曲轴相位角测量误差分析及消除措施

李海国 张小菊

(山东滨州海得曲轴有限责任公司，山东256615)

曲轴是发动机中关键的零件之一，对其各项参数要求都比较严格。三拐、六拐等曲轴连杆颈相位角呈120°分布，相位角误差和回转半径误差相互关联，而且对二者的误差要求非常严格，因此这两项的加工和测量都比较复杂。本文以六拐曲轴为例，分析了连杆颈120°相位角的测量误差及误差消除措施。

1 图纸技术要求

图1为六拐曲轴回转半径和相位角的技术要求。

从1图中可以看出：

(1)六处连杆颈(Ⅰ-Ⅵ)的回转半径为R(65±0.08)mm；

(2)连杆颈Ⅰ和Ⅵ，Ⅱ和Ⅴ，Ⅲ和Ⅳ同轴；

(3)连杆颈Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ对连杆颈Ⅰ相位角为120°±30′。

上述三项中，(1)、(2)两项测量比较简单，且基本不受其他尺寸误差的影响(受主轴颈和连杆轴颈尺寸的影响，但由于轴颈尺寸公差很小，仅为0.019 mm，几乎可以忽略不计)。第(3)项为空间角度误差，测量比较复杂，且测量结果受回转半径误差的影响，存在一系统误差。

图1 六拐曲轴回转半径和相位角技术要求Figure 1 Technical requirement of six turns crankshaft gyration radius and phase angle

2 相位角测量方法及误差分析

当前国内外先进的曲轴生产线上的相位角测量普遍采用ADCOLE、HOMMEL等先进的曲轴综合测量仪自动检测。而中小企业大多采用手工测量，一般是用两个等高V形块、自制标准垫块、百分表架(带百分表)、测量平台等进行测量。

测量方法如图2所示。将图中曲轴的第1、7主轴颈放到两个等高V形块上，将自制标准垫块垫到第Ⅰ连杆颈的下面，该垫块的设计厚度使第Ⅱ连杆颈轴线在理论上与第1、7主轴颈的公共轴线等高，V形块、百分表架、自制标准垫块与测量平台接触。

1—自制标准垫块 2—等高V形块 3—曲轴 4—百分表架

用百分表测得主轴颈与连杆颈的高度差，测量值与理论高度差比较的差值为Δh2，即可求得第Ⅱ连杆颈轴线对第Ⅰ连杆颈的相位角偏差Δα2：

Δα2≈arcsin(Δh2/RⅡ)

式中，RⅡ为第Ⅱ连杆颈轴线的回转半径。

由上述测量方法测Δα2的值为间接方法测得，其中第Ⅰ、Ⅱ连杆颈的轴颈尺寸偏差和第1、7主轴颈的尺寸偏差均会导致测量产生误差，进而对Δα2测量的精确性产生影响。但由于主轴颈和连杆颈轴颈尺寸公差很小，仅为0.019 mm，几乎可以忽略不计；而且第Ⅱ连杆颈轴线处于与第1、7主轴颈公共轴线等高的位置，所以第Ⅱ连杆颈轴线回转半径的误差对Δα2测量几乎不产生影响。这样测得的Δα2值就包括了第Ⅱ连杆颈对第Ⅰ连杆颈的实际相位角误差Δα2′和第Ⅰ连杆颈轴线回转半径误差引起的测量误差Δα2″，即：

Δα2=Δα2′+Δα2″

假设第Ⅰ连杆颈回转半径存在一偏差ΔRⅠ，则必然会使第Ⅱ连杆颈相位角产生偏差角Δα2″，由图3可得到：

Δα2″=∠OBC-∠OAC

=60°-arcsin(OC/OA)

=60°-arcsin[RⅠsin60°/(RⅠ+ΔRⅠ)]

式中，RⅠ为第Ⅰ连杆颈回转半径。

本文中六拐曲轴的RⅠ=65 mm，ΔRⅠ=0.08 mm(最大时)，可求得Δα2″=7.3′。计算得出该连杆颈相位角最大测量误差为7.3′，而图纸设计要求为20′，测量误差约为设计值的1/3。若不考虑回转半径误差对相位角测量的影响，则必然会影响对产品合格率的判断。在实际检验中如果都不考虑回转半径误差的影响，就会大量产生误判和错判，这是绝对不允许的。

图3 第Ⅰ连杆颈回转半径误差对相位角测量误差的影响Figure 3 Effect of the first connecting rod neck gyration radius error on phase angle measure error

3 相位角测量误差的消除措施

对于一批曲轴，ΔRⅠ是随机量，因而Δα2″也是随机量。若用逐条测量ΔRⅠ值的计算方法去排除Δα2″，在实际测量中显然是不现实的。为解决测量误差问题，我们设计了一种新型测量垫块，利用它彻底消除了ΔRⅠ的影响，从而也就不存在Δα2″。图4为采用新型测量垫块的示意图。

如图4所示，与传统测量方式不同之处只是将自制测量垫块改为新型测量垫块。该垫块与V形块通过螺钉和销相联接，垫块的60°斜面及安装尺寸必须使第Ⅱ连杆颈轴线处于与第1、7主轴颈公共轴线等高的位置。这样，第Ⅰ连杆颈轴线回转半径及误差方向与新型测量垫块的60°斜面平行，因此在测量中完全消除了Δα2″的影响，使得测量结果更准确。

图4 用新型测量垫块测量相位角Figure 4 Phase angle measured by new type measuring chock

使用这种方法要注意，新型测量垫块的60°斜面厚度应比连杆颈宽度小(10～15)mm，垫块结构尺寸应与曲轴轴向长度相匹配。

4 结语

使用新型测量垫块的测量方法应用方便，弥补了原测量方式的不足，有效消除了曲轴相位角测量误差。可广泛使用于曲轴连杆颈的测量。

[1]花国樑主编.互换性与测量技术基础.北京：北京理工大学出版社，2003.

[2]国家机械工业局.JB/T6727-2000内燃机曲轴 技术条件.2000.

[3]国家机械工业局.JB/T51049-1999内燃机曲轴 产品质量分等.1999.

[4]中华人民共和国国家监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.GB/T1958-2004产品几何量技术规范(GPS)形状和位置公差 检测规定. 2004.