摩托车发动机曲柄连杆机构动平衡测试及数据处理的研究
|
摘要
不平衡是指转子相对于其旋转轴质量分布不均匀，改变转子质量分布以使它相对于旋转轴分布均匀是恢复平衡的要求。转子或转轴的制造不可能达到使它们的质量分布相对于旋转轴完全均匀的程度，因此，必然在运行中表现出不平衡。不平衡将会在轴承上产生周期性惯性力，导致轴承疲劳，进而损坏机器设备。平衡（使转子质量分布均匀）的目的并不是完全消除转子不平衡，而是将其降低至容许范围内。恢复平衡需要将一定数量的不平衡量（克?厘米）加在转子固有不平衡量的相反位置上，故平衡的过程涉及不平衡量大小的补偿值的决定，及补偿值的正确定位。
曲轴作为结构特殊的刚性转子，在运行中总是与连杆，滑块一起构成一个整体的曲柄连杆机构。由于有往复质量的影响，曲柄连杆机构不可能达到完全的平衡，有其特殊性，因此其理论在动平衡领域内占有特殊地位。本论文针对摩托车发动机曲柄连杆机构为研究对象，对曲柄连杆机构动平衡的测试提出了一种新方法，并对其数字化测试装置进行了深入研究，完成的主要工作及取得的成果如下：
首先，对动平衡理论进行了详细的探讨，论述了不平衡产生的原因，不平衡种类及转子在不平衡量产生的惯性力激励下的运动规律，并对曲轴这一结构特殊的刚性转子的平衡理论进行了阐述，重点研究了曲柄连杆机构这一往复式机械构件的力学特性。
其次，通过对当前国内外曲柄连杆机构动平衡实验的现状及其存在问题的分析研究，提出了一种新的测试方法：在工作原理上采用硬支承型测力式动平衡机，在测量方法上应用互成900的两点测量来失量合成任意一点旋转惯性力大小及方向，这也是也是其不同于以往试验机的最大之处。提出了新型实验方法所采用实验装置的测试原理和数学模型。
第三：得到了一个结论：在设计制作曲柄连杆机构动平衡测试装置时，必须考虑这一受力情况，即连杆在作平面运动时，其自身的惯性力（不通过回转中心）与汽缸对活塞的反作用力二者之间形成的力偶将会对弹性支承元件产生扭矩的作用。
最后，对测试过程中数据采集、数据定标、数据处理进行了详细研究，利用强大的Microsoft Visual C++ 6.0中的APPWIZARD与IPC5432数据采集卡自带的IPC5432.OCX应用程序接口控件开发适用于本试验机的测试应用程序。
Unbalance means the non-uniform distribution of the mass of a rotor about its axis of rotation. Redistributing the mass (weight) more uniformly is necessary to restore balance. No rotor, or shaft can be manufactured with perfectly uniform weight distribution. Hence, all such components will display some degree of unbalance. Unbalance damages machinery by imposing cyclic forces on bearings and shafts that lead to fatigue failure. The purpose of "balancing"-of restoring uniformity of mass distribution insofar as possible-is not to eliminate all rotating system unbalance, but to bring it down to a tolerable level. To restore balance, that same number of gram-centimeters must be added to the assembly 180 degrees away. The balancing process, then, involves determining the number of gram-centimeters to be compensated for, and locating the proper angular position at which to add such compensation.
As a rigid rotor with special configuration, the crank is always integrated with its accessory components such as shaft and piston when it is under working conditions. So, with the reciprocal mass of this combinational equipment, the dynamic unbalance of the crank has the special status in the field of the unbalance theory. This dissertation has presented a new method on the measuring and checking procedures of the dynamic unbalance of the motorcycle crank and made a deep research on its measuring device. What have been done is as follows:
Firstly, the dissertation has thoroughly discussed the basic theory of rotor unbalance such as its varieties ，characters and rules of the movement which is under the excitation of the inertial force and inertial moment induced by the unbalance mass. It also has deeply expounded the dynamic mechanics of the specially formed components —crank, especially in the area of the crank integrated with shaft and piston.
Secondly, based on the defects of the uptodate balancing machine which were employed in the motorcycle manufacture plants, this dissertation has presented a new method on the means of checking unbalance mass of the motorcycle engine crank set. It has adopted the hard-bearing balancing machine as the prototype，utilized tow group of resistance sensors placed in vertical direction with one another to pick up the information which stand for the inertial force of the motor engine crank set when it is running. Furthermore, on the theoretics of the balancing machine and associations with the practicalities of the motorcycle crank, it has reasoned out the test principles and
mathematic model of the unbalance mass checking device of the motorcycle engine crank set, which is supported by the new method.
Thirdly , a conclusion has been settled down in this dissertation: Because the shaft inertial force vector do not pass the center of the rotating center of the system, there is a moment generated by the shaft inertial force and the counterforce of the cylinder wall to counterbalance the pressure which is imposed by the piston, so, it is important to consider the tortile effect on the flexible supporting component of the balancing machine dedicated to motorcycle crank set, which is originated by the moment.
Finally, this dissertation has made an exhaustive research on the data sampling and data processing. Based on the powerful APPWIZARD of the Microsoft Visual C++ 6.0 and the IPC5432 controls used as the application interface between the computer and the multifunctional data sampling board, this dissertation has developed the unbalance mass checking software which is applied into this balancing prototype machine.
曲轴作为结构特殊的刚性转子，在运行中总是与连杆，滑块一起构成一个整体的曲柄连杆机构。由于有往复质量的影响，曲柄连杆机构不可能达到完全的平衡，有其特殊性，因此其理论在动平衡领域内占有特殊地位。本论文针对摩托车发动机曲柄连杆机构为研究对象，对曲柄连杆机构动平衡的测试提出了一种新方法，并对其数字化测试装置进行了深入研究，完成的主要工作及取得的成果如下：
首先，对动平衡理论进行了详细的探讨，论述了不平衡产生的原因，不平衡种类及转子在不平衡量产生的惯性力激励下的运动规律，并对曲轴这一结构特殊的刚性转子的平衡理论进行了阐述，重点研究了曲柄连杆机构这一往复式机械构件的力学特性。
其次，通过对当前国内外曲柄连杆机构动平衡实验的现状及其存在问题的分析研究，提出了一种新的测试方法：在工作原理上采用硬支承型测力式动平衡机，在测量方法上应用互成900的两点测量来失量合成任意一点旋转惯性力大小及方向，这也是也是其不同于以往试验机的最大之处。提出了新型实验方法所采用实验装置的测试原理和数学模型。
第三：得到了一个结论：在设计制作曲柄连杆机构动平衡测试装置时，必须考虑这一受力情况，即连杆在作平面运动时，其自身的惯性力（不通过回转中心）与汽缸对活塞的反作用力二者之间形成的力偶将会对弹性支承元件产生扭矩的作用。
最后，对测试过程中数据采集、数据定标、数据处理进行了详细研究，利用强大的Microsoft Visual C++ 6.0中的APPWIZARD与IPC5432数据采集卡自带的IPC5432.OCX应用程序接口控件开发适用于本试验机的测试应用程序。
Unbalance means the non-uniform distribution of the mass of a rotor about its axis of rotation. Redistributing the mass (weight) more uniformly is necessary to restore balance. No rotor, or shaft can be manufactured with perfectly uniform weight distribution. Hence, all such components will display some degree of unbalance. Unbalance damages machinery by imposing cyclic forces on bearings and shafts that lead to fatigue failure. The purpose of "balancing"-of restoring uniformity of mass distribution insofar as possible-is not to eliminate all rotating system unbalance, but to bring it down to a tolerable level. To restore balance, that same number of gram-centimeters must be added to the assembly 180 degrees away. The balancing process, then, involves determining the number of gram-centimeters to be compensated for, and locating the proper angular position at which to add such compensation.
As a rigid rotor with special configuration, the crank is always integrated with its accessory components such as shaft and piston when it is under working conditions. So, with the reciprocal mass of this combinational equipment, the dynamic unbalance of the crank has the special status in the field of the unbalance theory. This dissertation has presented a new method on the measuring and checking procedures of the dynamic unbalance of the motorcycle crank and made a deep research on its measuring device. What have been done is as follows:
Firstly, the dissertation has thoroughly discussed the basic theory of rotor unbalance such as its varieties ，characters and rules of the movement which is under the excitation of the inertial force and inertial moment induced by the unbalance mass. It also has deeply expounded the dynamic mechanics of the specially formed components —crank, especially in the area of the crank integrated with shaft and piston.
Secondly, based on the defects of the uptodate balancing machine which were employed in the motorcycle manufacture plants, this dissertation has presented a new method on the means of checking unbalance mass of the motorcycle engine crank set. It has adopted the hard-bearing balancing machine as the prototype，utilized tow group of resistance sensors placed in vertical direction with one another to pick up the information which stand for the inertial force of the motor engine crank set when it is running. Furthermore, on the theoretics of the balancing machine and associations with the practicalities of the motorcycle crank, it has reasoned out the test principles and
mathematic model of the unbalance mass checking device of the motorcycle engine crank set, which is supported by the new method.
Thirdly , a conclusion has been settled down in this dissertation: Because the shaft inertial force vector do not pass the center of the rotating center of the system, there is a moment generated by the shaft inertial force and the counterforce of the cylinder wall to counterbalance the pressure which is imposed by the piston, so, it is important to consider the tortile effect on the flexible supporting component of the balancing machine dedicated to motorcycle crank set, which is originated by the moment.
Finally, this dissertation has made an exhaustive research on the data sampling and data processing. Based on the powerful APPWIZARD of the Microsoft Visual C++ 6.0 and the IPC5432 controls used as the application interface between the computer and the multifunctional data sampling board, this dissertation has developed the unbalance mass checking software which is applied into this balancing prototype machine.
引文
[1] 叶能安、余汝生 主编，动平衡原理与动平衡机，第一版，华中工学院出版社，1985年12月
[2] [日] 明石和彦、钱羽正三、下村玄 合著，金荣民、申英惠等译，动平衡实验，第一版，吉林人民出版社，1980年11月
[3] Richard L Nailen ，Learning to deal with rotor unbalance，Electrical Apparatus，Chicago， Mar 1997，Issue：3 ISSN：01901370
[4] 王汉英、张再实 等编，转子平衡技术与平衡机，第一版，机械工业出版社，1988年4月
[5] 胡正荣 编，平衡机的设计与应用，第一版，国防工业出版社，1988年4月
[6] 卢文祥、杜润生 编，机械工程测试·信息·信号分析，第2版，华中理工大学出版社，1999年8月
[7] [英]T．Ｊ．特雷尔 著，程佩青译，数字滤波器引论，第一版，清华大学出版社，1986年9月
[8] 寇惠、原培新 编，故障诊断中的振动信号处理，第一版，冶金工业出版社，1989年8月
[9] 肖作善 编，工程数据处理及其微机电算，第一版，水利电力出版社，1990年3月
[10] 平鹏 编著，机械工程测试技术与数据处理技术，第一版，冶金工业出版社，2001年4月
[11] Richard L Nailen，Checking and correcting rotor unbalance ，Electrical Apparatus， Chicago，Jan 2001，Issue：1 ISSN：01901370
[12] Bury St. Edmunds，Faster, easier small-batch balancing， Professional Engineering; May 2，2001，Issue：8 ISSN：09536639
[13] 林洪桦 编著，动态测试数据处理，第一版，北京理工大学出版社，1995年10月
[14] 顾惠琳、王斌耀 编，工程力学，第一版，同济大学出版社，2002年1月
[15] 北京康拓工业电脑公司，IPC5000系列测试软件使用说明书，99年8月印制
[16] 北京康脱工业电脑公司，IPC5432．OCX控件使用说明
[17] 北京康脱工业电脑公司，IPC5000系列工业控制机使用说明书
[18] 吴延海 主编，微型计算机接口技术，第一版，重庆大学出版社，1997年7月
[19] DELTA ELECTRONICS INC．，中国台湾，VFD－M变频器使用手册
[20] 黄树红、徐煜兵、贺国强等，多功能轴系动平衡及振动分析，振动与冲击，Vol．19
No．1 2000
[21] 岳明君、张强等，曲轴的高精度动平衡，内燃机，1998年第2期
[22] Frank Fullone，Toolholder balance can be critical，Manufacturing Engineering;，Dearborn，
Dec．2000，Issue：6 ISSN：03610851
[23] 周维新，曲轴动平衡活塞连杆组当量质量的计算，西安公路交通大学学报，Vol．19
No．4，Oct．1999
[24] 周保堂、贺世正，用单平衡头实现挠性转子在线动平衡的研究，石油化工设备，第23卷，第2期，1994年
[25] 徐平、周保堂，整机和在线动平衡技术的现状，化工装备技术，第16卷，第1期，1995年
[26] Projection welding puts new spin on drive shaft balancing，Welding Design & Fabrication, Including Welding Engineer; Cleveland; Nov 2001，Issue：11 ISSN：00432253
[27] 律金凯、李连香，回转体静平衡的新方法,工具技术，Vol．32 No．２，1998
[28] Elizabeth M ＭcPhail，Single plane digital balancing machine，Modern Machine Shop， Cincinnati，Oct．2000，Issue：5 ISSN：00268003
[29] 许建国, 变频器调频技术的应用，武汉纺织工学院院报，Vol．9 No．2，Oct．1996
[30] 杨再生、刘伟，西门子6SE36系列变频器控制原理及应用，黑龙江纺织，2001年6月（第2期）
[31] 谈德世，一种新的曲轴动平衡机,华中理工大学学报，Vol．23 No．3，Mar．1995
[32] 屈梁生、邱海，全息动平衡技术，中国机械工程，Vol．9 No．1，1998
[33] 唐一科、顾乾坤，软支承动平衡机的CAB技术研究，中国机械工程，Vol．5 No．6，1994
[34] 姜云礼、伊善奎 等，提高摩托车发动机曲轴质量的工艺措施，小型内燃机，1998年（第27卷）第1期
[35] 张义夫、高殿成, 挠性转子动平衡，东北林业大学学报，第27卷 第6期 1999年11月
[36] Bergstrom Robin Yale，High, high(er) speed machining，Automotive Production，Cincinnati，Feb．1996，Issue：2 ISSN：10869298
[37] 刘贵杰、黄桂丛 等，转子系统现场动平衡技术的实验研究，机械工程师，1999．２
[38] 李宇斌、刘政一、袁光远，旋转机械转子的现场动平衡，流体机械，Vol．22 No．9，Sept．1994
[39] 王振钧，转子动平衡的校验，化工装备技术，第15卷，第2期，1994年
[40] Mike Manges，Achieving the perfect balance，Modern Tire Dealer， New York， Aug．1999 Issue：８ ISSN：002688496
[41] 陈敬平、严普强，转子现场动平衡的相对影响系数法，振动、测试与诊断，第14卷第4期 1994年12月
[42] 程水生, 自动曲轴动平衡机机械系统的设计与调试，机械设计 1995 No．８
[43] 刘仁宇、余丽萍，取样—滤波数据采集技术，黑龙江大学自然科学学报，Vol．15 No．4，Dec．1998
[44] 韩余顺、马东顺，硬支承动平衡机原理及电测系统设计，东北电力学院学报，Vol．16 No．2，
Jun．1996
[45] 王忠贤、解汝升，一种简单可行的现场动平衡方法，机械工程师，1994．２
[46] 孟金锁、樊运策，矿业试验数据处理及其图形绘制，煤炭学报，Vol．19 No．4 Aug．1994
[47] 英国国家计算中心编，陈胜凡、朱景春 译，数据处理入门，第一版，科学出版社，1984．09
[48] 田铮主编，动态数据处理的理论与方法，第一版，西北工业大学出版社，1995．6
[49] 裴韬，傅立叶变换在地球化学数据处理中的应用，长春科技大学学报，1999年，第2期
[50] 黄涛，发动机点火系统的测试数据处理技术，车用发动机，1999年，第４期
[51] 汤宝平，数据采集与处理讲稿，重庆大学机械电子工程研究所
[52] 宋德朝、刘晓东，铣刀破损监测中低通数字滤波算法的研究，新技术新工艺，2000 No．１
[53] 胡贤勇，嘉陵工业037型曲柄连杆机构的动平衡测试，2002/5/15
[54] John M Jordan、Elizabeth M Gruber，Precision balancing protects valuable equipment--and the bottom line ，Modern Machine Shop; Cincinnati; Aug 2001，Issue：3 ISSN：00268003
[55] Aronson Robert B，The balance barrier，Manufacturing Engineering，Dearborn，Jan． 1997
Issue：1 ISSN：03610853
[56] Trevor M J Llewellyn、Eric Bright，Good vibrations，Manufacturing Engineering;，Dearborn，Nov． 2000，Issue：5 ISSN：03610853
[57] Professional Engineering， Bury St. Edmunds， Dynamic modelling improves balancing act，Aug 11, 1999，Issue：15 ISSN：09536639
[2] [日] 明石和彦、钱羽正三、下村玄 合著，金荣民、申英惠等译，动平衡实验，第一版，吉林人民出版社，1980年11月
[3] Richard L Nailen ，Learning to deal with rotor unbalance，Electrical Apparatus，Chicago， Mar 1997，Issue：3 ISSN：01901370
[4] 王汉英、张再实 等编，转子平衡技术与平衡机，第一版，机械工业出版社，1988年4月
[5] 胡正荣 编，平衡机的设计与应用，第一版，国防工业出版社，1988年4月
[6] 卢文祥、杜润生 编，机械工程测试·信息·信号分析，第2版，华中理工大学出版社，1999年8月
[7] [英]T．Ｊ．特雷尔 著，程佩青译，数字滤波器引论，第一版，清华大学出版社，1986年9月
[8] 寇惠、原培新 编，故障诊断中的振动信号处理，第一版，冶金工业出版社，1989年8月
[9] 肖作善 编，工程数据处理及其微机电算，第一版，水利电力出版社，1990年3月
[10] 平鹏 编著，机械工程测试技术与数据处理技术，第一版，冶金工业出版社，2001年4月
[11] Richard L Nailen，Checking and correcting rotor unbalance ，Electrical Apparatus， Chicago，Jan 2001，Issue：1 ISSN：01901370
[12] Bury St. Edmunds，Faster, easier small-batch balancing， Professional Engineering; May 2，2001，Issue：8 ISSN：09536639
[13] 林洪桦 编著，动态测试数据处理，第一版，北京理工大学出版社，1995年10月
[14] 顾惠琳、王斌耀 编，工程力学，第一版，同济大学出版社，2002年1月
[15] 北京康拓工业电脑公司，IPC5000系列测试软件使用说明书，99年8月印制
[16] 北京康脱工业电脑公司，IPC5432．OCX控件使用说明
[17] 北京康脱工业电脑公司，IPC5000系列工业控制机使用说明书
[18] 吴延海 主编，微型计算机接口技术，第一版，重庆大学出版社，1997年7月
[19] DELTA ELECTRONICS INC．，中国台湾，VFD－M变频器使用手册
[20] 黄树红、徐煜兵、贺国强等，多功能轴系动平衡及振动分析，振动与冲击，Vol．19
No．1 2000
[21] 岳明君、张强等，曲轴的高精度动平衡，内燃机，1998年第2期
[22] Frank Fullone，Toolholder balance can be critical，Manufacturing Engineering;，Dearborn，
Dec．2000，Issue：6 ISSN：03610851
[23] 周维新，曲轴动平衡活塞连杆组当量质量的计算，西安公路交通大学学报，Vol．19
No．4，Oct．1999
[24] 周保堂、贺世正，用单平衡头实现挠性转子在线动平衡的研究，石油化工设备，第23卷，第2期，1994年
[25] 徐平、周保堂，整机和在线动平衡技术的现状，化工装备技术，第16卷，第1期，1995年
[26] Projection welding puts new spin on drive shaft balancing，Welding Design & Fabrication, Including Welding Engineer; Cleveland; Nov 2001，Issue：11 ISSN：00432253
[27] 律金凯、李连香，回转体静平衡的新方法,工具技术，Vol．32 No．２，1998
[28] Elizabeth M ＭcPhail，Single plane digital balancing machine，Modern Machine Shop， Cincinnati，Oct．2000，Issue：5 ISSN：00268003
[29] 许建国, 变频器调频技术的应用，武汉纺织工学院院报，Vol．9 No．2，Oct．1996
[30] 杨再生、刘伟，西门子6SE36系列变频器控制原理及应用，黑龙江纺织，2001年6月（第2期）
[31] 谈德世，一种新的曲轴动平衡机,华中理工大学学报，Vol．23 No．3，Mar．1995
[32] 屈梁生、邱海，全息动平衡技术，中国机械工程，Vol．9 No．1，1998
[33] 唐一科、顾乾坤，软支承动平衡机的CAB技术研究，中国机械工程，Vol．5 No．6，1994
[34] 姜云礼、伊善奎 等，提高摩托车发动机曲轴质量的工艺措施，小型内燃机，1998年（第27卷）第1期
[35] 张义夫、高殿成, 挠性转子动平衡，东北林业大学学报，第27卷 第6期 1999年11月
[36] Bergstrom Robin Yale，High, high(er) speed machining，Automotive Production，Cincinnati，Feb．1996，Issue：2 ISSN：10869298
[37] 刘贵杰、黄桂丛 等，转子系统现场动平衡技术的实验研究，机械工程师，1999．２
[38] 李宇斌、刘政一、袁光远，旋转机械转子的现场动平衡，流体机械，Vol．22 No．9，Sept．1994
[39] 王振钧，转子动平衡的校验，化工装备技术，第15卷，第2期，1994年
[40] Mike Manges，Achieving the perfect balance，Modern Tire Dealer， New York， Aug．1999 Issue：８ ISSN：002688496
[41] 陈敬平、严普强，转子现场动平衡的相对影响系数法，振动、测试与诊断，第14卷第4期 1994年12月
[42] 程水生, 自动曲轴动平衡机机械系统的设计与调试，机械设计 1995 No．８
[43] 刘仁宇、余丽萍，取样—滤波数据采集技术，黑龙江大学自然科学学报，Vol．15 No．4，Dec．1998
[44] 韩余顺、马东顺，硬支承动平衡机原理及电测系统设计，东北电力学院学报，Vol．16 No．2，
Jun．1996
[45] 王忠贤、解汝升，一种简单可行的现场动平衡方法，机械工程师，1994．２
[46] 孟金锁、樊运策，矿业试验数据处理及其图形绘制，煤炭学报，Vol．19 No．4 Aug．1994
[47] 英国国家计算中心编，陈胜凡、朱景春 译，数据处理入门，第一版，科学出版社，1984．09
[48] 田铮主编，动态数据处理的理论与方法，第一版，西北工业大学出版社，1995．6
[49] 裴韬，傅立叶变换在地球化学数据处理中的应用，长春科技大学学报，1999年，第2期
[50] 黄涛，发动机点火系统的测试数据处理技术，车用发动机，1999年，第４期
[51] 汤宝平，数据采集与处理讲稿，重庆大学机械电子工程研究所
[52] 宋德朝、刘晓东，铣刀破损监测中低通数字滤波算法的研究，新技术新工艺，2000 No．１
[53] 胡贤勇，嘉陵工业037型曲柄连杆机构的动平衡测试，2002/5/15
[54] John M Jordan、Elizabeth M Gruber，Precision balancing protects valuable equipment--and the bottom line ，Modern Machine Shop; Cincinnati; Aug 2001，Issue：3 ISSN：00268003
[55] Aronson Robert B，The balance barrier，Manufacturing Engineering，Dearborn，Jan． 1997
Issue：1 ISSN：03610853
[56] Trevor M J Llewellyn、Eric Bright，Good vibrations，Manufacturing Engineering;，Dearborn，Nov． 2000，Issue：5 ISSN：03610853
[57] Professional Engineering， Bury St. Edmunds， Dynamic modelling improves balancing act，Aug 11, 1999，Issue：15 ISSN：09536639
© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |