连杆大小头孔中心线平行度检测方法

张文睿

（中北大学，山西 太原 030051）

0 引言

连杆是发动机的核心部件，连接活塞和曲轴，将作用在活塞上的燃烧气体压力传给曲轴，输出扭矩［1］。工作过程中，连杆承受活塞销传来的气体作用力以及其本身摆动和活塞组往复运动时的交变载荷［2］，机械负荷重，工作条件恶劣［3］。连杆大小头孔轴线的平行度直接影响活塞销与曲轴中心线的平行度和与汽缸中心线的垂直度，使活塞在汽缸中产生前、后倾斜而间隙不一致［4］，从而导致活塞连杆组产生偏磨［5］，加速了机件的磨损［6］，严重时会产生拉缸；连杆扭曲将造成窜油、窜气，使发动机动力下降，经济性差，使用寿命缩短；活塞在汽缸内运动不规则，还会发生前、后摇摆，撞击汽缸壁产生敲缸。

目前通用的连杆检测方法大致有通用量具测量方法、专用测量台测量方法和光电自动化设备测量方法［7］。

1 连杆两孔中心线平行度测量的基本原理

1.1 孔中心线平行度要求

如图1所示，连杆以大、小孔中的一个孔轴线为基准，另一轴线理论上应处于平行于基准轴线且距离x的准确位置上，允许误差是以理论值为圆心的一个圆柱空间［8］，因此轴线的实际位置处于该圆柱空间内即认为是满足设计精度要求的。

1.2 测量原理

连杆大小头孔的中心线本身并不存在于杆身上，而是设计、加工、测量时假想的一条基准线，用来形象地描述孔的理论位置和形状。因此在测量时也不可能直接测到这条中心线，而是通过测量其他参数计算该中心线的位置，即连杆孔中心线平行度实际上描述的是连杆两孔内壁的平行度和内壁对应位置的间距。

图1 中心线平行度

从测量方法上区分，主要根据是否采用心轴，分为孔内壁测量法和心轴引出测量法。孔内壁测量法通过测量该孔某一截面的内壁，计算该截面的圆心。既可以测量多个圆心连线获得孔的实测中心线，再进行判断；也可以测量另一孔对应截面圆心位置直接进行比较。心轴引出测量法是用一心轴从孔内穿过，并保证孔内壁与心轴本身贴合良好，认为心轴的中心线就是孔的中心线。在测量中往往又认为心轴本身是理想的圆柱体，将两心轴外壁某一截面的平行度视为两孔中心线的平行度。

从采用的测量工具上区分，主要分为机械仪表测量和电控测量两种。机械仪表测量大多采用千分表，通过观察其指针跳动来读数。电控测量主要是指测量探头输出电流或者电压信号，通过一系列电信号处理换算为被测量量，也有直接采用三坐标测量仪等通用测量仪器进行测量。

2 通用量具测量方法

采用通用的夹具、定位装置和测量仪表组合对连杆的若干距离参数进行测量，通过判断其相互位置关系确定连杆孔平行度是否满足精度要求。如图2 所示，用千分表配合伸缩触头直接测量连杆孔内壁，测量精度可达到0.01mm，重复精度≤0.005mm。这是最基本最直观的测量方法，具有很强的灵活性，并且只要测量方法得当，也能满足测量精度的要求。缺点是一般操作较为复杂，甚至与检测人员的技术水平直接相关，并且很难实现大批量检测。

图2 千分表直接测量连杆平行度误差

通常情况下，为了便于测量并且进一步提高测量精度，需要使用心轴，将测量孔内壁改为测量心轴的外表面，图3为用心轴测量两孔平行度［9］的一种方法。用心轴穿过连杆两孔，并与孔紧密贴合，认为心轴本身的轴线与孔中心线重合。使用千分表分别测量两个相互垂直方向的平行度误差，测量中需要工件本身稍作摆动，通过千分表读数的最大值确定该方向上轴线的位置，两千分表读数分别加设定的基准距离即为该方向两轴的实测距离，进一步计算得到两轴线的平行度误差。

图3 心轴法测量连杆平行度误差

3 专用测量台测量方法

鉴于通用量具测量方法的复杂性，又考虑到连杆生产通常批量较大，所以在通用量具测量的基础上，通过对测量仪器进行整合，设计专用夹具或测量台架，将量具与夹具相对固定后即成为专用测量台。专用测量台测量方法往往与通用量具测量方法在测量原理上非常接近，只是测量工作更加简便，同时能够降低人为测量误差，提高测量准确性。通过合理设计还能在测量两孔中心线平行度的同时测量其他相关参数。

图4是一种连杆平行度的检测装置［10］。在底座上固定有平行设置的芯棒和竖直设置的支撑板，连杆一段的轴孔能够套设在芯棒一上，另一端的轴孔上能够穿设芯棒二，连杆两侧设置测量仪表，在支撑板上设有能够带动仪表移动的滑动机构。当滑动机构同时带动两个千分表从芯棒二上划过时，分别读取两千分表的最大值，就可以得到在这个方向上两孔平行度误差值。同理可以得到另一个方向的平行度误差，进而获得最终的检测结果。通过对图4进行改进，可以在一次装夹中完成整个测量过程，如图5所示。

图4 连杆平行度的检测装置

图5 改进后连杆平行度的检测装置

总体来说这类测量方法原理简单，能够达到较高的测量精度，但是依然需要较大的工作强度，而且依旧存在较大的人为误差。

4 光电自动化设备测量方法

随着传感器技术的发展，连杆检测也逐渐向着自动化的方向发展。出现了由微机控制、采用传感器的多参数综合量仪［11］，在测量精度和测量效率上都有了显著的提高。通过合理安排传感器，一次装夹可以同时测量若干个待测参数，获得10多项甚至20多项尺寸误差、形位误差类参数。而随着传感器本身的模块化、集成化，用户可以更方便地选择被测量，按照测量需要安装需要的组件，即可以全部选用传感器，也可以与传统量具相结合。

图6是一种智能连杆测量系统的示意图［12］。该设备在两个测量柱中共布置了20个电感传感器，将测量柱放入待测连杆中，采集这20个点的位置信息，经过计算就可以得到两孔平行度误差。

图6 智能连杆测量系统示意图

除电控传感器之外，还有采用气动测量法、三坐标测量机测量、光电测量等等。气动量仪测量连杆两孔的平行度［13］，需要在每个被测方向上分别至少有8个喷嘴分别组成两组气路连接到两台量仪上，且只能定性评定精度，不能定量评定误差大小、方向和位置。三坐标测量机（CMM）是一种典型的通用测量方法，并且已广泛应用于制造业。虽然本身是一种先进的测量仪器，但是在实际使用中由于其对工作环境的严格限制，很难实现大批量的检测。另外从生产成本的角度也并不划算，不能满足一般生产要求。光电测量方法使用激光光源和高精度CCD 作为主要测量元件，一般由激光束照射幕布靶面，用高精度CCD 相机拍摄相应的激光光斑位置，根据每个光斑在CCD 上的像素关系进行测量。该方法适用于长工件、大口径的情况，而连杆头孔深度小，很少使用这种方法。

5 展望

随着发动机性能的不断提升，对连杆本身制造、检测的精度要求也不断提高，需要更为快速、可靠的连杆检测方法和设备。使用光电传感器对连杆进行自动化检测将会是连杆几何参数测量的主要发展趋势。

［1］ 陈家瑞.汽车构造［M］.第3版.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ 江敏.B3E汽油机连杆的有限元分析［D］.大连：大连理工大学，2003：2.

［3］ Hiroshi Yamagata.The science and technology of materials in automotive engines［M］.［s.l.］：Woodhead publishing limited，2005：222－223.

［4］ Lee Moon Kyu，Lee Hyungyil，Lee Tae Soo，et al.Buckling sensitivity of a connecting rod to the shank sectional area reduction［J］.Materials and Design，2010，31（6）：2796－2803.

［5］ Jung Ho Son，Sung Chan Ahn，Jong Gug Bae，et al.Fretting damage prediction of connecting rod of marine diesel engine［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2011，25（2）：441－447.

［6］ Turhan K Koser.Parametric stability of continuous shafts，connected to mechanisms with position－dependent inertia［J］.Journal of Sound and Vibration，2004，277（1－2）：223－238.

［7］ 高晓婧，崔建英.连杆几何参数测量方法综述［J］.仪器仪表学报，2008，29（4）：330－335.

［8］ 刘品，李哲.机械精度设计与检测基础［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.

［9］ 王军山.位置误差检测实例［J］.山东农机化，2005（12）：18.

［10］ 李红兵，肖建华.连杆平行度的检测装置：中国：200920308016.3［P］.2010－09－15.

［11］ 于靖华.柴油机连杆加工误差综合检测装置设计［J］.机械设计与制造，2007（5）：33－35.

［12］ 高晓婧.连杆几何参数综合测量方法的研究［D］.北京：北京交通大学，2009：3－21.

［13］ 谢诚.连杆两孔轴线平行度气动测量方法的探讨［J］.汽车工艺与材料，1992（11）：42，45.