摩托车曲柄连杆机构动平衡测试与校正的新方法

唐一科 阴红艳 陈国聪 徐正昭

(1.重庆大学机械工程学院，重庆 400030;2.重庆科技学院机械与动力工程学院，重庆 401331)

摩托车曲轴总成由曲柄轴、轴承、曲柄销、连杆、活塞及活塞销等组成，发动机工作时，旋转不平衡质量会产生不平衡离心力，同时活塞的往复运动和连杆的往复摆动也会引起不平衡惯性力。传统测量方法效率较低，且不具备不平衡校正的功能。本文通过对曲轴组件进行运动学和动力学分析，利用正交的二向测力仪来拾取不平衡惯性力的动态数据，将它们投影到曲柄轴旋转的不同角度上，得到不同角度上的不平衡惯性合力的动态数据，进而得到每个角度上合力的力幅。由计算机绘制出不平衡惯性力矢端轨迹图，它是一个封闭的“8”形力图。由这个封闭力图计算出曲轴组件的“主轴倾角Ψ”和“平衡率γ”。用这两个参数来表征摩托车曲轴组件动力学特性［1］。在力图中，通过测试软件的识别，计算出所测曲轴组件的旋转质量ma和偏置角β。再结合曲轴总成产品工艺的要求，计算不平衡校正的去重质量m和去重相位α。

1 曲轴组件动平衡测试系统

摩托车曲轴组件动平衡测试系统是由驱动系统、支撑系统以及测量系统组成，如图1所示。在测量系统的机构中，采用一个正交的二向测力仪，同时拾取不平衡惯性力在X、Y两个方向的振动信号，不用重复进行分度操作，一次装夹就能快速完成全部测试任务，使摩托车曲轴组件的测量效率比传统曲轴总成动平衡机提高50倍以上，同时可对曲轴总成的产品质量进行有效控制。

由传感器拾取到的振动信号经过信号调理电路变换，最终被送至计算机中，由测试软件对其进一步处理。

(1)测试系统机械结构。系统机械结构由伺服电机、弹性联轴器、轴承支座、曲柄连杆机构、模拟气缸、平衡底板、二向测力仪弹性体组成。图1为曲轴组件动平衡测测系统结构实物照片。

(2)测试系统电控结构。电控系统包括数据采集、数据分析以及结果输出显示三大组成部分［2］。测试系统结构如图2所示。

计算机通过数据采集卡的脉冲发生器功能，产生给定频率的驱动脉冲、驱动伺服电机、驱动曲轴组件运动。曲轴组件运动时产生的不平衡惯性力经X、Y二向测力仪测量得到X、Y两个方向的不平衡分力的模拟信号，经信号调理电路的滤波放大，送到数据采集卡做AD转换，得到X、Y两个方向的不平衡惯性力的数字量，送给计算机，由测量软件求得最终的动平衡测量结果。其中数据采集、数据处理以及伺服控制等都是在WINDOWS环境下，用VISUAL BASIC 6.0［3］实现。

图1 曲轴组件动平衡测试系统结构实物照片

图2 测试系统结构

2 曲轴组件参数识别和校正的研究

摩托车曲轴组件可以简化为曲柄滑块机构［4］，图3所示为曲轴总成的最常见情况，即旋转质量ms集中在与曲柄销相差转180°后再旋转β角(与转动方向相同为正，相反即为负)。实际产品的β角通常在±45°范围内变化。

图3 曲轴组件运动学和动力学分析模型

图3中:ω—活塞旋转角速度;

r—曲柄半径，指曲柄销中心与曲轴旋转中心的距离;

l—连杆长度，指连杆大、小头孔中心的距离;

ms—旋转质量(ms为曲柄轴折算到半径为r上的不平衡质量、曲柄销质量以及连杆大头端折算到曲柄销处的质量三部分相加而成);

mx—往复质量(由活塞、活塞销及连杆小头端折算到活塞的三部分质量相加而成)。

首先假设旋转质量ms集中在曲柄销处，则通过运动学和动力学分析，可以得到旋转质量ms引起的离心力为:

式中:f=ms/mx，f为旋转质量与往复质量之比。

往复质量mx引起的惯性力→Fb为:

它们沿X、Y轴投影的合力为

可见不平衡惯性力矢端点的轨迹曲线为椭圆［5］:

现假设旋转质量ms集中在与曲柄销相差转180°后再旋转β角处，经过同样的分析可以得到不平衡惯性力沿X、Y轴投影的合力为:

将Fx和Fy分别投影到θi的方向(图3中的OA线)，合成得到平衡惯性力在曲柄旋转的各个θi方向上的合力Fθi:

Fθi的力幅Aθi不平衡惯性力矢端的轨迹是一个倾斜的“8”字图形，如图4所示。由图4可以得到以下推论。

理论计算和实验验证，不平衡惯性力幅图中，A为最大力幅，B为最小力幅，Ψ为最大力幅A与正X轴的夹角(活塞的运动方向定义为正X轴的方向)，称为主轴倾角，A/(A+B)称为平衡率，它们表征了摩托车曲轴组件动力学特性。

图4 不平衡惯性力幅图

从曲轴总成产品图纸要求的不平衡惯性力图中找出工艺要求的不平衡旋转质量ms0和偏置角β0，再从测量结果的不平衡力幅图中，算出实测的旋转质量ms和偏置角β。

式中A(0)为0°方向上实测的不平衡惯性力幅，A(90)为90°方向上实测的不平衡惯性力幅，mx0为给定的等效往复运动质量。

根据工艺要求的旋转质量ms0和偏置角β0以及实测的旋转质量ms和偏置角β，自动计算不平衡校正的去重质量m和去重相位α，如图5所示。

式中R为去重质量m所处的位置半径。r为曲柄销的位置半径。

图5 平衡校正示意图

3 测试结果及分析

对指定的曲轴总成，在给定的测试条件下，做了测试试验，测试结果如表1所示。通过以下几组重复性试验可以看到，在相同的转速下，每一组曲轴平衡率值都很接近。同时通过这个重复性实验数据我们可以知道本文的曲轴组件动平衡测量的机械结构合理，控制系统的测量精度很高。

表1 摩托车曲轴组件的测试结果

4 结语

本文为摩托车曲轴总成动平衡测量提供了一种全新的方法。由于原理和方法上的创新，测量效率比传统曲轴总成动平衡机提高50倍以上，可对曲轴总成的产品质量进行有效控制，并且可以自动识别被测件的两个主要的设计参数:旋转质量mx和偏置角β。该方法可用于指导制造工艺，提高产品合格率。同时使用该方法还可实现不平衡校正指导，使不合格产品成为合格产品，解决摩托车发动机行业长期无法解决的不平衡校正问题。

［1］张雅丽.摩托车曲轴组件动平衡检测系统的研究［D］.天津:天津大学，2005.

［2］赵海文，张雅丽，岳宏，等.摩托车曲轴组件动平衡检测新方法的研究［J］.仪器仪表学报，2006，27(6):82-84.

［3］王秋晓，徐宗俊.单缸发动机动平衡测试校正理论与实验的研究［J］. 内燃机学报，2005，23(3):283-287.

［4］叶能安，余汝生.动平衡原理与动平衡机［M］.武汉:华中工学院出版社，1985.

［5］张长兴.摩托车发动机曲柄连杆机构惯性力平衡理论研究与试验评价［D］.重庆:重庆大学，2008.