高速小齒輪動平衡技術研究

馬學宇

摘 要：通過對小齒輪動平衡工藝的分析與研究，找到了動平衡的影響因素，改善了平衡工藝方法，改進了平衡工裝設備，確保了小齒輪動平衡真實性、穩定性。

關鍵詞：動平衡MSE；速度敏感性；EMAR；URR

1 概述

1.1 動平衡關鍵因素

通過對動平衡工藝過程的分析，總結出動平衡影響關鍵因素。其因素分析，如圖1所示。

由平衡機規格進行分析，支承重量和回轉直徑形成一個連續序列，可以滿足中小零件平衡要求。

1.2 檢定

按國標GB4201-84規定，同時參考ISO 2953-1999，以8點法進行校驗。平衡轉子和試驗過程嚴格按照規范SAE ARP587B-1990 R1995、SAE ARP588B-1993、SAE ARP4050-2011、SAE ARP4048-2011等進行，確保平衡機能夠獲得可靠數據。

1.3 典型零件要求

回轉直徑：49.5mm

長度：53.6mm

重量：168.5g

平衡量：H1.15gmm J1.0gmm

從設計技術要求看，高速小齒輪對平衡精度要求較高，因此對其展開試驗，確保平衡工藝能夠滿足要求。

2 平衡機速度敏感性試驗

零件與平衡機本身的匹配狀態，需要通過試驗確定。通過平衡機速度敏感性試驗，可以確定最佳的平衡轉速。

運行速度敏感性檢查確定最適宜速度的步驟如下：

（1）通過操作平衡機從900rpm開始，獲得零件2個平面的平衡數據（不平衡量和角度）。對升至2100rpm的各速度重復該操作，增量為200rpm。不平衡量和角度穩定（變化值最小）的速度，之后將作為工件或MSE的運行速度。

（2）將轉子放置在平衡機上，按速度做3次運行（每個速度3個讀數）；每200rpm的增量進行一次測量（900-2100rpm）。

（3）分下設置，重新設置平衡機，由第2個操作者重復步驟1。

（4）評估數據，確定大小和方位恒定的速度范圍。

由數據確定最穩定點的轉速為1200rpm。零件可在該轉速下獲得最穩定的測量數據。

3 平衡機MSE試驗

平衡機從其本質上看是一種測量設備，因此，在平衡機測試過程中，需要通過MSE（測量系統誤差）試驗來對平衡機的系統誤差狀態進行分析，獲得平衡機平衡能力的初始信息。平衡機MSE試驗按如下程序進行。

3.1 在平衡機上安裝零件

（1）定位平衡用基準，確保前后平面定置正確。

（2）檢查驅動零件的帶子或o型環緊度。緊度應保證零件獲得需要的旋轉速度，不能過緊或過松，帶子不能滑動。

（3）弄直輥子（平行檢查），檢查垂直支承，弄平零件——使零件可以在軸向自由移動——向左或向右。支承輥子的一端（左或右）可以接觸轉子——支承輥子的兩端在平衡操作過程中不能同時接觸轉子。

（4）在平衡機上安裝零件，輸入設置參數（線性尺寸英寸或毫米）——a，b，c，r1，r2——尺寸“b”在工藝規程中給出。尺寸“a”和尺寸“c”在實體可能的情況下，應越小越好。尺寸“r1”和“r2”可以是1或按工藝規程。

（5）輸入：平衡公差（克-毫米或盎司.英寸）和期望平衡速度按RPM。該零件平衡公差前平面為0.0016盎司.英寸（1.15克-毫米），后平面為0.0014盎司.英寸（1.01克-毫米）。

（6）平衡切除表面的圓滑應按工藝規程或按圖紙引用的工藝文件中對表面狀態的規定（該零件按SC6500）。

（7）帶子所在的滑輪的尺寸差，對工作件應為10%或更多。這是為了保證只有一個項目在期望平衡速度下旋轉（RPM）。

（8）調速標記，使用3M-7610帶子，應越小越好。

（9）調速光線（轉速計）應在大約45°方向，俯視調速帶。

（10）末端支承應適當涂油，使之能夠自由旋轉。

（11）平衡機上的輥子軸承應有適合的凸面，應涂適當稀釋的機器潤滑油。

（12）驅動帶應壓在平衡體遠離的表面，因此建議帶子用齒輪或空氣驅動。

3.2 平衡檢查運行

按第1部分安裝后，旋轉零件，轉速從50到100rpm漸變。此時，進行檢查，保證零件完全水平，且不會在軸向移動。保證帶子緊度，松緊適度，且不會與零件發生相對滑動。

3.3 按MSE指導文件進行MSE

（1）將第1個零件放置在平衡機上，測量2個平面的不平衡量，記錄數據，重復此操作一次。

（2）在前平面增加試重（0.2克），即在花鍵倒角內圓左端，角度按步驟（1）前平面不平衡量測量。測量2個面的不平衡，然后記錄數據，重復此操作一次。

（3）由前平面去除重量，然后測量試重，以確認步驟（2）沒有損失重量。如果測量的試重小于0.2克，清理花鍵前平面，以保證沒有留下殘留重量。

（4）在后平衡平面增加0.2克試重，即在花鍵倒角內圓右端，角度按步驟（1）后平面不平衡量測量。測量2個面的不平衡，然后記錄數據，重復此操作一次。

（5）由后平面去除重量，然后測量試重，以確認步驟（4）沒有損失重量。如果測量的試重小于0.2克，清理花鍵后平面，以保證沒有留下殘留重量。

（6）測量2個平面的不平衡，然后記錄數據，重復此操作一次。

按程序重復多輪試驗，數據表明：零件平均變形量為2.389，標準轉子平均變形量為0.34。下面我們分析工裝對動平衡的影響。

標準轉子距離為4mm，剛度CΡ與材料厚度關系為：

CΡ=a×b×h（2～3）其中

a為長度

b為寬度

h為厚度

標準轉子變形力：CΡ=F/X=3.25（kg）×9.8（m/s2）/0.34

=93.68（N/mm）

F為引起變形力（3.25kg）

X為變形量（0.34）

因為補償工裝端面跳動引起的標準轉子最大軸原始變形力為：

F=93.68（N/mm）×0.15mm=14.052N

M=F×L=14.052（N）×130（mm）/2=0.913（N·m）

不平衡量產生的離心力為：

MU=FU×L=6.021763（N）×300（mm）=1.806（N·m）

ω為角速度、U為不平衡量

得出因為工具聯軸節剛度和發蘭盤端面跳動引起的不平衡量最大占總不平衡量的50%。

計算結果表明：降低工裝剛度為原來的1/10（實際平衡機軸承連接剛度），不平衡量影響降低為5%。

消除工裝、平衡機旋轉系統帶來的不平衡量：為了消除工具、平衡機旋轉對動平衡結果的影響，自制的工裝與零件連接的孔的位置度為φ0.01mm，同時平衡機的CAB630系統擁有自身旋轉系統補償功能，能夠將平衡機旋轉系統和工具的不平衡量補償掉，從而消除了工具、平衡機旋轉對動平衡結果的影響。

4 結束語

由試驗得出，導致動平衡不平衡量測量誤差的因素，主要包括三個類型。第一個要求是，平衡機必須有能力正確測量當在任一平衡面增加一個已知重量時不平衡量的變化。以此校驗平衡機的設置。第二個要求是，不平衡量測量的可重復性。測量不應受到以下因素的顯著影響：時間，設置，操作者，心軸/組件，平衡機，等等。即使設置正確、測量具有可重復性，不平衡量的測量也不正確，除非零件正確安裝在作用約束面，即發動機運轉時確定零件旋轉中心線的面。

另外，嚴格按照規范，進行平衡機的EMAR試驗和URR試驗，找出平衡機本身的不確定因素，也是確保平衡機平衡數據真實穩定的關鍵。

以上試驗獲得完整數據，通過分析與研究，找到了動平衡的影響因素，改善了平衡工藝方法，改進了平衡工裝設備，同時也獲得了可以提升動平衡技術的經驗。