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曲轴去重平衡机原理分析与维修
陈刚 130012 一汽轿车股份有限公司技术部设备设施科
摘 要 曲轴去重平衡机是发动机加工的复杂设备之一，使用效果直接影响发动机的性能和质量。本文从算法原理、控制方式、编程内容及维修技术等多角度对曲轴去重平衡机进行了解析和探讨。对曲轴平衡机的正确使用、工艺管理和维修有指导意义。 关键词 平衡理论 动平衡机 数控编程 平衡仪
1曲轴动平衡的基本原理解析
曲轴去重平衡机是典型的机电一体化设备，集成了机械加工、计算机数控、微电子技术、发动机工艺理论等技术于一体，是我厂比复杂的设备之一。
首先，简要地了解动平衡理论有助于我们正确地掌握该设备。 1．1平衡理论
（1）什么是不平衡量
以一个均匀转子为例，如图1：
O O＇
M M＇ 图1：均匀转子的几何支撑轴线OO＇与惯性轴线和MM＇
正常情况下，其惯性主轴线应与支撑主轴线重合，如不重合，则表示该转子不平衡。其不平衡量可用下式表示： Ｕ＝m×r
单位：g.cm，m：不平衡质量，不平衡半径。
真正的转子不平衡程度不仅与不平衡质量和不平衡半径有关，而且与转子的总质量Ｍ有直接关系，显然，同样的Ｕ值，Ｍ越大，表示不平衡程度越小；Ｍ越小，则表示不平衡程度越大。由此，引入了偏心距的概念。
即，偏心距： E = mr/M=U/M
这个参数能较为准确地表示一个转子的不平衡程度。 （２）不平衡量的常见分布形式
这里主要是指和曲轴不平衡相关的：“径向不平衡”。其常见形式有： １）静不平衡
惯性轴线与几何支撑轴线平行．如图2：
O
O＇
M
M＇＇
＇
图2：静不平衡示意图
m ＇ ２）偶不平衡
惯性轴线与几何支撑轴线斜交于几何轴线的中心点。如图3：
M O
图3：偶不平衡示意图 ３）准静不平衡
惯性轴线与几何支撑轴线斜交，但不过中心点。如图4： M O
图4：准静不平衡示意图 ４）动不平衡
惯性轴线与几何支撑轴线不相交，亦不平行。如图5：
图5：动不平衡示意图
M O O＇ ＇ M＇＇ 曲轴的不平衡即属于这种类型，由于其不平衡量的分布特点，去重时最少要平衡两点以上。
O＇ M＇ ＇ ＇ m m ＇ m O＇ M ＇
＇ ＇ m m （3）不平衡量的工业标准
国标ISO1940规定了不平衡量的工业标准，即： G=EW/1000 其中，E：偏心距。微米。 W：转速。弧度/秒。
G取值一般为G0.4-G4000，曲轴在G40-G100之间。 1．2动平衡机
（1）平衡机测量的基本力学关系
如下图，为一台平衡机的测量系统局部结构示意图。
图6：一个简单的平衡机测量装置 图中不平衡量m产生的离心力： f=mr?2 水平方向的离心力分量： f水平= mr?2 cosα 垂直方向的离心力分量： f垂直=mr?2sinα 支撑弹簧变形量：
A=f垂直/K，K为弹性系数。
水平力传递给传感器，由传感器测取并产生电压信号，送控制系统。 (2)平衡方程
一个系统的平衡方程如下： MX″+CX′+KX=mr?2
角速度ω r m α 传感器 离心力f
f水平 f垂直 其中：
M：转子质量。 X：支撑体变形量。 m：不平衡质量。 r：不平衡半径。 ?：转子角速度。
C：阻尼系数。主要来自风阻，摩擦阻尼。 阻尼力很小，一般分析时可不予考虑。
K：支撑体弹性系数。 （3）硬支撑平衡机的力学分析
当地基足够稳定时，可以不考虑惯性力时KX＂，可以设计为硬支撑结构。这时，平衡方程可改写为：
X=mr?2/K
可见，硬支撑平衡机与床身质量无关，出厂时做一次性标定即可，无须经常标定。但对地基要
求高，否则惯性力将产生影响，影响平衡精度。
机床的共振点为： ?0= K/M
对硬支撑平衡机，工件转速应在?0/3以内。 （4）软支撑平衡机的力学分析
这种平衡机的弹性力相对于惯性力而言，由于支撑弹簧很软，弹性力很小，可以忽略。平衡方程为：
MX＂=mr?2 X＂=mr?2/M
X＂为加速度，可使用加速度传感器测量。
由于式中包括机床质量Ｍ，故机床需要经常标定，对地基要求不高。 这种平衡机的工件转速一般控制在2-2.5?0之内。 （5）半硬支撑平衡机的力学分析
这种平衡机既要考虑惯性力，又要考虑弹性力。其平衡方程为：
MX＂+KX=mr?2
这一方程的计算较为困难，从力学关系来进行分析，可以从下面公式进行不平衡量的分离。即：
图7：不平衡量的分离 如图，有：
U1=UL+(ULa/b-URc/b) U2=UR - (ULa/b-URc/b)
显然，当去重点事先选定后，很容易依据从支撑点测量到的不平衡量UL和UR确定应去重量U1及U2。
半硬支撑的平衡机，其工件转速在?0附近，因而灵敏度高。它对地基的要求介于硬支撑和软支撑之间。
(6)我厂平衡机类型及曲轴去重
美国引进的平衡机属于软支撑型，而新采购平衡机（日本）属于半硬支撑型。由此，我们不难得出两台机床在使用和保养中应注意哪些问题的结论。
两台设备的曲轴去重点都是10?、130?、190?、250?四个点。
常见的曲轴驱动方式有摩擦轮驱动、皮带轮驱动、端部驱动和虎壳驱动四种。我厂的美国平衡机为端部驱动，这种驱动方式对联轴节要求很高，需要经常进行补偿和对联轴节做调整。
UL UR U1 U2 a b c