回转件的平衡.ppt

1、 5.5.回转件的平衡回转件的平衡5.15.1回转件的静平衡回转件的静平衡5.25.2回转件的动平衡回转件的动平衡5.35.3车轮与轮胎车轮与轮胎的平衡的平衡 汽车机械基础汽车机械基础 单元二汽车常用机单元二汽车常用机构构 1 1、定义：、定义： 回转件回转件（又称又称转子）：绕固定轴线转动：绕固定轴线转动的构件。的构件。 机械中的转子，由于机械中的转子，由于结构上的不对称、材结构上的不对称、材料的不均匀以及制造料的不均匀以及制造和装配中的偏差，都和装配中的偏差，都会导致其质量中心和会导致其质量中心和回转轴线的不重合，回转轴线的不重合，使转子在回转时产生使转子在回转时产生周期性变化的周期性变化

2、的离心惯离心惯性力。性力。5.15.1回转件的静平衡回转件的静平衡 1.1.机械平衡机械平衡 上述周期性变化的惯性力会使机械的构件和基础产生振动，从而降低机器的工作精度、机械效率及可靠性，缩短机器的使用寿命。尤其当振动频率接近系统的固有频率时会引起共振，造成重大损失。因此必须合理地分配构件的质量，以消除或减少动压力，这个问题称为机械平衡。 已知图示转子的重量为已知图示转子的重量为G G=10 N=10 N，重心与回转轴线的距离为重心与回转轴线的距离为1 mm1 mm，转速为，转速为n n=3000 r=3000 rmin, min, 求离心力求离心力F F的大小。的大小。解：解：F=ma=Ge

3、 /g =1010 (23000/60) /9.8 =100 N 如果转速增加一倍如果转速增加一倍: n=6000 rmin F=400 N 由此可知：不平衡所产生的惯性力由此可知：不平衡所产生的惯性力 对机械运转有很大的影响。对机械运转有很大的影响。N21N21N21GGFFe2 22 2-3-3举例举例： 2 2、机械平衡的目的、机械平衡的目的 研究惯性力分布及其变化规律，并采取相应的措施对惯性力进行平衡，消除或减少惯性力和惯性力矩的影响，改善机械的工作性能。从而减小或消除所产生的附加动压力、减轻振动、改善机械的工作性能和提高使用寿命。但也有利用不平衡惯性力引起的振动来工作的。但也有利用不

4、平衡惯性力引起的振动来工作的。 3 3、机械平衡的内容、机械平衡的内容 转子的不平衡惯性力可利用在其上增加或除去一部分质量的方法加以平衡。其实质是通过调节转子自身质心的位置来达到消除或减少惯性力的目的。 根据回转件的轴向宽度B和直径D的比值大小，回转件的平衡可分为静平衡和动平衡两种。 静平衡 只要求其惯性力平衡； 动平衡 同时要求其惯性力和惯性力偶矩的平衡。 4 4、静平衡、静平衡 对于轴向尺寸较小的盘形转子(B/D 1/5)，如齿轮、砂轮、飞轮等，其质量可近似认为分布在同一回转平面内。因此，当当其作匀角速转动时，偏心质量 产生的离心力构成同一平面内汇交于回转中心的平面汇交力系。 如果该力系不

5、平衡，则它们的合力F不等于零。由平面汇交力系的平衡条件可知，如欲使其平衡，只要在该回转面加一质量(或在相反方向减一质量) ，所加质量产生的离心力Fb与原有各偏心质量所产生的离心力Fi的向量和等于零，使该力系成为平衡力系，ABFrG mmDAB回转平面B 力系平衡了，回转件自然就达到了平衡。即 F=FbFi=0原有各偏心质量所产生离心力的合力原有各偏心质量所产生离心力的合力新加平衡质量所产生的离心力新加平衡质量所产生的离心力总离心力总离心力 上式 F=FbFi=0 可改写为 me =mbrb miri =0 消去公因子后得 me= mbrb miri =0 式中 m回转体总质量(原有质量平衡质量

6、) ； e回转体总质量质心的向径； mb、rb平衡质量及其质心向径； mi、ri原有各偏心质量及其质心向径； 质量与其质心向径的乘积称为质径积，它表达了各相应质量产生的离心力的大小和方向，是一个矢量。2 22 22 2 5 5、静、静平衡的条件平衡的条件 由式me= = mbrb miri = =0 0可知：回转件平衡后 e=0。经加(或减)一平衡质量之后，总质心与回转中心重合。此时回转件的总质量对回转中心的静力矩mge=0，该回转件可在任何位置保持静止而不会自行转动。因此，工程上把这种平衡叫做静平衡。 由上述可知，静平衡的条件是：分布在该回转件分布在该回转件上各质量上各质量的的离心力离心力(

7、或质径积或质径积)的向量和等于零。的向量和等于零。即质心与回转中心重合。 m1r1Dbm2r2m3r3F1F2F3FS SmSrSmbrbFbF = F1 + F2 + F3 = m1 2 r1 + m2 2 r2 + m3 2 r3加入加入 mb rb, 使使 P+ Pb = 0即即: m12 r1 + m2 2 r2 + m3 2 r3 + mb 2 rb = 0或或: m1 r1 + m2 r2 + m3 r3 + mb rb = 06 6、静平衡计算、静平衡计算上述方法称为上述方法称为配重法配重法。显然，也可以。显然，也可以F Fb b的反方向即图中的反方向即图中F F 方方向上减去相

8、应的向上减去相应的m mb b使回转件平衡，该方法称做使回转件平衡，该方法称做去重法去重法。F Fb bF F2 2F F3 3F F1 1图解法图解法m mb br rb bm m2 2r r2 2m m3 3r r3 3m m1 1r r1 1 导轨式静平衡架：导轨式静平衡架：1)1) 应将两导轨调整为水平且互相平应将两导轨调整为水平且互相平行；行；2)2) 将转子放在导轨上，让其轻轻地将转子放在导轨上，让其轻轻地自由滚动；自由滚动；3)3) 待转子停止滚动时，其质心待转子停止滚动时，其质心S S 必必在轴心的正下方，这时在轴心的在轴心的正下方，这时在轴心的正上方任意向径处加一平衡质量正上

9、方任意向径处加一平衡质量（一般用橡皮泥）；（一般用橡皮泥）；4)4) 反复试验，加减平衡质量，直至反复试验，加减平衡质量，直至转子能在任何位置保持静止为止转子能在任何位置保持静止为止 5)5) 根据橡皮泥的质量和位置，得到根据橡皮泥的质量和位置，得到其质径积；其质径积；6)6) 根据转子的结构，在合适的位置根据转子的结构，在合适的位置上增加或减少相应的平衡质量。上增加或减少相应的平衡质量。7 7、静平衡试验、静平衡试验 导轨式静平衡架导轨式静平衡架作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授导轨式静平衡导轨式静平衡架架OOQSQS导轨式静平衡导轨式静平衡架架QSOOQS导轨

10、式静平衡导轨式静平衡架架QSOOQS导轨式静平衡导轨式静平衡架架QSOOQSQSOOQS作者：潘存云教授作者：潘存云教授Q QQ Q滚子式静平衡架滚子式静平衡架 当转子两端支承轴的当转子两端支承轴的尺寸不同时，应采用这种尺寸不同时，应采用这种平衡架。平衡架。 圆盘式静平衡架：圆盘式静平衡架： 5.25.2回转件的动平衡回转件的动平衡 动不平衡问题：在转子运动的情况下才能显示出来的不平衡现象。 对干宽径比b/D 1/5的转子，如多缸发动机的曲柄、汽轮机转子、汽车轮胎总成等 ，因轴向宽度较大，不能再近似认为其质量都分布在同一平面内。若有不平衡质量存在，则应看作是分布在垂直于回转轴线的若干互相平行的

11、回转面内。因而，回转件转动时各不平衡质量产生的离心力不再是平面汇交力系，而是空间平行力系空间平行力系。 1 1、动不平衡、动不平衡 下图所示的回转件，在不考虑材质不均和制造误下图所示的回转件，在不考虑材质不均和制造误差时，理论上质心与回转中心是重合的。但两个离差时，理论上质心与回转中心是重合的。但两个离心力不在同一回转面上，所以回转中离心力形成的心力不在同一回转面上，所以回转中离心力形成的力偶不为零。在此力偶作用下，回转件将产生周期力偶不为零。在此力偶作用下，回转件将产生周期性的扭振，即存在性的扭振，即存在动不平衡动不平衡。 由理论力学知：由理论力学知：力偶只能力偶只能用力偶平衡用力偶平衡。故

12、只在一个平。故只在一个平面内加或减个质量是不能面内加或减个质量是不能使之达到平衡的。使之达到平衡的。 2 2、动平衡原理、动平衡原理设转子上的偏心质量设转子上的偏心质量m m1, 1, m m2 2和和m m3 3分别在回转平面分别在回转平面1 1，2 2，3 3内，其质心的内，其质心的向径分别为向径分别为r r1 1 、r r2 2 、r r3 3。当转子以等角速度当转子以等角速度 转动时，平面转动时，平面1 1内的偏内的偏心质量心质量m m1 1所产生的离心所产生的离心惯性力：惯性力： F F1 1 = = m m1 1 2 2 在转子的两端选定两在转子的两端选定两个垂直转子轴线的平个垂直

13、转子轴线的平面面 TT 、 TT 。设设 TT与与 T“T“相距相距 l l，平面平面1 1到平面到平面 T T 、T” T” 的距离分别为的距离分别为l l1 1、 l l1 1。 F F1 1可可用分解到平面用分解到平面 TT 和和T“T“中的力中的力F F1 1和和F F1 1来代替。来代替。 由理论力学的知识可知 11FllF11FllF2112111rmllrmF2112111rmllrmF 、 分别为平分别为平面面 、 中向径为中向径为r1 1的偏的偏心质量心质量 、 所产生所产生的离心惯性力。的离心惯性力。1F1F1m1mT T 原分布在平面原分布在平面1 1、2 2、3 3上的

14、偏心质量上的偏心质量 、 、 ，完全可以用平，完全可以用平面面 、 上的上的 和和 ， 和和 ， 和和 所代替，它们的不平衡所代替，它们的不平衡效果是一样的。效果是一样的。1m1m3m2m3m2m1m2m3mT T 333333222222111111 , , , mllmmllmmllmmllmmllmmllm 对于平面对于平面 ： 这样来这样来刚性转子的动平衡问题就可以用静平衡刚性转子的动平衡问题就可以用静平衡计算的方法来解决计算的方法来解决！T 0332211rmrmrmrmbb对于平面对于平面 ： T 0332211 rmrmrmrmbb 无论是用解析法还是图解法，均可解出无论是用解析

15、法还是图解法，均可解出 ， 的大小及方位。即可此两平面内采用静平衡的配重法进行的大小及方位。即可此两平面内采用静平衡的配重法进行平衡。平衡。bbrmbbrm 3 3、动平衡试验、动平衡试验动平衡需在专用试验机上进行。1)1) 在转子上选定两个适于安装平衡质量的平在转子上选定两个适于安装平衡质量的平面作为平衡平面或校正平面；面作为平衡平面或校正平面；2)2) 确定需在两个平衡平面内增加的平衡质量确定需在两个平衡平面内增加的平衡质量的质径积大小和方向；的质径积大小和方向；3)3) 选定向径，将平衡质量加到转子相应的方选定向径，将平衡质量加到转子相应的方位上位上。 动平衡机结构动平衡机结构 即即F

16、F0 0 、M M0 0 5.3车轮与轮胎的平衡 车轮与轮胎是高速旋转的组件。如果车轮不平衡将引起车轮上下跳动和横向振摆。这不仅影响汽车行驶的平顺性、乘坐舒适性和操纵稳定性，使车辆难以控制，影响 汽车行驶的安全性，还因加剧轮胎及底盘相关机件的磨损和冲击，缩短汽车使用寿命，增加汽车运输成本。 车轮平衡车轮平衡车轮平衡分就车式和离车式车轮平衡分就车式和离车式两种两种。 微机化轮胎平衡机(离车式) 离车式 以硬支承平衡机为例，由于其转轴支承装置刚度大，固有振动频率高，振幅小，因而车轮的惯性力可忽略不计。车轮不平衡所产生的离心力是以力的形式作用在支承装置上的，只要测出支承装置上所受的力或因此而产生的振

17、动，就可得到车轮的不平衡量。 11.1.2 11.1.2 机械平衡的方法机械平衡的方法2) 平衡试验平衡试验 1) 平衡设计平衡设计在机械设计阶段，采取措施消除或减少产生有害振动在机械设计阶段，采取措施消除或减少产生有害振动的不平衡惯性力。的不平衡惯性力。平衡试验：平衡试验：通过试验的方法加以平衡。通过试验的方法加以平衡。平衡设计的机械：理论上达到平衡平衡设计的机械：理论上达到平衡不平衡现象：达不到原来的设计要求不平衡现象：达不到原来的设计要求制造不精确制造不精确材料不均匀材料不均匀安装不准确安装不准确 11.2 11.2 刚性转子的平衡设计刚性转子的平衡设计若不平衡，则需要在结构上采取措施消

18、除不平衡惯性若不平衡，则需要在结构上采取措施消除不平衡惯性力的影响。力的影响。转子的平衡设计转子的平衡设计: :在转子的设计阶段，尤其是在对高速转子及精密转子进行在转子的设计阶段，尤其是在对高速转子及精密转子进行结构设计时，必须对其进行平衡计算，以检查其惯性力和结构设计时，必须对其进行平衡计算，以检查其惯性力和惯性力矩是否平衡。惯性力矩是否平衡。 11.2.1 11.2.1 刚性转子的刚性转子的静平衡设计静平衡设计静不平衡现象：静不平衡现象：转子的质心不在回转轴线上，当其转动时，其偏心质量就会产生离心转子的质心不在回转轴线上，当其转动时，其偏心质量就会产生离心惯性力，从而在运动副中引起附加动压

19、力。惯性力，从而在运动副中引起附加动压力。1)根据转子结构定出偏心质量的大小根据转子结构定出偏心质量的大小和方位；和方位；2)计算出为平衡偏心质量需添加的平计算出为平衡偏心质量需添加的平衡质量的大小及方位；衡质量的大小及方位；3)在转子设计图上加上该平衡质量，在转子设计图上加上该平衡质量，以便使设计出来的转子在理论上达以便使设计出来的转子在理论上达到平衡。到平衡。径宽比径宽比D/b5的转子（砂轮、飞轮、齿轮）：可近似地认为其不平衡质的转子（砂轮、飞轮、齿轮）：可近似地认为其不平衡质量分布在同一回转平面内。量分布在同一回转平面内。静平衡设计：静平衡设计： 盘形转子盘形转子的静平衡设计举例：的静平

20、衡设计举例：已知已知： 分布于同一回转平面内的偏心质分布于同一回转平面内的偏心质量为量为m1, m2和和m3 从回转中心到各偏心质量中心的从回转中心到各偏心质量中心的向径为向径为r1，r2 和和r3。 当转子以等角速度当转子以等角速度 转动时，各转动时，各偏心质量所产生的离心惯性力分别偏心质量所产生的离心惯性力分别为：为：F1，F2，F3。 11.2.1 11.2.1 刚性转子的刚性转子的静平衡设计静平衡设计 增加一个平衡质量增加一个平衡质量mb，其其向径为向径为rb 所产生的离心惯性力为所产生的离心惯性力为Fb。11.2.1 11.2.1 刚性转子的刚性转子的静平衡设计静平衡设计要求平衡时，

21、要求平衡时，Fb, F1, F2, F3所形成的合所形成的合力力F应为零应为零： F=F1+F2+F3+Fb=0 023232221212bbmmmmmrrrre 11.2.1 11.2.1 刚性转子的刚性转子的静平衡设计静平衡设计 质量与向径的乘积称为质径积质量与向径的乘积称为质径积，表示在同一转速下转子上表示在同一转速下转子上各离心惯性力的相对大小和方位。各离心惯性力的相对大小和方位。m和和e分别为转子的总质量和总质心的向径；分别为转子的总质量和总质心的向径；mi和和ri分别为转子各个偏心质量及其质心的向径；分别为转子各个偏心质量及其质心的向径；mb和和 rb分别为所增加的平衡质量及其质心

22、的向径。分别为所增加的平衡质量及其质心的向径。 转子平衡后，其总质心将与回转轴线相重合，即转子平衡后，其总质心将与回转轴线相重合，即e e = 0。 0332211bbmmmmmrrrre 根据根据质径积质径积mbrb，确定，确定rb和和平衡质量大小平衡质量大小。 安装方向安装方向：向量图上所指的方向。向量图上所指的方向。11.2.1 11.2.1 刚性转子的刚性转子的静平衡设计静平衡设计若转子的实际结构不允许在向径若转子的实际结构不允许在向径rb的方向上安装平衡质量，的方向上安装平衡质量，如何做？如何做？为了使设计出来的转子质量不致过大，为了使设计出来的转子质量不致过大，一般应尽可能将一般应

23、尽可能将rb选大些，这样可使选大些，这样可使mb小些。小些。 11.2.1 11.2.1 刚性转子的刚性转子的静平衡设计静平衡设计在向径在向径rb的相反方向上去掉一部分质量的相反方向上去掉一部分质量来使转子得到平衡来使转子得到平衡！可在另外两个回转平面内分别安装平衡质量，以可在另外两个回转平面内分别安装平衡质量，以使转子得以平衡。使转子得以平衡。 若在所需平衡的回转面内实际结构不允若在所需平衡的回转面内实际结构不允许安装或减少平衡质量许安装或减少平衡质量？ （2）对于静不平衡的转子，无论它有多少个偏心质量，对于静不平衡的转子，无论它有多少个偏心质量，都只需要适当地增加一个平衡质量即可获得平衡都

24、只需要适当地增加一个平衡质量即可获得平衡, ,即对于静不平衡的转子，需加平衡质量的最少数即对于静不平衡的转子，需加平衡质量的最少数目为目为1。 11.2.1 11.2.1 刚性转子的刚性转子的静平衡设计静平衡设计结论：（1）静平衡的条件：分布于转子上的各个偏心质量的离静平衡的条件：分布于转子上的各个偏心质量的离心惯性力的合力为零或质径积的向量和为零。心惯性力的合力为零或质径积的向量和为零。 11.2.2 11.2.2 刚性转子的刚性转子的动平衡设计动平衡设计 转子的动平衡设计：转子的动平衡设计：1) 根据转子结构确定出各个不同回转平根据转子结构确定出各个不同回转平面内偏心质量的大小和位置。面内

25、偏心质量的大小和位置。2) 计算出为使转子得到动平衡所需增加计算出为使转子得到动平衡所需增加的平衡质量的数目、大小及方位；的平衡质量的数目、大小及方位；3) 在转子设计图上加上这些平衡质量，在转子设计图上加上这些平衡质量，以便使设计出来的转子在理论上达到以便使设计出来的转子在理论上达到动平衡。动平衡。动不平衡问题：动不平衡问题：在转子运动的情况下才能显示出来的不平衡现象。径宽比D D/ /b b 5的转子（多缸发动机的曲柄、汽轮机转子）。特点：轴向宽度较大，其质量分布在几个不同的回转平面内。 11.2.2 11.2.2 刚性转子的刚性转子的动平衡设计动平衡设计设转子上的偏心质量设转子上的偏心质

26、量m1, m2和和m3分别在分别在回转平面回转平面1，2，3内，其质心的向径分内，其质心的向径分别为别为r1 、r2 、r3。当转子以等角速度当转子以等角速度 转动时，平面转动时，平面1内的偏心质量内的偏心质量m1所产生的离心惯所产生的离心惯性力性力： F1 1 = = m1 1 2 2。在转子的两端选定两个垂直转子在转子的两端选定两个垂直转子轴线的平面轴线的平面 T 、 T 。设设 T与与 T相距相距 l l，平面，平面1到平面到平面 T 、 T 的距离分别为的距离分别为 、1l1lF1可用分解到平面可用分解到平面 T 和和T中的力中的力 、 来代替。来代替。1F1F 11.2.2 11.2

27、.2 刚性转子的刚性转子的动平衡设计动平衡设计由理论力学的知识可知 11FllF11FllF2112111rmllrmF2112111rmllrmF 、 分别为平分别为平面面 、 中向径为中向径为r1 1的偏的偏心质量心质量 、 所产生所产生的离心惯性力。的离心惯性力。1F1F1m1mT T 原分布在平面原分布在平面1 1、2 2、3 3上的偏心质量上的偏心质量 、 、 ，完全可以用平，完全可以用平面面 、 上的上的 和和 ， 和和 ， 和和 所代替，它们的不平衡所代替，它们的不平衡效果是一样的。效果是一样的。1m1m3m2m3m2m1m2m3mT T 333333222222111111 ,

28、 , , mllmmllmmllmmllmmllmmllm 对于平面对于平面 ：11.2.2 11.2.2 刚性转子的刚性转子的动平衡设计动平衡设计刚性转子的动平衡设计问题可刚性转子的动平衡设计问题可以用静平衡设计的方法来解决以用静平衡设计的方法来解决！T 0332211rmrmrmrmbb对于平面对于平面 ： T 0332211 rmrmrmrmbb 无论是用解析法还是图解法，均可解出无论是用解析法还是图解法，均可解出 ， 的大小及方位。的大小及方位。bbrmbbrm 动平衡设计步骤：动平衡设计步骤：1)1)在转子上选定两个适于安装平衡质量的平面作为平在转子上选定两个适于安装平衡质量的平面作

29、为平衡平面或校正平面；衡平面或校正平面；2)2)确定需在两个平衡平面内增加的平衡质量的质径积确定需在两个平衡平面内增加的平衡质量的质径积大小和方向；大小和方向；3)3)选定向径，将平衡质量加到转子相应的方位上选定向径，将平衡质量加到转子相应的方位上。11.2.2 11.2.2 刚性转子的刚性转子的动平衡设计动平衡设计 小结小结： (1)(1)动平衡的条件：当转子转动时，转子上分布在不同动平衡的条件：当转子转动时，转子上分布在不同(2) 对于动对于动不平衡的转子，需加平衡质量的最少数目为不平衡的转子，需加平衡质量的最少数目为2。动不平衡又称。动不平衡又称为双面平衡，而静平衡则称为单面平衡。为双面

30、平衡，而静平衡则称为单面平衡。 (2)(2)平面内的各个质量所产生的空间离心惯性力系的合力及合力矩平面内的各个质量所产生的空间离心惯性力系的合力及合力矩均为零。均为零。11.2.2 11.2.2 刚性转子的刚性转子的动平衡设计动平衡设计(3) (3) 经过动平衡的转子一定静平衡；反之，经过静平衡经过动平衡的转子一定静平衡；反之，经过静平衡的转子则不一定是动平衡的。的转子则不一定是动平衡的。 11.3 11.3 刚性转子的平衡试验刚性转子的平衡试验试验原因及目的：试验原因及目的： 平衡设计：理论上是完全平衡的。平衡设计：理论上是完全平衡的。 还会出现不平衡现象。还会出现不平衡现象。 需要用试验的方法对其做进一步平衡。需要用试验的方法对其做进一步平衡。 11.3.1 11.3.1 刚性转子的静平