CN100504892C - 曲轴动平衡设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲轴动平衡的设计方法，其特征在于：将曲轴零件的模型进行切片分析，就是将曲轴零件的模型进行有限次的轴向分割，曲轴零件模型被分割成若干个切片，然后提取进行曲轴零件模型的相应数据，将所得到的相应数据与预先设定的数据比较，最后判断得到曲轴零件模型的动平衡是否在生产要求的范围内；本方法操作方便，计算分析准确、迅速；当进行设计曲轴零件时，可以快速对设计成型的曲轴零件进行动平衡分析，并能及时反映出零件动平衡的状况，便于设计人员及时对曲轴设计作出相应的修改，以达到动平衡要求，完全避免了利用动平衡机来完成对成品的测试工作；本方法相对传统方法不仅计算精度得到了提高，而且还节约了大量财力、物力。

Description

曲轴动平衡设计方法

技术领域

本发明涉及对曲轴零件的动平衡测试方法，特别是一种用于测试曲轴零件的曲轴动平衡的设计方法。

背景技术

传统的曲轴零件设计往往是设计人员凭借自身的实践经验进行设计，然后根据设计人员的设计将曲轴零件加工成型后再拿到动平衡机上进行动平衡校验，这是目前国内所普遍采取的方法，因此对动平衡测试这一步骤的改进都局限在对动平衡机上的改进和设计。对于动平衡机，其动平衡的计算精度并不高，并且设计开发时间也较长，投入的资金也较多。

因此在曲轴零件的设计过程中就完成动平衡测试的设计方法在目前还是比较空白的领域。

发明内容

本发明提供了一种曲轴动平衡的设计方法，可以将曲轴零件设计好后，立即就完成对该设计的动平衡的测试，这样可以得到成型的曲轴零件成品几乎是完全合乎设计要求的。

本发明的技术方案如下：

曲轴动平衡的设计方法，其特征在于：将曲轴零件的模型进行切片分析，就是将曲轴零件的模型进行有限次的轴向分割，曲轴零件模型被分割成若干个切片，然后提取曲轴零件模型的相应数据，将所得到的相应数据与预先设定的数据比较，最后判断得到曲轴零件模型的动平衡是否在生产要求的范围内。

所述相应数据包括质量、向径。

所述切片分析步骤是根据刚性转子动平衡分析的原理设定了两个平衡矫正面A、B和一个参考基准面，分析步骤如下：

A、首先选择两个平衡校正面作为动平衡计算时的基准，先选择一个平衡校正面后，再通过旋转或移动曲轴零件模型来选择另外一个平衡校正面；

B、用户再选择曲轴零件模型的一个端面来作为零件进行有限次的轴向分割时的参考基准面，且该参考基准面必须在选择了两个平衡校正面后进行选择；

C、确认参考基准面是否选择正确，如果不正确则需要重新选择，直到参考基准面选择正确后，再设置曲轴零件模型的长度和所划分的精度(划分精度的不同将对分析结果产生不同的影响)，还有相应的动平衡精度和曲轴的转速；

D、通过实体分析曲轴零件模型得到相应数据，再进行曲轴零件模型的动平衡分析计算；

E、得到分析计算结果数据，将所有分析计算结果数据与步骤C所设置的数据对比，得到该曲轴零件模型是否满足动平衡的结论。

上述步骤D中所述曲轴零件模型的动平衡分析计算就是指将相应的数据放到刚性转子动平衡分析的运算公式中，计算出平衡质径积，通过所得到的平衡质径积来判断曲轴零件模型的动平衡是否在生产要求的范围内。

所述步骤E的计算分析结果数据包括在两个平衡校正面上的不平衡质心、质径积、质量半径以及当量不平衡质量。

所述步骤E的结论是曲轴零件模型不满足动平衡时，通过刚性转子动平衡分析的计算方法进行当量质量的平衡矫正计算，得出达到生产要求的动平衡数值。

所述平衡矫正计算结论以三维视图和数值显示计算结果。

所述刚性转子动平衡分析的计算方法如下：

对于质量分布不在同一回转面内的转子，当其转动时所产生的离心力已不再是一个平面汇交力系，而是空间力系。因此，单靠在某一回转平面内加、减平衡质量的方法已不能解决动不平衡的问题。

在进行动平衡计算时，需将不平衡质量产生的惯性力分解为两个指定平面内的力。这就需要用到质径积的分解和代替。

根据平行力的合成与分解原理，某一平面上的一个力，可以由任意选定的两个平行平面内的两个力代替它。在不平衡质量m所在平面的两侧选定两个平衡基面A和B，设它们与m所在平面的距离分别为a和b，A和B两个平衡基面间的距离为L。用来代替m的两个质量分别为m_A和m_B，它们分别在A和B两个平衡基面内，其向径分别为r_A和r_B，且m、m_A和m_B三者在同一轴面内。则m、m_A和m_B所产生的离心力P、P_A和P_B构成同一平面内的三个平行力。P_A和P_B能完全代替的条件如式(1)。

$\left\{\begin{array}{c}{P}_A+P_B=P\\ P_{B}b=P_{A}a\end{array}\right.---\left(1\right)$

再加上L和a、b间的关系，从而可得式(2)。

$\left\{\begin{array}{c}{m}_A{r}_A+m_B{r}_B=\mathrm{mr}\\ m_B{r}_{B}b=m_A{r}_{A}a\\ L=a+b\end{array}\right.---\left(2\right)$

解上式可得式(3)。

$\left\{\begin{array}{c}{m}_A{r}_A=\mathrm{mrb}/L\\ m_B{r}_B=\mathrm{mra}/L\end{array}\right.---\left(3\right)$

设一刚性转子的不平衡质量m₁、m₂和m₃分别位于平面1、2和3内，r₁、r₂和r₃分别为其向径。当该转子以等角速度ω回转时，它们产生的离心惯性力p₁、p₂和p₃构成一空间力系。为了将其转化为两个回转平面内的静平衡问题，选定两个平衡基面A和B，设两者间的距离为L。平面1、2、3到平衡基面B的距离分别为b₁、b₂和b₃，到平衡基面A的距离分别为a₁、a₂和a₃。当m_i位于平面A和B之间时，a_i和b_i均为正；当m_i位于平面A和B之外时，a_i和b_i均为负。根据1.2.1中叙述的质径积的分解与代替，将不平衡重质径积m₁r₁、m₂r₂、m₃r₃分别由平衡基面A和B内的

和

和和代替(它们分别在同一轴面内)。因被分解代替的不平衡质量的向径与分解后的向径相等，故由式(3)可得式(4)。

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{m}_i^A=b_i{m}_i/L\\ m_i^B=a_i{m}_i/L\end{array}\right.& (i=\mathrm{1,2,3})\end{array}---\left(4\right)$

经过分解代替后，就把三个平行平面内的不平衡质量问题简化为集中在A和B两个平行平衡平面内的不平衡质量问题。同理，有四个、五个、甚至更多个平行平面内的不平衡质量问题都可以用同样的方法简化为任意选定的两个回转面内的不平衡质量问题。从而可以分别在平衡基面A、B内按照质量分布在同一回转面内的情况解决不平衡问题。

在平衡基面A内，假设

为应加的平衡质量，其向径和相位角分别为和

不平衡向量的合向量的x和y向分量分别为

和

合向量的相位角为β^A；各不平衡质量的相位角为β_i，则得式(5)。

$\left\{\begin{array}{c}{m}_b^A{r}_b^A\cos {\mathrm{\β}}_b^A=-C_x^A=-\mathrm{\Σ}{m}_i^A{r}_i\cos {\mathrm{\β}}_i\\ m_b^A{r}_b^A\sin {\mathrm{\β}}_b^A=-C_y^A=-\mathrm{\Σ}{m}_i^A{r}_i\sin {\mathrm{\β}}_i\end{array}\right.---\left(5\right)$

类似地，在平衡基面B内可得式(6)。

$\left\{\begin{array}{c}{m}_b^B{r}_b^B\cos {\mathrm{\β}}_b^B=-C_x^B=-\mathrm{\Σ}{m}_i^B{r}_i\cos {\mathrm{\β}}_i\\ m_b^B{r}_b^B\sin {\mathrm{\β}}_b^B=-C_y^B=-\mathrm{\Σ}{m}_i^B{r}_i\sin {\mathrm{\β}}_i\end{array}\right.$

本发明的有益效果如下：

本方法操作方便，计算分析准确、迅速；当曲轴零件在进行设计时，可以快速地对设计成型的曲轴零件进行动平衡分析，并可以及时地反映出零件动平衡的状况，便于设计人员及时对曲轴设计作出相应的修改，以达到动平衡的要求，完全避免了利用动平衡机来完成对成品的测试工作；本方法相对传统方法不仅计算精度得到了提高，而且还节约了大量的财力、物力。

附图说明

图1为本发明的工作流程图

图2为本发明刚性转子动平衡分析计算方法的惯性力的分解与代替示意图

图3为本发明刚性转子动平衡分析计算方法中一个转子的动平衡转化为两个回转面上的静平衡示意图

具体实施方式

一种曲轴动平衡的设计方法，将曲轴零件的模型进行切片分析，就是将曲轴零件的模型进行有限次的轴向分割，曲轴零件模型被分割成若干个切片，然后提取曲轴零件模型的相应数据，将所得到的相应数据与预先设定的数据比较，最后判断得到曲轴零件模型的动平衡是否在生产要求的范围内。

所述相应数据包括质量、向径。

所述切片分析步骤是根据刚性转子动平衡分析的原理设定了两个平衡矫正面、参考基准面，分析步骤如下：

A、首先选择两个平衡校正面作为动平衡计算时的基准，先选择一个平衡校正面后，再通过旋转或移动曲轴零件模型来选择另外一个平衡校正面；

B、用户再选择曲轴零件的一个端面来作为零件进行有限次的轴向分割时的参考基准面，且该参考基准面必须在选择了两个平衡校正面后进行选择；

C、确认参考基准面是否选择正确，如果不正确则需要重新选择，直到参考基准面选择正确后，再设置曲轴零件模型的长度和所划分的精度(划分精度的不同将对分析结果产生不同的影响)，还有相应的动平衡精度和曲轴的转速；

D、通过实体分析曲轴零件模型得到相应数据，再进行曲轴零件模型的动平衡分析计算；

E、得到分析计算结果数据，将所有分析计算结果数据与步骤C所设置的数据对比，得到该曲轴零件模型是否满足动平衡的结论。

上述步骤D中所述曲轴零件模型的动平衡分析计算就是指将相应的数据放到刚性转子动平衡分析的运算公式中，计算出平衡质径积，通过所得到的平衡质径积来判断曲轴零件模型的动平衡是否在生产要求的范围内。

所述步骤E的计算分析结果数据包括在两个平衡校正面上的不平衡质心、质径积、质量半径以及当量不平衡质量。

所述步骤E的结论是曲轴零件模型不满足动平衡时，通过刚性转子动平衡分析的计算方法进行当量质量的平衡矫正计算，得出达到生产要求的动平衡数值。

所述平衡矫正计算结论以三维视图和数值显示计算结果。

所述刚性转子动平衡分析的计算方法如下：

对于质量分布不在同一回转面内的转子，当其转动时所产生的离心力已不再是一个平面汇交力系，而是空间力系。因此，单靠在某一回转平面内加、减平衡质量的方法已不能解决动不平衡的问题。

在进行动平衡计算时，需将不平衡质量产生的惯性力分解为两个指定平面内的力。这就需要用到质径积的分解和代替。

根据平行力的合成与分解原理，某一平面上的一个力，可以由任意选定的两个平行平面内的两个力代替它。如图2所示，在不平衡质量m所在平面的两侧选定两个平衡基面A和B，设它们与m所在平面的距离分别为a和b，A和B两个平衡基面间的距离为L。用来代替m的两个质量分别为m_A和m_B，它们分别在A和B两个平衡基面内，其向径分别为r_A和r_B，且m、m_A和m_B三者在同一轴面内。则m、m_A和m_B所产生的离心力P、P_A和P_B构成同一平面内的三个平行力。P_A和P_B能完全代替的条件如式(1)。

$\left\{\begin{array}{c}{P}_A+P_B=P\\ P_{B}b=P_{A}a\end{array}\right.---\left(1\right)$

再加上L和a、b间的关系，从而可得式(2)。

$\left\{\begin{array}{c}{m}_A{r}_A+m_B{r}_B=\mathrm{mr}\\ m_B{r}_{B}b=m_A{r}_{A}a\\ L=a+b\end{array}\right.---\left(2\right)$

解上式可得式(3)。

$\left\{\begin{array}{c}{m}_A{r}_A=\mathrm{mrb}/L\\ m_B{r}_B=\mathrm{mra}/L\end{array}\right.---\left(3\right)$

如图3所示，设一刚性转子的不平衡质量m₁、m₂和m₃分别位于平面1、2和3内，r₁、r₂和r₃分别为其向径。当该转子以等角速度ω回转时，它们产生的离心惯性力p₁、p₂和p₃构成一空间力系。为了将其转化为两个回转平面内的静平衡问题，选定两个平衡基面A和B，设两者间的距离为L。平面1、2、3到平衡基面B的距离分别为b₁、b₂和b₃，到平衡基面A的距离分别为a₁、a₂和a₃。当m_i位于平面A和B之间时(如图3中的m₁、m₂和m₃)，a_i和b_i均为正；当m_i位于平面A和B之外时，a_i和b_i均为负。根据1.2.1中叙述的质径积的分解与代替，将不平衡重质径积m₁r₁、m₂r₂、m₃r₃分别由平衡基面A和B内的

和

和

和

代替(它们分别在同一轴面内)。因被分解代替的不平衡质量的向径与分解后的向径相等，故由式(3)可得式(4)。

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{m}_i^A=b_i{m}_i/L\\ m_i^B=a_i{m}_i/L\end{array}\right.& (i=\mathrm{1,2,3})\end{array}---\left(4\right)$

经过分解代替后，就把三个平行平面内的不平衡质量问题简化为集中在A和B两个平行平衡平面内的不平衡质量问题。同理，有四个、五个、甚至更多个平行平面内的不平衡质量问题都可以用同样的方法简化为任意选定的两个回转面内的不平衡质量问题。从而可以分别在平衡基面A、B内按照质量分布在同一回转面内的情况解决不平衡问题。

在平衡基面A内，假设

为应加的平衡质量，其向径和相位角分别为

和

不平衡向量的合向量的x和y向分量分别为

和

合向量的相位角为β^A；各不平衡质量的相位角为β_i，则得式(5)。

$\left\{\begin{array}{c}{m}_b^A{r}_b^A\cos {\mathrm{\β}}_b^A=-C_x^A=-\mathrm{\Σ}{m}_i^A{r}_i\cos {\mathrm{\β}}_i\\ m_b^A{r}_b^A\sin {\mathrm{\β}}_b^A=-C_y^A=-\mathrm{\Σ}{m}_i^A{r}_i\sin {\mathrm{\β}}_i\end{array}\right.---\left(5\right)$

类似地，在平衡基面B内可得式(6)。

$\left\{\begin{array}{c}{m}_b^B{r}_b^B\cos {\mathrm{\β}}_b^B=-C_x^B=-\mathrm{\Σ}{m}_i^B{r}_i\cos {\mathrm{\β}}_i\\ m_b^B{r}_b^B\sin {\mathrm{\β}}_b^B=-C_y^B=-\mathrm{\Σ}{m}_i^B{r}_i\sin {\mathrm{\β}}_i\end{array}\right.---\left(6\right)$

Claims (7)

1、曲轴动平衡的设计方法，其特征在于：将曲轴零件的模型进行切片分析，就是将曲轴零件的模型进行有限次的轴向分割，曲轴零件模型被分割成若干个切片，然后提取曲轴零件模型的相应数据，将所得到的相应数据与预先设定的数据比较，最后判断得到曲轴零件模型的动平衡是否在生产要求的范围内。

2、根据权利要求1所述曲轴动平衡的设计方法，其特征在于：所述相应数据包括质量、向径。

3、根据权利要求1所述曲轴动平衡的设计方法，其特征在于：所述切片分析步骤是根据刚性转子动平衡分析的原理设定了两个平衡矫正面A、B和一个参考基准面，分析步骤如下：

A、首先选择两个平衡校正面作为动平衡计算时的基准，先选择一个平衡校正面后，再通过旋转或移动曲轴零件模型来选择另外一个平衡校正面；

B、用户再选择曲轴零件模型的一个端面来作为零件进行有限次的轴向分割时的参考基准面，且该参考基准面必须在选择了两个平衡校正面后进行选择；

C、确认参考基准面是否选择正确，如果不正确则需要重新选择，直到参考基准面选择正确后，再设置曲轴零件模型的长度和所划分的精度，还有相应的动平衡精度和曲轴的转速；

D、通过实体分析曲轴零件模型得到相应数据，再进行曲轴零件模型的动平衡分析计算；

E、得到分析计算结果数据，将所有分析计算结果数据与步骤C所设置的数据对比，得到该曲轴零件模型是否满足动平衡的结论。

4、根据权利要求3所述曲轴动平衡的设计方法，其特征在于：上述步骤D中所述曲轴零件模型的动平衡分析计算就是指将相应的数据放到刚性转子动平衡分析的运算公式中，计算出平衡质径积，通过所得到的平衡质径积来判断曲轴零件模型的动平衡是否在生产要求的范围内。

5、根据权利要求3所述曲轴动平衡的设计方法，其特征在于：所述步骤E的分析计算结果数据包括在两个平衡校正面上的不平衡质心、质径积、质量半径以及当量不平衡质量。

6、根据权利要求3所述曲轴动平衡的设计方法，其特征在于：所述步骤E的结论是曲轴零件模型不满足动平衡时，通过刚性转子动平衡分析的计算方法进行当量质量的平衡矫正计算，得出达到生产要求的动平衡数值。

7、根据权利要求6所述曲轴动平衡的设计方法，其特征在于：所述平衡矫正计算结论以三维视图和数值显示计算结果。

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