發動機曲軸動平衡質量分析及解決

劉軍　趙靖

摘 要：內燃式發動機三大件中的曲軸是由活塞帶動做圓周運動的高速回轉件，旋轉過程承受各種復雜多變的交變載荷;曲軸在加工過程中，對其軸頸直徑、圓度、平行度、直線度、軸徑跳動、軸徑錐度、軸向距離、粗糙度、相位角、動平衡量、清潔度等都會標注各自的技術要求，而曲軸在高速旋轉運動過程中自身產生的不平衡振動與其轉速的平方成正比。高速轉動過程中產生的高頻率振動會導致軸瓦承受力負載增加及軸瓦上油膜不均勻消耗，曲軸斷裂等風險。曲軸平衡精度的高低對發動機的振動、平穩運行及發動機壽命都很重要。如何去除曲軸動平衡量，這些都是我們需要分析和解決的問題。

關鍵詞：曲軸 動平衡量 自動去重 數據分析及改進

Analysis and Solution of Engine Crankshaft Dynamic Balance Quality

Liu Jun Zhao Jing

Abstract：The crankshaft of the three major parts of an internal combustion engine is a high-speed rotating part driven by a piston to make a circular motion. The rotation process bears various complex and changeable alternating loads; the crankshaft is in the process of machining its journal diameter and roundness. Parallelism， straightness， shaft diameter runout， shaft diameter taper， axial distance， roughness， phase angle， dynamic balance， cleanliness， etc. will be marked with their respective technical requirements， and the crankshaft itself generates unbalanced vibration during high-speed rotation， which is proportional to the square of its speed. The high-frequency vibration generated during high-speed rotation will lead to increased bearing load and uneven consumption of the oil film on the bearing bush， as well as the risk of crankshaft fracture. The accuracy of crankshaft balance is very important to engine vibration， smooth operation， and engine life. How to remove the dynamic balance of the crankshaft is the problem we need to analyze and solve.

Key words：crankshaft， dynamic balance， automatic weight removal， data analysis and improvement

1 引言

在內燃機汽車發動機的構成部件中，曲軸是最重要的核心零部件之一。正確合理的安排曲軸加工工藝對發動機運行性能有著重要的意義。本課題針對五菱1.2L直系汽油曲軸的加工工藝特點、控制曲軸兩端面鉆中心孔工序，最后再對曲軸進行了一系列的機械加工及去重動平衡加工。其中曲軸中心孔對曲軸初始不平衡量分布有顯著的影響，且曲軸初始不平衡量的大小和方向對曲軸最終動平衡工序也有著顯著的影響，從而直接影響曲軸不平衡量的控制。在此基礎上探討研究工藝設計、加工工序安排、工序間去除量等因素對動平衡的影響，解決曲軸動平衡保證設備開動率和節拍等實際問題。

通過本課題研究發現，經過優化中心孔位置度后的曲軸，其初始不平衡量比優化前的曲軸的初始不平衡量要小;其次，初始不平衡量分布比優化前的曲軸分布更集中，而且在一定的角度范圍內。根據上述得出曲軸中心孔加工與動平衡聯機優化能更好控制曲軸的初始不平衡量，能夠滿足生產的實際需求。

2 曲軸的工作條件

2.1 曲軸是發動機重要部件

曲軸作為內燃機內的核心旋轉機件，與連桿連接后，活塞推動連桿上下往復運動轉換成周而復始圓周運動。曲軸旋轉過程中不斷承受連桿周期性上下往復運動沖擊力和圓周轉動扭力，在這種環境下曲軸既受到周向扭轉力又受到徑向沖擊力，此時容易產生應力疲勞。曲軸轉動時在扭轉剛度、強度不足情況下可能產生強烈的扭轉振動，輕則引起震動、噪音，加速曲軸上飛輪、軸瓦傳動件的磨損;重則缸體震裂、曲軸斷裂，造成發動機報廢。

2.2 曲軸平衡的定義

動平衡是指旋轉體旋轉時圍繞軸心線的以外的由各偏心質點組成的旋轉質量系統產生的旋轉慣性力合力及合力矩均等于零。由于內燃機是一個整體機構，在考慮其平衡性時，從曲柄連桿機構的角度和曲軸的角度考慮其平衡性。汽車內燃機啟動時轉速一般都不低于500轉每分鐘，所以對旋轉平穩性有一定要求，特別是高速內燃機，轉速高離心力大可能引起較大振動，使軸承和支撐軸瓦過載損壞。

2.3 曲軸的平衡結構分布

直列四沖程發動機曲軸通常采用一四連桿與二三連桿呈現180度夾角的四拐五主軸頸設計，從理論設計是動平衡的，但由于材料密度，鑄造（鍛造）時存在尺寸差異，在實際使用中存在著一定量的不平衡量，為了改善曲軸本身不平衡，減少主軸承載荷，曲拐連接部位的扭矩力，需合理分布平衡塊，也稱配動塊。曲軸平衡配動塊主要作用是用來調整控制曲軸以軸心線為中心旋轉平穩性。我廠生產的N1.2L、N15T平衡配重塊數為4塊，生產的1.2L、1.5L平衡配重塊數為8塊。

3 曲軸的加工工藝

曲軸加工線共有加工設備29臺，主要構成有加工中心、溝槽滾壓機、磨床、動平衡機、拋光機、終檢機等。動平衡機是一臺離心式平衡機，當曲軸在設備上旋轉測量時如果曲軸存在不平衡量大于工藝要求，零件會因存在偏心力矩作用使測量臺產生震動，震動通過支撐測量平臺的四根支撐桿傳遞到接收傳感器，這時安裝在設備上的CBI平衡系統根據傳感傳來信號計算出不平衡量大小和偏離的角度位置，再把數據傳送給加工站，加工站根據系統給出的角度和位置進行打孔去除余量達到平衡效果。整線采用全自動上下料形式，整線布局如圖1所示，滿足多種產品共線柔性生產。

4 動平衡量確定

4.1 幾何中心線與質量中心線確定

因為曲軸也屬于軸類零件，通常軸類加工采用 “兩頂一夾”方式加工零件同軸度較好，故在粗加工主軸頸、連桿頸前，需要先加工中曲軸兩端中心孔，同時這兩中心是也是后工序的定位夾緊工藝基準，因此它的同軸度、對稱度對后續工序尤其是對最終動平衡工序影響較大。

旋轉軸類零件有幾何軸心線和質量中心線之分。幾何中心線是以物體夾緊位置外圓做參照，取軸兩端的外圓中心點加工出中心孔，兩中心點連線即是幾何中心線。質量中心線是以零件在轉動時，能使旋轉軸零件達到平穩轉動的質量中心連線。當一個軸類零件分布比較均勻對稱，從理論上它是平衡的，這時他的幾個中心線和質量中心線是重合的如圖2所示：

物體設計出來后在實際加工過程中由于材料密度、加工鑄造誤差等條件使得物體無法達到理想對稱狀態

1、若其中一種重量剛好附加在軸類物體的中心部位重物質量為W，此時該物體質心將發生改變，質量中心軸線將與幾何中軸線平行，但徑向偏移一個距離，此時物體處于平衡狀態下轉動它是圍繞質量軸線旋轉如圖3所示：

2、當其中一種重量剛好附加在軸類物體的一端部重物質量為W。這時零件的質量中心線與幾何中心線形成一定角度，此時物體處于平衡狀態下轉動它是圍繞質量軸線旋轉如圖4所示：

4.2 平衡定義

曲軸安裝在發動機內屬于轉動部件，對其平穩性要求較高，不僅要求其靜平衡，更重要的是要求其動平衡。靜平衡就是在不考慮重力和摩擦力的情況下當物體旋轉時以軸心線以外各質點的離心力合力等于零，即系統的質心（重心）位于旋轉軸線上。但當旋轉質點重心不在同一截面時，靜平衡不足以保證運轉平穩。只有當系統旋轉時的旋轉離心力合力及合力矩均為零時才完全平衡，這樣的平衡叫動平衡。發動機旋轉質量系統必須保證動平衡，否則將引起很大振動，并使軸承和支承過載，易引起損壞。

當曲軸處于不平衡狀態時，其質心軸線與旋轉軸線不重合，而最終動平衡修正工位就是在不平衡的曲軸上通過修正配動塊去除材料使其質心發生改變（質心軸線與幾個中心線重合）使其達到平衡狀態。

5 曲軸中心孔工藝

5.1 中心孔加工工藝

目前許多工廠曲軸生產線第一道加工工序都是以兩端主軸頸外圓定位鉆出兩端中心孔，形成后工序的定位基準，同時也以這兩孔連線形成軸中心線，叫幾何中心線。如果在鉆中心孔前先找到曲軸的質心軸線，再鉆出質心線兩端中心孔這兩孔連線形成質量中心線，叫質心軸線。因此曲軸加工中心孔可以按幾何中心孔和質量中心孔來定心加工。

采用幾何定心法是以軸徑一和軸徑五毛坯面外圓做參照找出圓心打孔，因此毛坯的A1/A5外圓差異不能太大，此時按照毛坯面外圓做參照找出圓心打孔，中心孔位置度會在設定公差內波動。幾何定心特點：可適應多品種生產且機床利用率高、經濟性好。

質量定心是在加工中心孔前先測量出零件當前平衡量找出質心點再按照質心點打中心孔，質量定心有一個要求：就是毛坯最初動平衡量不能太大，否則加工出來的質心軸線和幾何中心線差異較大，最終加工出來零件成品跳動不合格。質量定心加工中心孔優點是：當毛坯來料時平衡量不是很大，角度不穩定時，可減少后工序曲軸動平衡時的去重量，提高動平衡的合格率。質量定心加工需要多增加一道初平衡量測量，比鉆幾何中心孔機床的成本要高很多。采用哪種定心方法加工更合理，根據工廠的經濟能力而定。

5.2 曲軸前期平衡量控制方法

目前控制曲軸動平衡前的初始不平衡量方法有主要采取3種方式：

1、采用在線質量定心機，實時采集、統計數據，自動補償中心孔位置;優點：質量穩定，動平衡合格率高。缺點：成本高。

2、采用離線平衡測量機，先采集、統計數據一批零件平衡量，找出偏移位置，再通過手動調整中心孔位置，再進行批量生產加工。優點：成本低。缺點：對毛坯穩定性要求高，每次毛坯批次更換時需要做一次采集測量調整。

3、根據最終的動平衡機采集數據，調整前工序的中心孔位置度。優點：成本低，工作量少。缺點：需要不定期查看最終動平衡機最終平衡量變化進行調整，不及時關注容易造成批量零件返工。

6 影響動平衡去重量的因素

6.1 平衡方法及節拍控制

控制平衡的方法有添加配重塊達到平衡效果如：汽車的輪胎;有去除重量法，如在配重（平衡）塊上鉆孔去除重量。我廠曲軸平衡控制是采用去除曲軸配重塊重量法。

當測量出零件不平衡量集中在同側時，如圖3顯示相類似優先在零件的中間打孔去除重量，這樣可以快速完動不平衡去除，這樣的零件去重方向與不平衡量方向一致時，修正最快、合格率最高，節拍效率最高;若當測量出零件不平衡量兩端角度、重量不一致時如圖4顯示相類似，優先在重的一側最遠點打孔去重，這樣的零件修正比較麻煩，合格率低，需要重復測量確定位置打孔去重，節拍慢效率低。

6.2 鉆孔數量與生產節拍計算

當一個零件的不平衡量較大時，去除量要求較多，但零件的打孔深度和不平衡量角度位置，平衡孔間距離受到限制（圖5），這時我們需要適當控制孔深度避免孔與孔之間底部貫穿，增加打孔數來控制動不平衡量，但由于不平衡量的分布區域受限，打孔數多，重新打亂了平衡狀態，需要二次測量打孔，這時會影響到節拍，所以會要求毛坯鑄造是盡量不要混模生產，加工線生產時不要混批次加工。

在最終動平衡工序測量結果可以看出，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數量、節拍有差異。我廠生產1.2L曲軸采用幾何定心方式，經過統計， 平衡孔數基本在1～13個之間，平衡孔數量小于9個占90%（圖6）。在最終曲軸動平衡工序，加工孔數越多節拍時間越長，當單臺加工時間大于節拍要求時則需要調整前工序中心孔位置，減少初始不平衡量，提升節拍。

7 結束語

當曲軸配動塊的加工空間較小且不平衡量較大時，宜采用質量定心加工工藝;當加工空間足夠且節拍滿足要求，考慮性價比因素，則采用幾何定心更劃算。曲軸的鑄造一般是使用同一套模具批量生產，在模具磨損量不大的情況下同批量/批次的曲軸質量差異不大，所以可以采用幾何定心找出分布規律。

總體來說，曲軸中心孔加工與動平衡聯機優化能更好的控制曲軸的初始不平衡量，對大多數曲軸來說，只要一次去重便可，極大的提高了生產效率，并且具有良好的應用前景。

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