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发动机平衡轴衬套压装质量问题分析
2018-02-25 13:45:09·
为了满足社会对车辆噪声和振动的更高要求，设计师们采用了多种方案来使发动机运行更平稳，让车辆的行驶得更舒适。为此，平衡轴技术作为一项十分重要的技术在轿车上得到广泛应用。本文对某发动机平衡轴衬套压装设备的压装方案进行剖析，对其存在的问题提出了解决方案。
发动机处在工作状态时，活塞的运动速度极快，且速度不均匀。活塞在发动机气缸上下止点的运动速度为零，在上下止点中间位置的速度则达到最高。活塞在气缸内做高速往复直线运动，因此会在活塞、活塞销和连杆上产生较大的惯性力。在连杆上增加的配重可以有效等平衡这些惯性力，由于这部分增重只有部分参与直线运动，另外一部分参与旋转运动，因此，除在上下止点外，其他状态惯性力不能完全达到平衡状态，故发动机产生振动。
活塞上下运动一次，发动机产生一上一下两次振动，因此发动机转速和发动机的振动频率息息相关。在振动理论上，经常使用多个谐波振动来描述发动机的振动。随着振动频率的增大，振幅逐渐减小，发动机二阶以上的振动可以忽略不计。发动机70%以上的振动为一阶振动，为了消除这些振动，设计者采用了很多方法，例如采用轻质的活塞减少运动件的质量、提高曲轴的刚度以及采用“V”型布置发动机等。增加平衡轴也是解决发动机拉缸故障的办法之一，其实质是一个装有偏心重块并随曲轴同步旋转的轴，利用偏心重块所产生的反向振动力使发动机获得良好的平衡效果。目前，此项技术在发动机上得到广泛的应用，可以大大降低发动机的振动和噪声。
平衡轴结构特点
1.平衡轴的作用
平衡轴分为单平衡轴和双平衡轴两种。单平衡轴利用齿轮传动方式进行工作，通过曲轴旋转带动固连的平衡轴驱动齿轮、平衡轴从动齿轮以及平衡轴。单平衡轴可以平衡占整个振动比例相当大的一阶振动，使发动机的振动得到明显改善。单平衡轴结构简单，占用空间小，因而广泛应用在单缸和小排量发动机中。而双平衡轴则采用的是链传动方式带动两根平衡轴转动，其中一根平衡轴的转速与发动机相同，能够消除发动机的一阶振动;另一根平衡轴的转速是发动机的两倍，能够消除发动机的二阶振动，从而达到更加理想的减振效果。因为双平衡轴的结构较复杂，占用较大的发动机空间且成本较高，因此常用于大排量发动机上。另外，双平衡轴还存在一种双对旋布置方式，将两个平衡轴与气缸中心线呈对称布置，两平衡轴转速与曲轴转速相同但旋转方向相反，用来平衡发动机的一阶振动。
发动机安装平衡轴后能够较好地平衡和减少发动机的振动，从而实现降低发动机噪声、延长使用寿命和提升驾乘者舒适性的目的。
2.衬套的作用
在运动部件中，因为长期的磨擦易造成零件的磨损，当轴和孔的间隙磨损到一定程度时，轴或者轴座就会报废。因此，在轴类配合运动中很多设计者会在轴和轴座之间增设硬度较低、耐磨性较好的轴套或衬套，以减少轴和座的磨损，当轴套或衬套磨损到一定程度时进行更换，从而节约因更换轴或轴座的成本。发动机平衡轴在设计过程中考虑到此项技术，在发动机缸体内压装平衡轴衬套，以达到增加平衡轴及发动机缸体寿命的目的。
3.油孔偏差对性能的影响
平衡轴在旋转运动过程中，需要具有良好的润滑，否则，平衡轴内供油效果不好，会造成平衡轴抱死现象;轴和轴套之间出现干摩擦状况，平衡轴和轴套将会很快报废，对发动机造成不可修复的损伤。因此，平衡轴衬套油孔与发动机机体油孔应存在一定的位置度要求，如位置偏差较大将会导致油路不畅，易造成平衡轴抱死甚至平衡轴及平衡轴衬套报废现象。
缸体平衡轴压装问题分析
图1所示为某款发动机平衡轴压装位置示意图。在某工厂平衡轴压装机安装调试初期，该发动机一直存在一个现象，即：进气侧平衡轴衬套油孔与缸体油道的位置关系较好，能很好贯通;而排气侧平衡轴衬套油孔与缸体油孔的贯通性较差，甚至完全不对应，难以满足产品要求。
1. 产生原因
平衡轴衬套的上料方式为自动上料，油孔位置由平衡轴衬套油孔定位销保证，如图2、图3所示。
在压装时，平衡轴先自动上料到压头处。由于衬套上料后，衬套油孔的位置不能保证在正确位置，因此需要进行姿态调整。此时，衬套随转动轮转动，如定位销插入衬套油孔内，则衬套不再随转动轮转动，并将信号传送给设备，设备得到信号后，衬套压头伸出，定位销退回，平衡轴衬套的压装到位。
经观察分析发现，排气侧平衡轴衬套在压装前，定位销插入衬套内(见图4)，但压装后衬套油孔与缸体油道之间总是存在位置偏差，归结其原因如下：
(1) 定位销压紧力不足
在压头伸出过程中衬套位置移动。
(2) 压头直径偏小
压头伸出后，衬套与压头间隙较大，造成衬套位置移动。
(3) 压头处衬套定位球
如图5所示，压力过大或过小，衬套在压头上的位置移动。
(4) 定位销位置在压头周向位置出现偏差
当压头伸出时，压头上定位球对衬套重新定位，造成衬套位置移动。
(5) 定位销位置轴向均有偏差
当压头伸出时，压头上定位球对衬套重新定位，造成衬套位置移动。
(6) 压头形成过大或过小
导致衬套油孔与缸体油孔位置存在偏差。
2. 解决措施
针对以上可能导致衬套油孔偏差的原因，逐项进行分析排查：
(1)加大定位销压紧力
压紧力增大后，衬套转动困难，定位销长时间未插入衬套油孔内，造成设备报警停机。
(2)改变压头直径
减小压头与衬套之间的间隙。压装后，衬套油孔与缸体油孔之间的位置度仍难以保证。
(3)改变压头定位球的压力
压力过小不能起到定位作用，压装质量更差;压头直径过大，在压头进入衬套过程中定位球返回困难，造成衬套位置变化，不能保证衬套油孔与缸体油孔之间的位置度。
(4)调整定位销在压头周向的位置
衬套油孔位置与缸体油孔的位置差有所改变，但压装一致性较差。
(5)调整定位销在压头轴向位置
与调整周向位置出现相同情况，位置有所改善，但一致性较差。
(6)调整压头
衬套油孔与缸体油孔的位置差变差，说明前期压头行程正确，不需调整。
经多次调整发现，衬套油孔与缸体油孔位置受定位销位置、定位销伸出力、压头与衬套间隙、定位球伸出力以及定位球直径等多方因素的影响。因此，为保证衬套油孔与缸体油孔位置，需综合调整以上参数，方能保证衬套油孔与缸体油孔的位置关系。
结语
上述方案虽能进一步提高衬套的压装质量，但为了最大限度地保证产品质量，还需在缸体压装后增加在线检测工位，对压装后的衬套进行100%检测，从而确保下线缸体平衡轴衬套油孔与缸体油道的相对位置关系。
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