CN105424278A - 摩托车曲柄连杆机构动平衡测试与校正的新方法 - Google Patents

Abstract

曲柄连杆机构动平衡测试与校正的新方法，该方法属于动平衡测试技术，为摩托车曲轴总成动平衡测试与校正提供一种新方法。实施步骤是：a.用一个正交的二向测力仪，不用分度操作，一次性测量一整周的不平衡振动信号，然后用数学投影的办法，得到不平衡惯性力沿曲柄轴旋转方向的封闭力图。测量效率比传统的方法提高了50倍以上。b.根据不平衡惯性力图，自动识别曲轴总成的两个主要设计参数m_a(旋转质量)和β(曲柄平衡块偏置角)。c.根据识别得到的m_a和β值自动计算不平衡校正的去重质量和去重相位。解决了摩托车发动机行业长期无法解决的问题。

Description

摩托车曲柄连杆机构动平衡测试与校正的新方法

技术领域

本发明属于动平衡测试技术，涉及一种摩托车曲轴总成动平衡测试与校正的新方法。

背景技术

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，不仅旋转不平衡质量会产生不平衡离心力，同时还有活塞往复运动和连杆往复摆动引起的惯性力。国内外传统的测量方法是，把曲轴总成装在特制的夹具内，夹具安装在特制的动平衡机的平衡架上，夹具上有分度盘，可以绕水平轴线转动360°。每转10°，测量一次对应角度上的不平衡量。夹具转动一整周测得36个角度上的不平衡力幅A(i)(i＝0～35)，再由计算机绘制出力幅图形，计算出“主轴倾角Ψ”和“平衡率γ”。由于重复的分度操作，夹具要反复的松紧，电机要反复的启停，测量效率很低，每件要测30分钟以上，测量精度和重复性也不好。这种测量方法和测量机构只能作为摩托车整机厂的研发部门用来验证产品设计参数是否符合工艺要求，且它们都不具备不平衡校正的功能。由于测量效率太低，不可能大量积累产品不平衡检测数据，致使摩托车厂家至今并没有充分掌握曲轴总成不平衡质量的基本情况，从而难以对曲轴总成供应商的产品质量进行有效监督和控制，致使长期来摩托车发动机的质量处于无法控制的状态。

发明内容

为了克服传统测量方法效率低下，不合格产品不能校正的问题。本发明为摩托车总成动平衡测量提供了一种全新的参数测量、参数识别和不平衡校正的方法。

本发明采用一个正交的二向测力仪，不用重复的分度操作，一次装夹就能快速的完成全部的测试任务。测量机械结构如图1所示。测量系统结构如图2所示。主控程序框图如图3所示。

本发明的技术方案如下：

系统坐标方向定义如下：X轴定义为活塞往复运动的方向，Y轴定义为曲柄的径向且与X轴垂直的方向。用二向测力仪感受不平衡惯性力在X、Y两个方向的分力，经调理电路的滤波放大后送给数据采集卡，经A/D转换得到两个方向分力的数字量，然后把它们投影到曲柄轴旋转的不同角度上，得到不同角度上的合力的波形数据，再求得每个角度上合力波形的力幅A(i)(i＝1～359)，再由计算机绘制成封闭的不平衡惯性力的力幅图形，如图4所示，并在力幅A(i)(i＝1～359)中计算最大力幅A，最小力幅B及最大力幅A所对的角度Jm，然后和传统测量方法一样，计算出“主轴倾角Ψ”和“平衡率γ”：γ＝A/(A+B)，Ψ＝Jm。由此实现了本发明与传统方法的兼容，但本发明的测量效率比传统方法提高了50倍以上。

曲轴总成的不平衡校正与对称转子的不平衡校正方法是完全不同的。传统曲轴总成动平衡测量系统都没有提供平衡校正的原理算法和平衡校正的实施方法。本发明的平衡校正的实施步骤下：

①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m_a0和偏置角β₀。再从测量结果的不平衡力图中，算出实测的旋转质量m_a和偏置角β。

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\frac{1+A^2\left(90\right)-A^2\left(0\right)}{2A\left(90\right)}\right)$

m_a＝A(90)m_b0.....................

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，mb0为给定的等效往复运动质量。

②根据工艺要求的旋转质量m_a0和偏置角β₀以及实测的旋转质量m_a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，设m_a产生的离心力为F，m_a0产生的离心力为F0，去重质量m产生的离心力为ΔF，则

F＝m_arω²e^jβ

$F_0=m_{a0}r{\mathrm{\ω}}^2{e}^{{\mathrm{j\β}}_0}$

ΔF＝mRω²e^jα

其中R为去重质量m所处的位置半径。r为曲柄销的位置半径。

设ΔF可使实测的F恢复到工艺要求的F0，则要求ΔF＝F-F0。则此即可解得：

$\mathrm{\α}={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{m_{a0}\sin {\mathrm{\β}}_0-m_a\sin \mathrm{\β}}{m_{a0}\cos {\mathrm{\β}}_0-m_a\cos \mathrm{\β}}..$

$m=\frac{r}{R}\sqrt{{(m_{a0}\cos {\mathrm{\β}}_0-m_a\cos \mathrm{\β})}^2+{(m_{a0}\sin {\mathrm{\β}}_0-m_a\sin \mathrm{\β})}^2}$

本发明的效果是：

(1)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的控制。

(2)可以自动识别被测件的两个主要的设计参数：旋转质量m_a和偏置角β。由此可用于指导制造工艺，提高产品合格率。

(3)可实现不平衡校正指导，使不合格产品成为合格产品，解决了摩托车发动机行业长期无法解决的问题。

附图说明

图1是机械结构图。1.二向测力仪弹性体2.半导体应变片3.模拟气缸4.曲轴组件5.轴承支座6.联轴器7.交流伺服电机8.平衡底板9.底座

图2是测量系统结构图

图3是主控程序框图

图4是不平衡惯性力图

图5是平衡校正示意图。1.活塞2.连杆3.曲柄轴

具体实施方式

测量机械机构如图1所示，轴承支座5夹紧曲轴总成4，交流伺服电机7通过联轴器6带动曲柄轴转动，转速600～1200r/min可调，活塞在模拟气缸3中作往复运动。曲轴总成4运动时产生的不平衡惯性力通过平衡底板8施加在X、Y二向测力仪1上。活塞运动方向定义为X轴方向，Y轴定义为曲柄的径向且与X轴垂直的方向。

测量系统结构如图2所示，二向测力仪以立式圆筒形铝合金作弹性体，圆筒壁厚2mm，采用半导体应变片组成差动电桥，测量分辨率为0.1N，对应于1gmm不平衡量的不平衡惯性力。调理电路采用4阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率20HZ，系统增益200～10000可调。选用通用的多功能数据采集卡实现X、Y二路信号的12位A/D转换。伺服电机的驱动脉冲由数据采集卡的定时器产生，驱动脉冲频率可调。

主控程序框图如图3所示，包括动态数据采集、数据投影合成、力幅求解、力幅绘图、测量结果计算、设计参数识别及平衡校正参数的计算等。数据采集、数据处理、伺服控制等都是在WINDOWS环境下，用VISUALBASIC6.0实现。

对指定的曲轴总成，在给定的测试条件下，做了测试试验，测试结果如下表。

测试结果：

Claims (3)

1.一种曲柄连杆机构动平衡测试的新方法，其特征是：用一个正交的二向测力仪，同时采集不平衡惯性力在X、Y两个方向的分力，然后用投影的方法把分力合成为不平衡惯性力在曲柄旋转的不同角度上的合力，由此求得这些合力的力幅A(i)(i＝0～359)，再把A(i)绘制成封闭的力图。

2.根据权利要求1所述的测量新方法得到的力幅A(i(i＝0～359)，自动识别被测曲轴总成的两个设计参数m_a(旋转质量)和β(曲柄平衡块偏置角)，其特征是：

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\frac{1+A^2\left(90\right)-A^2\left(0\right)}{2A\left(90\right)}\right)$

m_a＝A(90)m_b0.....................

其中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，mb0为给定的等效往复运动质量。

3.根据权利要求2得到的设计参数m_a和β及工艺要求的旋转质量m_a0和偏置角β₀，自动计算不平衡校正的去重质量m和去重相位α，其特征是：

$\mathrm{\α}={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{m_{a0}\sin {\mathrm{\β}}_0-m_a\sin \mathrm{\β}}{m_{a0}\cos {\mathrm{\β}}_0-m_a\cos \mathrm{\β}}..$

$m=\frac{r}{R}\sqrt{{(m_{a0}\cos {\mathrm{\β}}_0-m_a\cos \mathrm{\β})}^2+{(m_{a0}\sin {\mathrm{\β}}_0-m_a\sin \mathrm{\β})}^2}$