摘 要：圍繞汽車發(fā)動機曲軸加工動平衡展開研究，對汽車發(fā)動機曲軸動平衡狀態(tài)進行參數(shù)，結(jié)合汽車發(fā)動機曲軸幾何中心孔工藝實際情況提出動平衡問題，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)幾何中心孔工藝探究曲軸加工動平衡優(yōu)化方式，明確乘用車發(fā)動機曲軸加工動平衡修正原理，提出Excel動平衡修正方法，可視化、圖形化呈現(xiàn)可修正的動平衡工序，編寫幾何中心孔補償量自動化計算公式，通過優(yōu)化曲軸加工動平衡方法而完善曲軸生產(chǎn)線，推動汽車產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。

關(guān)鍵詞：幾何中心孔工藝 曲軸加工 動平衡

1 引言

曲軸作為汽車發(fā)動機關(guān)鍵零部件，其動平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定直接決定汽車駕駛員行駛舒適度及發(fā)動機設(shè)備壽命，故圍繞汽車發(fā)動機曲軸動平衡展開研究是極為必要的。從加工角度來看，曲軸動平衡加工工藝主要分為兩種，即幾何中心孔工藝、質(zhì)量中心孔工藝，為更好地優(yōu)化發(fā)動機曲軸動平衡問題，需根據(jù)兩種加工工藝的差異探究適宜的優(yōu)化方式。

2 發(fā)動機曲軸動平衡概述

基于穩(wěn)定工況環(huán)境，若由汽車發(fā)動傳輸至支撐結(jié)構(gòu)的作用力方向及大小處于動態(tài)適宜狀態(tài)下，不會根據(jù)時間的變化而改變，則該狀態(tài)被稱之為動平衡。乘用車發(fā)動機曲軸在運行期間各個質(zhì)點均存在離心慣性力，在理想運行情況下，要求曲軸內(nèi)的慣性力時刻處于平衡狀態(tài)，不會使慣性力作用至支承結(jié)構(gòu)上。但從加工角度來看，發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)質(zhì)量不均，導(dǎo)致曲軸旋轉(zhuǎn)運行期間不會平衡分布離心力。從這一角度來看，受到發(fā)動機主軸頸軸線質(zhì)量不均勻分布影響而產(chǎn)生了慣性力不平衡現(xiàn)象。若發(fā)動機曲軸運行期間無法保持平衡，則會對發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)造成破壞，并使發(fā)動機出現(xiàn)噪聲及振動現(xiàn)象，并在一定程度上加劇了發(fā)動機零部件的磨損，極大縮短了汽車發(fā)動機使用壽命。汽車發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)慣性力可借助以下公式計算得出：

式（1）中，F(xiàn)、m、R、n分別為曲軸結(jié)構(gòu)慣性力、離心質(zhì)量、距中心線距離以及轉(zhuǎn)速，四個參數(shù)的單位分別為N、g、mm、r/min，其中離心質(zhì)量（m）與距中心線距離（r）均由發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)本身性質(zhì)所決定，不受曲軸運行轉(zhuǎn)速影響，因此，可直接運用g·mm單位表示曲軸動平衡狀態(tài)。結(jié)合式（1）可見，當(dāng)曲軸結(jié)構(gòu)因質(zhì)量分布不均衡時，分布不均的質(zhì)量越大、距中心線越遠，則所產(chǎn)生的不平衡問題越大，因此，為確保乘用車發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)動平衡，需結(jié)合不均衡現(xiàn)象針對性進行解決優(yōu)化。

3 發(fā)動機曲軸加工動平衡問題的提出

對于汽車發(fā)動機設(shè)備而言，曲軸結(jié)構(gòu)屬于關(guān)鍵性零部件，能夠直接影響汽車駕駛員舒適度及發(fā)動機設(shè)備，若曲軸運行期間并未處于動平衡狀態(tài)，不僅會影響司乘人員駕駛體驗，還會縮短發(fā)動機壽命，加劇零部件磨損，使發(fā)動機零部件出現(xiàn)各類病害問題，給汽車駕駛埋下安全隱患，由此可見，在汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展期間，必須加強對汽車發(fā)動機曲軸加工動平衡問題的重視。

當(dāng)曲軸完成生產(chǎn)加工制造后，結(jié)構(gòu)毛坯上線時應(yīng)做好前端與后端的中心孔打孔工序，借助該中心孔進行頂尖定位，該環(huán)節(jié)則為汽車加工時常說的“曲軸定心”。站在生產(chǎn)加工角度來看，現(xiàn)階段主要運用質(zhì)量中心孔、幾何中心孔兩種工藝進行加工。

與幾何中心孔加工工藝相較，質(zhì)量中心孔工藝加工期間需借助特定設(shè)備測定曲軸毛坯慣性主軸位置，且兩種不同的“曲軸定心”工藝可極大影響初始動不平衡量（U0），以質(zhì)量中心孔工藝為“曲軸定心”方式時，所產(chǎn)生的初始動不平衡量（U0）相對較小，但所造成的動不平衡量（U0）離散程度較為適宜，結(jié)合實踐加工情況來看，采用質(zhì)量中心孔工藝還可在一定程度上降低毛坯報廢率，提高動平衡修正效果，從這一角度來看，質(zhì)量中心孔工藝優(yōu)于幾何中心孔加工工藝[1]。但是，質(zhì)量中心孔定心加工工藝不僅需消耗更多成本，經(jīng)濟性較差，還加劇了加工刀具的磨損程度，且大幅提升了軸徑黑皮率。由此可見，質(zhì)量中心孔工藝與幾何中心孔加工工藝兩者各有優(yōu)缺，但在新時代背景下，鋼材鍛造技術(shù)與冶煉技術(shù)不斷進步，發(fā)動機曲軸毛坯鋼材的外形尺寸、材料均勻性均得到了大幅提升，各批次材料均具有較強穩(wěn)定性，在此情況下，汽車發(fā)動機曲軸加工線實現(xiàn)了更新?lián)Q代，逐漸形成了以四缸機幾何中心孔工藝為主的加工線，幾何中心孔工藝使用頻率逐漸超過質(zhì)量中心孔工藝。雖幾何中心孔工藝在新時代背景下得到了優(yōu)化改善，但不同批次的曲軸毛坯之間仍存在的動平衡波動問題，導(dǎo)致動平衡不佳成為制約汽車發(fā)動機加工質(zhì)量的重大難題。

針對幾何中心孔工藝曲軸動平衡問題，產(chǎn)業(yè)內(nèi)部人員逐漸通過幾何中心孔坐標(biāo)補償?shù)姆绞竭M行解決，但主要采用單獨調(diào)整曲軸前端與后端頂尖孔的方式，單獨調(diào)整這就意味著曲軸前端與后端頂尖孔具有不同軸現(xiàn)象，并對后續(xù)加工作業(yè)產(chǎn)生影響。除此之外，修正曲軸鉆孔具有多種方式，而通常情況下難以借助常規(guī)經(jīng)驗解決動不平衡問題，僅可結(jié)合實際情況嘗試性調(diào)整組合方式，不利于汽車發(fā)動機曲軸加工品質(zhì)控制[2]。經(jīng)過不斷鉆研時，部分汽車公司引進入Q-DAS系統(tǒng)對補償量進行統(tǒng)計，由此極大提升了曲軸加工投資成本，從成本控制角度來看，該動平衡優(yōu)化方式仍存在不足。

4 乘用車曲軸加工動平衡修正原理

乘用車發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)具有諸多曲拐，形狀特殊，受到非中心軸對稱的質(zhì)量分布特點影響，導(dǎo)致曲軸結(jié)構(gòu)運行轉(zhuǎn)動期間產(chǎn)生布離心力不均衡現(xiàn)象，繼而進入慣性力不平衡狀態(tài)中?，F(xiàn)階段汽車的四缸機曲軸撓性變形量相對較小，長度處于400～550mm區(qū)間范圍內(nèi)，以剛性轉(zhuǎn)子的形式處理乘用車曲軸動平衡問題。為良好解決該問題，可按照式（2）對不平衡量（U）加以計算，并以此為基礎(chǔ)完成e偏心量的計算，公式可見式（3）。

式（2）與式（3）中，U為不平衡量，M為繞中心軸轉(zhuǎn)動的均勻圓盤質(zhì)量，R為距中心點的距離，m為R處的附加離心質(zhì)量。從發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)整體情況上看，R處的附加離心質(zhì)量遠低于繞中心軸轉(zhuǎn)動的均勻圓盤質(zhì)量，因此，可將式（3）進行簡化，具體如下：

汽車發(fā)動機曲軸運行期間將會進入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，而曲軸旋轉(zhuǎn)后所產(chǎn)生的周期性作用力將會對測量支承產(chǎn)生影響，在此情況下，可借助拾振器采集作用力信號，并以信號為依據(jù)通過工控機進行運算，用于測量得出不平衡量相位及大小關(guān)系，繼而結(jié)合不平衡量具體情況制定修正方案，按照該修正方案進行優(yōu)化執(zhí)行后，實時測量與記錄曲軸動平衡數(shù)據(jù)變化情況，并以此為依據(jù)二次修正。

對汽車發(fā)動機曲軸進行測量時，主要依托于兩端主軸頸完成支承，結(jié)合坐標(biāo)系精準(zhǔn)確定曲軸不平衡量相位及大小。對汽車發(fā)動機曲軸進行動平衡修正僅可建立在平衡塊上，結(jié)合某汽車四平衡塊曲軸展開具體分析，該曲軸結(jié)構(gòu)僅可于1號、4號、5號、8號等平衡塊上進行打孔，在此情況下，需在將鉆孔平衡塊所在面視為修正面，基于修正面特定平衡塊進行鉆孔。不平衡量處于-45°～45°、90°～270°、270°～360°區(qū)間內(nèi)，需分別修正1號與8號、4號與5號、1號與8號平衡塊。在動平衡修正過程中，待修正的平衡塊的尺寸、形狀將對鉆孔過程產(chǎn)生影響，在此情況下，需結(jié)合平衡塊尺寸與形狀具體情況確認鉆孔直徑、深度、角度，在特定角度區(qū)間范圍內(nèi)設(shè)置鉆孔參數(shù)。

汽車發(fā)動機曲軸加工動平衡優(yōu)化的核心在于修正平衡塊，為便于完成修正過程，則可借助修正能力圖的方式確認各次修正能力范圍，并結(jié)合不平衡量所處區(qū)間情況判斷是否需二次修正。動平衡優(yōu)化能夠促進汽車發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)平穩(wěn)運行，當(dāng)曲軸所傳輸?shù)淖饔昧Ψ较?、大小處于動態(tài)平衡狀態(tài)下時，則曲軸運行時間不會改變作用力的方向與大小。但結(jié)合汽車發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)加工來看，動平衡處于理想狀態(tài)，且該狀態(tài)通常無法實現(xiàn)，因此，汽車產(chǎn)業(yè)在具體發(fā)展期間需結(jié)合發(fā)動機運行標(biāo)準(zhǔn)而確認最大容許不平衡量，若不平衡量處于最大容許區(qū)間范圍內(nèi)，則可采用優(yōu)化方式進行修正[3]。

5 乘用車曲軸基于幾何中心孔工藝優(yōu)化動平衡問題的方法探析

面對汽車發(fā)動機曲軸動平衡問題，本次圍繞幾何中心孔工藝應(yīng)用狀態(tài)下的四缸機曲軸展開研究，結(jié)合Excel編程方式提出了即曲軸動平衡優(yōu)化算法，該算法高效便捷、量化規(guī)范且具有較強操作性。對該優(yōu)化算法進行總結(jié)，具體如下：

5.1 修正能力圖數(shù)值確認

汽車發(fā)動機設(shè)備進行交付時，主要以修正能力圖的方式呈現(xiàn)出設(shè)備具體情況，但卻不會具體化表示修正能力圖內(nèi)各個曲線的數(shù)值。當(dāng)鉆孔角度、鉆孔直徑等參數(shù)需調(diào)整優(yōu)化時，則需聯(lián)系設(shè)備廠商結(jié)合調(diào)整優(yōu)化需求而重新繪制修正能力圖，繼而影響了汽車發(fā)動機曲軸動平衡優(yōu)化的便捷程度。針對該問題，該次提出Excel編程方法，即采用Excel編程形式繪制修正能力圖。當(dāng)發(fā)動機曲軸進入旋轉(zhuǎn)能運行狀態(tài)時，則可采用分解方式對修正能力圖進行分解。將發(fā)動機曲軸截面設(shè)置為i，Ui表示不平衡量，當(dāng)曲軸結(jié)構(gòu)截面出現(xiàn)不平衡量后，此時形成的離心力將會直接對曲軸前端與后端的支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，前端與后端的支承結(jié)構(gòu)所受到的作用力分別記為Uia、Uib，而Uia、Uib兩個不平衡量可采用向量的形式進行計算，不平衡量分解計算過程可見式（5）與式（6）：

當(dāng)已知發(fā)動機曲軸頂尖高度、鉆頭直徑、平衡塊半徑、材料密度、最大鉆孔深度等參數(shù)時，此時計算得出處于最大鉆孔深度狀態(tài)下的質(zhì)心位置、去重質(zhì)量，得出上述參數(shù)后則可進一步完成各孔去除動平衡量參數(shù)，按照圖1所示結(jié)構(gòu)對測量面進行分解，得出分解后的測量面分量，即Ua、Ub。在此基礎(chǔ)上，將曲軸各個修正面各鉆孔去除量情況劃分至相對應(yīng)的測量面分量上[3]。受鉆孔角度影響，導(dǎo)致所形成的測量面分量與鉆孔角度之間存在直接性向量關(guān)系，并以j、i分別表示鉆孔角度、修正面坐標(biāo)。在此基礎(chǔ)上借助矢量疊加方式計算得出與鉆孔角度直接關(guān)聯(lián)的修正能力范圍，以現(xiàn)有修正方案為依據(jù)繪制修正能力曲線并得出相關(guān)參數(shù)。將所得參數(shù)記錄至Excel編程系統(tǒng)中，則可自動化而出修正能力曲線，此時按照修正能力曲線范圍情況進行曲軸動平衡優(yōu)化即可。

5.2 不平衡量確認操作

汽車發(fā)動機曲軸運行期間出現(xiàn)異常修正狀態(tài)時，需調(diào)查曲軸來料狀態(tài)及動平衡情況，結(jié)合上述不平衡問題的提出與修正原理分析可知，引發(fā)曲軸異常情況的主要因素在于不同批次的毛坯存在動平衡波動，若需對曲軸不平衡問題進行修正，應(yīng)注意驗證不同批次毛坯的動平衡狀態(tài)，并精準(zhǔn)確定動平衡來料情況。結(jié)合某曲軸動平衡設(shè)備展開具體分析，基于諸多測量數(shù)據(jù)梳理得出最初的不平衡量，用于確認動平衡來料情況，為后續(xù)調(diào)整坐標(biāo)補償量奠定基礎(chǔ)。對曲軸不平衡量確認的具體操作進行總結(jié)，具體如下：第一，基于曲軸設(shè)備修正能力圖及說明資料確認CSV文件，以Excel表格的形式打開該文件。第二，采用Excel表格排序功能重新梳理表格序列號，基于序列號出現(xiàn)次數(shù)的差異而判斷是否需進行動平衡優(yōu)化。若某序列號僅存在一次，則意味著無需動平衡優(yōu)化，而出現(xiàn)多次則需結(jié)合實際數(shù)據(jù)進行鉆孔修正。第三，于Excel表格插入編程，即“=if前行序列號，1，0”賦值，在此基礎(chǔ)上將Excel表格中首次出現(xiàn)的序列號標(biāo)注為“1”，此時運用Excel表格中的篩選功能則可得出初始不平衡量數(shù)據(jù)，按照所確認的初始不平衡量數(shù)據(jù)分析曲軸來料情況，為后續(xù)針對性東平衡修正優(yōu)化奠定基礎(chǔ)[4]。

5.3 圖形化表達優(yōu)化

基于修正能力圖采用Excel表格圖形化的形式表達不平衡量，相較于傳統(tǒng)化不平衡量分析方式，Excel表格圖形化表達結(jié)果不僅更為直接，還可幫助修正人員獲取更多信息。第一，判斷曲軸動平衡來料是否可被優(yōu)化，并分析二次優(yōu)化修正的必要性；第二，分析判斷不平衡量的分散及集中程度；第三，精準(zhǔn)確定不平衡量整體分布情況，以便確認后續(xù)中心孔加工坐標(biāo)補償量數(shù)據(jù)。采用Excel表格圖形化表達不平衡量后，對不平衡量參數(shù)進行統(tǒng)計，并將其上傳輸輸入至指定區(qū)域內(nèi)，依靠Excel編程算法自動得出不平衡量的散點圖，基于該不平衡量分布散點圖則可直接性判斷是否需進行優(yōu)化修正。在不平衡量圖形化表達及優(yōu)化修正期間應(yīng)注意，若存在多臺頂尖孔加工設(shè)備，此時還可采用Excel表格編程方式確認多臺頂尖孔加工設(shè)備之間的差異，不平衡量圖形表現(xiàn)為分團聚集特征時，則可根據(jù)該特征分析設(shè)備不同，以便人員針對性調(diào)查排故。

采用Excel表格編程方式采集發(fā)動機曲軸動平衡數(shù)據(jù)時，若發(fā)現(xiàn)不平衡量參數(shù)不佳，甚至已超出修正區(qū)間，此時需對曲軸前端頂尖孔坐標(biāo)進行調(diào)整，結(jié)合頂尖孔坐標(biāo)參數(shù)編制Excel表格編程算法，借助算法而自動化得出曲軸中心孔補償量參數(shù)，并以此為依據(jù)對不平衡量分布狀態(tài)加以調(diào)整，繼而確保所得出的補償量參數(shù)能夠被用于優(yōu)化修正動平衡?？傮w來看，Excel表格編程方式綜合考慮了曲軸前端與后端的具體情況，僅按照前端與后端實際情況補償相同量即可，以此確保曲軸前端與后端中心孔能夠處于同軸狀態(tài)下，繼而高效率、低成本的完成曲軸動平衡優(yōu)化調(diào)整操作[5]。

6 結(jié)語

綜上所述，幾何中心孔工藝是汽車發(fā)動機曲軸加工常用方式，但在具體加工期間發(fā)現(xiàn)應(yīng)用該加工工藝可能出現(xiàn)曲軸毛坯動平衡波動現(xiàn)象，極大影響了汽車發(fā)動機曲軸加工穩(wěn)定性。針對該問題，可結(jié)合幾何中心孔加工工藝與Excel編程方法對曲軸動平衡問題進行優(yōu)化，可視化、圖形化呈現(xiàn)曲軸動平衡修正優(yōu)化過程，用于改善傳統(tǒng)工藝辦法，為汽車發(fā)動機曲軸加工提供助力。

參考文獻：

[1]魏宜，彭傳兵，吳松，等.曲軸動平衡原理及工藝規(guī)劃[J].內(nèi)燃機，2020（06）：22-28.

[2]張發(fā)貴，唐靈聰. 淺析發(fā)動機曲軸動平衡問題及對策[C]//中國汽車工程學(xué)會（China Society of Automotive Engineers）.2020中國汽車工程學(xué)會年會論文集（5）.機械工業(yè)出版社（China Machine Press），2020：272-276.

[3]朱生長，盧耀輝，王子豪，何宇.Ⅴ型多缸柴油機曲軸動平衡當(dāng)量環(huán)質(zhì)量計算及分析[J].大連交通大學(xué)學(xué)報，2020，41（03）：41-45.

[4]李慧玲.曲軸機加工過程中動平衡常見問題案例解析[J].時代汽車，2020（05）：97-99.

[5]趙兵，羅遠新，王勇勤，等.曲軸加工的迭代定心法研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2019，33（04）：61-66.