汽车制动空压机的曲轴与整机动平衡

江新军,冯杰

(台州中际汽车零部件有限公司,浙江临海 317000)

汽车制动空压机的曲轴与整机动平衡

江新军,冯杰

(台州中际汽车零部件有限公司,浙江临海 317000)

汽车制动空压机的曲轴及其传动平衡是整机性能和精准的关键要求。分析了制动空压机曲轴及其传动平衡偏差的产生、变化和连带问题，提出了制动空压机的曲轴与整机动平衡的特殊要求，以及解决问题的思路、依据和方法。

汽车制动空压机；曲轴；整机动平衡

0 引言

汽车制动空压机的工作传动，是曲轴的圆周运动转换成活塞的上下运动。曲轴是主动运动。对于双缸机，由曲轴轴心到活塞的上止点，是曲轴圆周(力矩)的放大，是非直线型力臂。对于单缸机，曲轴传输的圆周半径是轴心到活塞的上止点和下止点循环变化的过程。制动空压机的曲轴只要稍有偏差，在力矩到达活塞时，偏差就会被放大。即使其本身平衡，也可能无法达到传动整体的平衡而影响整机的性能。若本身的不平衡或平衡偏差更会产生无法估量的质量后果。

而汽车发动机或内燃机的转动方式相反，是活塞的上下运动变成曲轴的圆周运动。它的曲轴是起协调作用的被动运动。汽车制动空压机的曲轴及其传动整体的动平衡，相对于汽车发动机或内燃机而言，有特殊的定义和要求。

1 制动空压机曲轴与整机平衡的要点

各种曲轴，均有其最平衡的支承位置、最平衡的转速。在最平衡支承、最平衡转速的基础上确定技术参数或指标区间，实现曲轴效用最大化。不恰当的转速和支承位置，振动较大，功效低。超出支承位置和转速区间，或达到曲轴内在的频率区间，易发生共振、扭振等不良现象。

在生产实践中，支承位置或支点的变化往往不大，但转速变化很大。为达到功能目的，转速往往被额定或锁定。在技术上，首先锁定的应是最平衡的转速。因此，速度既是目的又是条件。整机动平衡是有条件的平衡，额定转速必须达到平衡，平衡又必须保障额定转速。

曲轴运动的偏差主要是动平衡偏差。曲轴运动偏差较大时，相对离心力也大。汽车制动空压机的曲轴在工作时，是高速转动的，高端产品可达4 000 r/min。如果平衡度不好，就会产生动量峰值，不但会产生较大的振动和不利的效能，严重的还会折断。

目前生产厂商加工的曲轴,大多尺寸准、精度高，静平衡看似较好,但动平衡基本上都难以保证。 因为,静平衡并不能保证质心绝对在轴线上(不是尺寸形状来决定的，还受间隙、铸造质匀度的影响),哪怕是微小的误差在转速提高到一定程度都会被不允许。同时,不平衡质量不在同一个平面内，因此它们还会产生一个力矩，使轴线发生挠曲，从而产生振动。曲轴运动的偏差主要是动平衡偏差。制动空压机的制造，如深入地采用曲轴的动平衡和校正技术，将会给汽车制动空压机的性能带来品质的提升，甚至是产品设计和工艺的变革。

2 曲轴平衡的难点

汽车制动空压机的曲轴平衡有特殊的要求。曲轴作为结构特殊的刚性转子,在运行中总是与连杆、活塞一起构成一个传动整体, 加以相关组件，暂称其为传动系统(与汽车构造中的曲柄连杆机构含义不相同[1])。传动系统内部的配件连接，加上往复质量的影响, 传动组件整体很难达到高度或完全的平衡。由此可见，曲轴及其传动组件整体的动平衡技术，在生产制造或市场竞争活动中占有特殊地位，其难点不可小视。

2.1 曲轴平衡连带作用大

曲轴平衡工序是一种制造工艺。整机平衡是终极目的。曲轴传动运动的终端是活塞。曲轴+连杆+活塞组成了内部传动系统，因此传动系统是整机平衡校正研究的重点。当传动系统(曲轴+连杆+活塞)通过校正确认平衡后，仍有不符标准的整机振动现象，才去考虑阀片阀门、箱体材料、整机装配等其他因素，但源头仍然是曲轴。

2.2 曲轴的“平衡偏差”无法前置设定

曲轴的生产，经过铸造或锻造、切削、钻油孔等，自身的平衡偏差变化无常，无法事前设定。因此，检测不可缺失。

加工轴线所在圆周长小，近似是个点。装配轴线所在圆周长大，是轴柄的外圆与轴承的内圆，在重力与间隙的作用下，运转时的圆外周双影(可拍摄后显微观看)就是中心线的偏差，因此更能反映实际中心线的细微偏差或平衡偏差。加工轴线(设计线)与装配轴线圆心的区别，即检测的中心线的偏差问题。

理论上的平衡(即设计上处于静止或匀速转动状态)，是F动力×l动力臂=F阻力×l阻力臂。根据企业“偏差”水平，作者认为：所有的中速曲轴(作者认为1 000～2 000 r/min)应该都要做动平衡测试。平衡偏差较大，相对离心力也大，会产生较大的振动。凡是高速转动件更要做平衡试验,如曲轴+连杆+活塞、传动轴、轴承等。部件加工轴线圆心一般也要通过动平衡机测试，以便决定是否在曲轴的不受力部位调整一些材料。

3 解决问题的思路、依据和方法

3.1 样机研究

曲轴不是规则的圆形部件，需要动态情况下的平衡。动态不平衡的曲轴，需要通过合适(见第3.4节)的方法，使其运转圆周平衡。曲轴的两端，通过轴承或轴套支撑，对其运动状态也会带来间接影响。因此，前期研究首先是曲轴的平衡校正小试；确定企业样机和动平衡等级，借助检测设备进行振动测试、平衡测试；通过记录、校正多次测试，比较平衡与振动情况，计算平衡等级差距，进行曲轴平衡分析论证。

3.2 传动系统的平衡

为达到传动系统平衡的目的，有必要进行曲轴、连杆、活塞的单件平衡分析和曲轴+连杆+活塞+气缸的关联配合运动分析。单件的连杆和活塞有别于曲轴，不适宜做圆周转动测试。建议对连杆做摆动频次性能、摆动平衡、连接端距离试验，对活塞做上下垂直运动偏离和与缸体顺应性能试验。在此基础上，进行曲轴+连杆+活塞的关联配合运动试验，或称为传动系统的动平衡测试。

关于曲轴与整机平衡的特殊设计和计算。国内成熟的技术资料和数据较多。因文字量大，专业计算较多，此文从略。但需要强调的是，文中所指的曲轴是针对汽车制动空压机的曲轴，目前尚无国家标准[2]。为此，文中所指曲轴平衡概念要走出传统的观念，需要研究针对制动空压机曲轴组件与单件动平衡测试的理论，才能为该行业生产实践服务。

3.3 检测专具的研发

目前的测振仪、平衡仪很难测得机内传动件连接后的平衡状况，只能用外部测振等方法进行判断，测试结果也较难区分主次轻重。因此，研制“有缸无箱”的专用夹具(简称专具)进行传动平衡测定，尚能解决上述问题。

目前市场上的汽车曲轴专用平衡机是针对汽车发动机的。有支架式的，直观、易操作、成本较低，可作为制动空压机曲轴专用平衡机的参考样机。为测试传动系统平衡、终端平衡，作者构思、探讨在该机上部另设气缸支架，用于固定模型气缸，有缸无箱可观察。测试时，曲轴连接连杆、活塞、气缸进行测试，缸数减到1缸和2缸两用的专用试验机。在有条件时，再加上自动去重等功能。

仿真条件下的试验还有高温、高压、润滑、整机配合等测试项目。

3.4 曲轴动平衡的方法

3.4.1 支承平衡和转速平衡

支承平衡和转速平衡需要支承点与周条件的支持。曲轴受承位置点与周条件、间隙条件有关，点支承组成了多点支承。实验表明：各种曲轴，均有其相对的最平衡支承位置、最平衡转速。在此基础上确定技术参数或指标区间，可实现曲轴效用最大化。不恰当的转速和支承位置，振动较大。超出支承位置和转速区间，若达到曲轴内在频率时，会发生共振或扭振现象。在设计、制造、测试、校正的各个环节中，要紧扣曲轴这个特性，才能为制造最平衡曲轴、进而制造最平衡的制动空压机打下基础。

3.4.2 去重、加重和最佳质量

去重平衡是最常用、最实用的平衡方式。不少新款平衡机加上了去重功能，成为平衡去重试验机。相对于去重平衡，还有加重平衡的方法。从传动系统看，曲轴在转速等传动条件被确定后，质量显得尤其重要。设计和额定质量是动平衡最基础最重要的预置工作，绝不能忽视。在动平衡测试时，质量是必需输入的数据。在曲轴符合规定的质量、材质和规格的条件下，在许可误差内，才可能进行去重或加重平衡。质量是曲轴稳定和强度的基础，而最佳质量是曲轴动平衡精准的条件。

3.4.3 动不平衡的检测与预防

目前，动不平衡的检测仪器主要有动平衡仪、去重平衡机、汽车曲轴专用平衡机等。但动平衡与振动密切相关。动不平衡必然引起振动，振动必然影响平衡。根据实践经验及相关国家标准，建议结合使用测振仪进行动不平衡检测验证，从不同角度考证动不平衡的情况[2]。检测结果数据可以根据国家标准、国际标准进行换算、等级比照[3-4]，根据实验结果采取相应的预防措施。

3.4.4 扭振的预防

扭振是动不平衡的特殊形式。曲轴不是绝对刚性的，具有一定的弹性和频率，受转动惯性、转动扭力、干扰扭力的影响，它们之间不会同步。各种复杂的扭力交织而不一致，在达到一定频率临界转速时，会发生振抖现象。频率、转速、刚性是决定扭振与否的三大要素，同时也是控制扭振现象的重点。设计预防是行之有效的重点预防方式。

4 总结

制动空压机的曲轴不同于汽车发动机或内燃机的曲轴。它只要稍有偏差，力矩在到达活塞时，偏差就会被放大。即使曲轴本身平衡，由于传输，也可能无法达到终极的平衡而影响整机的性能，产生无法估量的质量后果。

研究汽车制动空压机的曲轴与整机动平衡有现实与特殊的意义。在与曲轴相关的国家标准[5-6]中，至今没有汽车制动空压机曲轴及动平衡的标准[2]。而上述标准大多以严格的加工尺寸来控制其平衡偏差，对不平衡量和适用对象没有作出规定，制动空压机产品终极动平衡得不到应有的控制。

文中分析了制动空压机曲轴及其传动系统动平衡偏差的产生、变化、连带和平衡无法前置等问题，提出了制动空压机的曲轴与整机动平衡的特殊要求，以及解决问题的思路、依据和方法。

【1】张越凡.曲轴连杆机构的动平衡[J].化学工程与装备，2010(1):67-72.

【2】周士炎.动平衡标准及其评价[J].标准科学，1995(12):23-27.

【3】中华人民共和国工业和信息化部.JB/T 8541-2013容积式压缩机机械振动分级[S].北京:机械工业出版社,2013.

【4】ISO 1940/1-2003机械振动.在恒定(刚性)状态下转子的平衡质量要求.第1部分：平衡公差的规定和检定[S].

【5】全国汽车标准化委员会发动机分委会.QC/T 481-2005汽车发动机曲轴技术条件[S].北京：中国计划出版社，2005.

【6】全国内燃机标准化技术委员会.GB/T23339-2009内燃机曲轴技术条件[S].北京:中国标准出版社,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

江新军，男，研究方向为汽车空压机高端产品。E-mail：：info@tabco-auto.com。