汽車制動空壓機的曲軸與整機動平衡

江新軍,馮杰

(臺州中際汽車零部件有限公司,浙江臨海 317000)

汽車制動空壓機的曲軸與整機動平衡

江新軍,馮杰

(臺州中際汽車零部件有限公司,浙江臨海 317000)

汽車制動空壓機的曲軸及其傳動平衡是整機性能和精準的關鍵要求。分析了制動空壓機曲軸及其傳動平衡偏差的產生、變化和連帶問題，提出了制動空壓機的曲軸與整機動平衡的特殊要求，以及解決問題的思路、依據和方法。

汽車制動空壓機；曲軸；整機動平衡

0 引言

汽車制動空壓機的工作傳動，是曲軸的圓周運動轉換成活塞的上下運動。曲軸是主動運動。對于雙缸機，由曲軸軸心到活塞的上止點，是曲軸圓周(力矩)的放大，是非直線型力臂。對于單缸機，曲軸傳輸的圓周半徑是軸心到活塞的上止點和下止點循環變化的過程。制動空壓機的曲軸只要稍有偏差，在力矩到達活塞時，偏差就會被放大。即使其本身平衡，也可能無法達到傳動整體的平衡而影響整機的性能。若本身的不平衡或平衡偏差更會產生無法估量的質量后果。

而汽車發動機或內燃機的轉動方式相反，是活塞的上下運動變成曲軸的圓周運動。它的曲軸是起協調作用的被動運動。汽車制動空壓機的曲軸及其傳動整體的動平衡，相對于汽車發動機或內燃機而言，有特殊的定義和要求。

1 制動空壓機曲軸與整機平衡的要點

各種曲軸，均有其最平衡的支承位置、最平衡的轉速。在最平衡支承、最平衡轉速的基礎上確定技術參數或指標區間，實現曲軸效用最大化。不恰當的轉速和支承位置，振動較大，功效低。超出支承位置和轉速區間，或達到曲軸內在的頻率區間，易發生共振、扭振等不良現象。

在生產實踐中，支承位置或支點的變化往往不大，但轉速變化很大。為達到功能目的，轉速往往被額定或鎖定。在技術上，首先鎖定的應是最平衡的轉速。因此，速度既是目的又是條件。整機動平衡是有條件的平衡，額定轉速必須達到平衡，平衡又必須保障額定轉速。

曲軸運動的偏差主要是動平衡偏差。曲軸運動偏差較大時，相對離心力也大。汽車制動空壓機的曲軸在工作時，是高速轉動的，高端產品可達4 000 r/min。如果平衡度不好，就會產生動量峰值，不但會產生較大的振動和不利的效能，嚴重的還會折斷。

目前生產廠商加工的曲軸,大多尺寸準、精度高，靜平衡看似較好,但動平衡基本上都難以保證。 因為,靜平衡并不能保證質心絕對在軸線上(不是尺寸形狀來決定的，還受間隙、鑄造質勻度的影響),哪怕是微小的誤差在轉速提高到一定程度都會被不允許。同時,不平衡質量不在同一個平面內，因此它們還會產生一個力矩，使軸線發生撓曲，從而產生振動。曲軸運動的偏差主要是動平衡偏差。制動空壓機的制造，如深入地采用曲軸的動平衡和校正技術，將會給汽車制動空壓機的性能帶來品質的提升，甚至是產品設計和工藝的變革。

2 曲軸平衡的難點

汽車制動空壓機的曲軸平衡有特殊的要求。曲軸作為結構特殊的剛性轉子,在運行中總是與連桿、活塞一起構成一個傳動整體, 加以相關組件，暫稱其為傳動系統(與汽車構造中的曲柄連桿機構含義不相同[1])。傳動系統內部的配件連接，加上往復質量的影響, 傳動組件整體很難達到高度或完全的平衡。由此可見，曲軸及其傳動組件整體的動平衡技術，在生產制造或市場競爭活動中占有特殊地位，其難點不可小視。

2.1 曲軸平衡連帶作用大

曲軸平衡工序是一種制造工藝。整機平衡是終極目的。曲軸傳動運動的終端是活塞。曲軸+連桿+活塞組成了內部傳動系統，因此傳動系統是整機平衡校正研究的重點。當傳動系統(曲軸+連桿+活塞)通過校正確認平衡后，仍有不符標準的整機振動現象，才去考慮閥片閥門、箱體材料、整機裝配等其他因素，但源頭仍然是曲軸。

2.2 曲軸的“平衡偏差”無法前置設定

曲軸的生產，經過鑄造或鍛造、切削、鉆油孔等，自身的平衡偏差變化無常，無法事前設定。因此，檢測不可缺失。

加工軸線所在圓周長小，近似是個點。裝配軸線所在圓周長大，是軸柄的外圓與軸承的內圓，在重力與間隙的作用下，運轉時的圓外周雙影(可拍攝后顯微觀看)就是中心線的偏差，因此更能反映實際中心線的細微偏差或平衡偏差。加工軸線(設計線)與裝配軸線圓心的區別，即檢測的中心線的偏差問題。

理論上的平衡(即設計上處于靜止或勻速轉動狀態)，是F動力×l動力臂=F阻力×l阻力臂。根據企業“偏差”水平，作者認為：所有的中速曲軸(作者認為1 000～2 000 r/min)應該都要做動平衡測試。平衡偏差較大，相對離心力也大，會產生較大的振動。凡是高速轉動件更要做平衡試驗,如曲軸+連桿+活塞、傳動軸、軸承等。部件加工軸線圓心一般也要通過動平衡機測試，以便決定是否在曲軸的不受力部位調整一些材料。

3 解決問題的思路、依據和方法

3.1 樣機研究

曲軸不是規則的圓形部件，需要動態情況下的平衡。動態不平衡的曲軸，需要通過合適(見第3.4節)的方法，使其運轉圓周平衡。曲軸的兩端，通過軸承或軸套支撐，對其運動狀態也會帶來間接影響。因此，前期研究首先是曲軸的平衡校正小試；確定企業樣機和動平衡等級，借助檢測設備進行振動測試、平衡測試；通過記錄、校正多次測試，比較平衡與振動情況，計算平衡等級差距，進行曲軸平衡分析論證。

3.2 傳動系統的平衡

為達到傳動系統平衡的目的，有必要進行曲軸、連桿、活塞的單件平衡分析和曲軸+連桿+活塞+氣缸的關聯配合運動分析。單件的連桿和活塞有別于曲軸，不適宜做圓周轉動測試。建議對連桿做擺動頻次性能、擺動平衡、連接端距離試驗，對活塞做上下垂直運動偏離和與缸體順應性能試驗。在此基礎上，進行曲軸+連桿+活塞的關聯配合運動試驗，或稱為傳動系統的動平衡測試。

關于曲軸與整機平衡的特殊設計和計算。國內成熟的技術資料和數據較多。因文字量大，專業計算較多，此文從略。但需要強調的是，文中所指的曲軸是針對汽車制動空壓機的曲軸，目前尚無國家標準[2]。為此，文中所指曲軸平衡概念要走出傳統的觀念，需要研究針對制動空壓機曲軸組件與單件動平衡測試的理論，才能為該行業生產實踐服務。

3.3 檢測專具的研發

目前的測振儀、平衡儀很難測得機內傳動件連接后的平衡狀況，只能用外部測振等方法進行判斷，測試結果也較難區分主次輕重。因此，研制“有缸無箱”的專用夾具(簡稱專具)進行傳動平衡測定，尚能解決上述問題。

目前市場上的汽車曲軸專用平衡機是針對汽車發動機的。有支架式的，直觀、易操作、成本較低，可作為制動空壓機曲軸專用平衡機的參考樣機。為測試傳動系統平衡、終端平衡，作者構思、探討在該機上部另設氣缸支架，用于固定模型氣缸，有缸無箱可觀察。測試時，曲軸連接連桿、活塞、氣缸進行測試，缸數減到1缸和2缸兩用的專用試驗機。在有條件時，再加上自動去重等功能。

仿真條件下的試驗還有高溫、高壓、潤滑、整機配合等測試項目。

3.4 曲軸動平衡的方法

3.4.1 支承平衡和轉速平衡

支承平衡和轉速平衡需要支承點與周條件的支持。曲軸受承位置點與周條件、間隙條件有關，點支承組成了多點支承。實驗表明：各種曲軸，均有其相對的最平衡支承位置、最平衡轉速。在此基礎上確定技術參數或指標區間，可實現曲軸效用最大化。不恰當的轉速和支承位置，振動較大。超出支承位置和轉速區間，若達到曲軸內在頻率時，會發生共振或扭振現象。在設計、制造、測試、校正的各個環節中，要緊扣曲軸這個特性，才能為制造最平衡曲軸、進而制造最平衡的制動空壓機打下基礎。

3.4.2 去重、加重和最佳質量

去重平衡是最常用、最實用的平衡方式。不少新款平衡機加上了去重功能，成為平衡去重試驗機。相對于去重平衡，還有加重平衡的方法。從傳動系統看，曲軸在轉速等傳動條件被確定后，質量顯得尤其重要。設計和額定質量是動平衡最基礎最重要的預置工作，絕不能忽視。在動平衡測試時，質量是必需輸入的數據。在曲軸符合規定的質量、材質和規格的條件下，在許可誤差內，才可能進行去重或加重平衡。質量是曲軸穩定和強度的基礎，而最佳質量是曲軸動平衡精準的條件。

3.4.3 動不平衡的檢測與預防

目前，動不平衡的檢測儀器主要有動平衡儀、去重平衡機、汽車曲軸專用平衡機等。但動平衡與振動密切相關。動不平衡必然引起振動，振動必然影響平衡。根據實踐經驗及相關國家標準，建議結合使用測振儀進行動不平衡檢測驗證，從不同角度考證動不平衡的情況[2]。檢測結果數據可以根據國家標準、國際標準進行換算、等級比照[3-4]，根據實驗結果采取相應的預防措施。

3.4.4 扭振的預防

扭振是動不平衡的特殊形式。曲軸不是絕對剛性的，具有一定的彈性和頻率，受轉動慣性、轉動扭力、干擾扭力的影響，它們之間不會同步。各種復雜的扭力交織而不一致，在達到一定頻率臨界轉速時，會發生振抖現象。頻率、轉速、剛性是決定扭振與否的三大要素，同時也是控制扭振現象的重點。設計預防是行之有效的重點預防方式。

4 總結

制動空壓機的曲軸不同于汽車發動機或內燃機的曲軸。它只要稍有偏差，力矩在到達活塞時，偏差就會被放大。即使曲軸本身平衡，由于傳輸，也可能無法達到終極的平衡而影響整機的性能，產生無法估量的質量后果。

研究汽車制動空壓機的曲軸與整機動平衡有現實與特殊的意義。在與曲軸相關的國家標準[5-6]中，至今沒有汽車制動空壓機曲軸及動平衡的標準[2]。而上述標準大多以嚴格的加工尺寸來控制其平衡偏差，對不平衡量和適用對象沒有作出規定，制動空壓機產品終極動平衡得不到應有的控制。

文中分析了制動空壓機曲軸及其傳動系統動平衡偏差的產生、變化、連帶和平衡無法前置等問題，提出了制動空壓機的曲軸與整機動平衡的特殊要求，以及解決問題的思路、依據和方法。

【1】張越凡.曲軸連桿機構的動平衡[J].化學工程與裝備，2010(1):67-72.

【2】周士炎.動平衡標準及其評價[J].標準科學，1995(12):23-27.

【3】中華人民共和國工業和信息化部.JB/T 8541-2013容積式壓縮機機械振動分級[S].北京:機械工業出版社,2013.

【4】ISO 1940/1-2003機械振動.在恒定(剛性)狀態下轉子的平衡質量要求.第1部分：平衡公差的規定和檢定[S].

【5】全國汽車標準化委員會發動機分委會.QC/T 481-2005汽車發動機曲軸技術條件[S].北京：中國計劃出版社，2005.

【6】全國內燃機標準化技術委員會.GB/T23339-2009內燃機曲軸技術條件[S].北京:中國標準出版社,2009.

Dynamic Balance of the Crankshaft of Auto Brake Air Compressor and the Whole Machine

JIANG Xinjun, FENG Jie

(Taizhou Zhongji Auto Parts Co.,Ltd., Linhai Zhejiang 317000,China)

The dynamic balance of crankshaft of auto brake air compressor and transmission balance are key request for performance and accuracy of complete machine. The generation, change and other problems about crankshaft dynamic balance deviation and the transmission system balance deviation were analyzed. The special requests for crankshaft of auto brake air compressor and dynamic balance of the whole air compressor were presented,as well as thinking,reason and way for solving problems.

Air brake compressor; Crankshaft; Dynamic balance of whole machine

2015-07-20

江新軍，男，研究方向為汽車空壓機高端產品。E-mail：：info@tabco-auto.com。