曲軸相位角測量誤差分析及消除措施

李海國 張小菊

(山東濱州海得曲軸有限責(zé)任公司，山東256615)

曲軸是發(fā)動機(jī)中關(guān)鍵的零件之一，對其各項參數(shù)要求都比較嚴(yán)格。三拐、六拐等曲軸連桿頸相位角呈120°分布，相位角誤差和回轉(zhuǎn)半徑誤差相互關(guān)聯(lián)，而且對二者的誤差要求非常嚴(yán)格，因此這兩項的加工和測量都比較復(fù)雜。本文以六拐曲軸為例，分析了連桿頸120°相位角的測量誤差及誤差消除措施。

1 圖紙技術(shù)要求

圖1為六拐曲軸回轉(zhuǎn)半徑和相位角的技術(shù)要求。

從1圖中可以看出：

(1)六處連桿頸(Ⅰ-Ⅵ)的回轉(zhuǎn)半徑為R(65±0.08)mm；

(2)連桿頸Ⅰ和Ⅵ，Ⅱ和Ⅴ，Ⅲ和Ⅳ同軸；

(3)連桿頸Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ對連桿頸Ⅰ相位角為120°±30′。

上述三項中，(1)、(2)兩項測量比較簡單，且基本不受其他尺寸誤差的影響(受主軸頸和連桿軸頸尺寸的影響，但由于軸頸尺寸公差很小，僅為0.019 mm，幾乎可以忽略不計)。第(3)項為空間角度誤差，測量比較復(fù)雜，且測量結(jié)果受回轉(zhuǎn)半徑誤差的影響，存在一系統(tǒng)誤差。

圖1 六拐曲軸回轉(zhuǎn)半徑和相位角技術(shù)要求Figure 1 Technical requirement of six turns crankshaft gyration radius and phase angle

2 相位角測量方法及誤差分析

當(dāng)前國內(nèi)外先進(jìn)的曲軸生產(chǎn)線上的相位角測量普遍采用ADCOLE、HOMMEL等先進(jìn)的曲軸綜合測量儀自動檢測。而中小企業(yè)大多采用手工測量，一般是用兩個等高V形塊、自制標(biāo)準(zhǔn)墊塊、百分表架(帶百分表)、測量平臺等進(jìn)行測量。

測量方法如圖2所示。將圖中曲軸的第1、7主軸頸放到兩個等高V形塊上，將自制標(biāo)準(zhǔn)墊塊墊到第Ⅰ連桿頸的下面，該墊塊的設(shè)計厚度使第Ⅱ連桿頸軸線在理論上與第1、7主軸頸的公共軸線等高，V形塊、百分表架、自制標(biāo)準(zhǔn)墊塊與測量平臺接觸。

1—自制標(biāo)準(zhǔn)墊塊 2—等高V形塊 3—曲軸 4—百分表架

用百分表測得主軸頸與連桿頸的高度差，測量值與理論高度差比較的差值為Δh2，即可求得第Ⅱ連桿頸軸線對第Ⅰ連桿頸的相位角偏差Δα2：

Δα2≈arcsin(Δh2/RⅡ)

式中，RⅡ為第Ⅱ連桿頸軸線的回轉(zhuǎn)半徑。

由上述測量方法測Δα2的值為間接方法測得，其中第Ⅰ、Ⅱ連桿頸的軸頸尺寸偏差和第1、7主軸頸的尺寸偏差均會導(dǎo)致測量產(chǎn)生誤差，進(jìn)而對Δα2測量的精確性產(chǎn)生影響。但由于主軸頸和連桿頸軸頸尺寸公差很小，僅為0.019 mm，幾乎可以忽略不計；而且第Ⅱ連桿頸軸線處于與第1、7主軸頸公共軸線等高的位置，所以第Ⅱ連桿頸軸線回轉(zhuǎn)半徑的誤差對Δα2測量幾乎不產(chǎn)生影響。這樣測得的Δα2值就包括了第Ⅱ連桿頸對第Ⅰ連桿頸的實際相位角誤差Δα2′和第Ⅰ連桿頸軸線回轉(zhuǎn)半徑誤差引起的測量誤差Δα2″，即：

Δα2=Δα2′+Δα2″

假設(shè)第Ⅰ連桿頸回轉(zhuǎn)半徑存在一偏差ΔRⅠ，則必然會使第Ⅱ連桿頸相位角產(chǎn)生偏差角Δα2″，由圖3可得到：

Δα2″=∠OBC-∠OAC

=60°-arcsin(OC/OA)

=60°-arcsin[RⅠsin60°/(RⅠ+ΔRⅠ)]

式中，RⅠ為第Ⅰ連桿頸回轉(zhuǎn)半徑。

本文中六拐曲軸的RⅠ=65 mm，ΔRⅠ=0.08 mm(最大時)，可求得Δα2″=7.3′。計算得出該連桿頸相位角最大測量誤差為7.3′，而圖紙設(shè)計要求為20′，測量誤差約為設(shè)計值的1/3。若不考慮回轉(zhuǎn)半徑誤差對相位角測量的影響，則必然會影響對產(chǎn)品合格率的判斷。在實際檢驗中如果都不考慮回轉(zhuǎn)半徑誤差的影響，就會大量產(chǎn)生誤判和錯判，這是絕對不允許的。

圖3 第Ⅰ連桿頸回轉(zhuǎn)半徑誤差對相位角測量誤差的影響Figure 3 Effect of the first connecting rod neck gyration radius error on phase angle measure error

3 相位角測量誤差的消除措施

對于一批曲軸，ΔRⅠ是隨機(jī)量，因而Δα2″也是隨機(jī)量。若用逐條測量ΔRⅠ值的計算方法去排除Δα2″，在實際測量中顯然是不現(xiàn)實的。為解決測量誤差問題，我們設(shè)計了一種新型測量墊塊，利用它徹底消除了ΔRⅠ的影響，從而也就不存在Δα2″。圖4為采用新型測量墊塊的示意圖。

如圖4所示，與傳統(tǒng)測量方式不同之處只是將自制測量墊塊改為新型測量墊塊。該墊塊與V形塊通過螺釘和銷相聯(lián)接，墊塊的60°斜面及安裝尺寸必須使第Ⅱ連桿頸軸線處于與第1、7主軸頸公共軸線等高的位置。這樣，第Ⅰ連桿頸軸線回轉(zhuǎn)半徑及誤差方向與新型測量墊塊的60°斜面平行，因此在測量中完全消除了Δα2″的影響，使得測量結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖4 用新型測量墊塊測量相位角Figure 4 Phase angle measured by new type measuring chock

使用這種方法要注意，新型測量墊塊的60°斜面厚度應(yīng)比連桿頸寬度小(10～15)mm，墊塊結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)與曲軸軸向長度相匹配。

4 結(jié)語

使用新型測量墊塊的測量方法應(yīng)用方便，彌補(bǔ)了原測量方式的不足，有效消除了曲軸相位角測量誤差?？蓮V泛使用于曲軸連桿頸的測量。

[1]花國樑主編.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ).北京：北京理工大學(xué)出版社，2003.

[2]國家機(jī)械工業(yè)局.JB/T6727-2000內(nèi)燃機(jī)曲軸 技術(shù)條件.2000.

[3]國家機(jī)械工業(yè)局.JB/T51049-1999內(nèi)燃機(jī)曲軸 產(chǎn)品質(zhì)量分等.1999.

[4]中華人民共和國國家監(jiān)督檢驗檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T1958-2004產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范(GPS)形狀和位置公差 檢測規(guī)定. 2004.