平衡比较简便，所以，预先将平衡重做成其质 量大于 m 。= 孚c 睾 。2 孝l i j 为好。 应用( 2 ) 方法时，动平衡试验机般采用设有特殊附属装置的卧式通用机，并 在该附属装置上安装曲轴与活塞、汽缸、连杆的组合件( 曲轴总成) 该附属装置的 结构保证了安装汽缸时使汽缸方向在垂直位置到水平位置范围内的任意角度上可以 变化。在动平衡试验机上只能检测水平方向上的振动，所以，汽缸处于垂直位置状 态下进行试验，只能测量y ( 即相当于口= 0 ) ，而汽缸处于水平位置状态下进行试 验，只能测量( 即相当于a = 1 ) 。因此，若将汽缸固定于适当角度的位置进行试 验，则在任意a 的情况下都可以进行测量。此外，若适当改变汽缸方向来观察测量 值的变化情况，则可以求出惯性力在各个方向上的大小。2 4 1 1 5 】【2 3 】1 3 l 】【5 3 】， 2 动平衡理论研究 2 3 4 当前工厂对曲轴不平衡量的描述 在工厂中，对于曲轴连打机构的动平衡情况，一般采用两个参数来进行描述 如图2 1 7 所示。其一是动平衡率，用 表示，丑= _ 冬1 0 0 。式中，a 为不平 一+ 廿 衡惯性力椭圆主轴长轴，b 为惯性力椭圆主轴短轴。 其二是惯性力椭圆主轴倾角，用目表示，0 为惯性力椭圆主轴长轴方向与y 轴 之间的夹角，其正负根据曲柄连杆机构旋转方向来判定：与旋转方向一致时为“正”， 与旋转方向相反时为“负”，如图2 1 7 所示0 即为“正” 图2 1 7 f i g u r e2 1 7 目前，国内大多数工厂对摩托车曲柄连杆机构动平衡的测试，采用的是软支承 动平衡测试机。下面以嘉陵工业为例详细说明目前工厂对摩托车单缸发动机曲柄连 杆机构动平衡测试的方法及步骤 设备名：明石平衡实验机( 日本进口) 测量步骤： 1 ) 将活塞装在待测曲柄连秆上，并小心将活塞装入模拟汽缸中。 2 ) 在夹具上装上曲柄连杆，并用半圆形的铝制轴环支承曲柄连杆的厶r 轴承 并夹紧。 3 ) 用连接套将曲柄连杆的尺轴部同测试机的主轴部相连接。 4 ) 调整夹具角度于0 0 位置，并插入锥形销，固定夹具角度。 5 ) 锁紧防振动杆( 上述操作均在防振动杆处于锁紧状态下进行) 。 6 ) 按起动按钮，使曲柄连杆旋转，待旋转平稳后，松开防振动杆。 7 ) 调整放大倍数至合适位置。 8 ) 转动角度指示器，使刻度盘上的妒值处于“0 ”位置，读取指示值，并作记录。 9 ) 转换修正面上、r ，重复8 项，读取另一修正面的指示值，并作记录。 1 0 ) 锁紧防振动杆，按停止按钮，使曲柄连杆停止旋转，调整夹具角度依次于 ( 0 。，1 0 。，3 5 0 。) ( 阳j 隔l o 。测一次) 位置，并插入锥形销，固定火具角度后。霞复 重j 人人学硕十学位论文 上述7 1 0 项。 1 1 ) 待0 0 一3 6 0 0 ( 每间隔1 0 0 测一次) 各位置都测试完毕后，将记录的数据进 行整理，并作出图形，计算出测试结果。 存在的缺陷与不足： 从以上测试方法可以看到，由于采用软支承形式，靠加速度传感器测量因惯性 力而产生的振动振幅大小来间接测量不平衡惯性力的大小，因此灵敏度不高，而且 测试比较烦琐，数据记录靠手动记录，数据的处理也是靠人工处理。效率和准确性 都不高，一般情况下，测试一套曲柄连杆，需花工人- - , b 时。【5 l 【5 3 1 2 4 挠形转子的平衡 前面所述的动平衡理论的出发点是基于转子是刚性的这一前提，但事实上，转 子在高速旋转时，或长径比比较大的转予旋转时，将不再是刚性转子，转子的挠度 变形不可忽视，挠性转子的动平衡方法一般有影响系数法与振型平衡法。 在影响系数法中，通过逐次地施加试重于每一个平衡校正面上，测量山它而产 生的在各个测量点处不平衡振动响应，然后借助于求得的影响系数矩阵，最终计算 出每个平衡校正面上应加的平衡校正量的大小与相位角。在振型平衡法中，以转子 的挠曲变形的振型曲线规律及振型函数的芷交性为理论基础，具体操作过程中，每 个平衡校正面上应加的平衡校正量的大小及其相位角，只能通过施加试重的途径来 求得，其在本质上也是影响系数平衡法的应用。 因此，无论是振型平衡法，还是影响系数法，一方面它们基本上还是一种( 在 理论指导下的) 手工试凑过程，工作效率低。另一方面，目前平衡所利用的振动信 息，都是用一个传感器从转子单向采集的，这样做是基于转子系统各向刚度相等的 假设，当转子各向刚度存在明显差异时现行的方法必然带来误差，降底平衡精度a 因此，着重于改进以往频谱分析所忽略的相位信息以及多个传感器综合的三维全息 谱技术的出现，对动平衡技术起一定的推动作用。 简言之，挠性转子上平衡配重块的加首，不但应使轴承处的动反力为零，而且 还应使转子所受的挠矩为零( 或最小) 。因此，不能像刚性转子那样只在两个校正面 内加置( 不包括结构特殊