高速小齿轮动平衡技术研究

马学宇

摘 要：通过对小齿轮动平衡工艺的分析与研究，找到了动平衡的影响因素，改善了平衡工艺方法，改进了平衡工装设备，确保了小齿轮动平衡真实性、稳定性。

关键词：动平衡MSE；速度敏感性；EMAR；URR

1 概述

1.1 动平衡关键因素

通过对动平衡工艺过程的分析，总结出动平衡影响关键因素。其因素分析，如图1所示。

由平衡机规格进行分析，支承重量和回转直径形成一个连续序列，可以满足中小零件平衡要求。

1.2 检定

按国标GB4201-84规定，同时参考ISO 2953-1999，以8点法进行校验。平衡转子和试验过程严格按照规范SAE ARP587B-1990 R1995、SAE ARP588B-1993、SAE ARP4050-2011、SAE ARP4048-2011等进行，确保平衡机能够获得可靠数据。

1.3 典型零件要求

回转直径：49.5mm

长度：53.6mm

重量：168.5g

平衡量：H1.15gmm J1.0gmm

从设计技术要求看，高速小齿轮对平衡精度要求较高，因此对其展开试验，确保平衡工艺能够满足要求。

2 平衡机速度敏感性试验

零件与平衡机本身的匹配状态，需要通过试验确定。通过平衡机速度敏感性试验，可以确定最佳的平衡转速。

运行速度敏感性检查确定最适宜速度的步骤如下：

（1）通过操作平衡机从900rpm开始，获得零件2个平面的平衡数据（不平衡量和角度）。对升至2100rpm的各速度重复该操作，增量为200rpm。不平衡量和角度稳定（变化值最小）的速度，之后将作为工件或MSE的运行速度。

（2）将转子放置在平衡机上，按速度做3次运行（每个速度3个读数）；每200rpm的增量进行一次测量（900-2100rpm）。

（3）分下设置，重新设置平衡机，由第2个操作者重复步骤1。

（4）评估数据，确定大小和方位恒定的速度范围。

由数据确定最稳定点的转速为1200rpm。零件可在该转速下获得最稳定的测量数据。

3 平衡机MSE试验

平衡机从其本质上看是一种测量设备，因此，在平衡机测试过程中，需要通过MSE（测量系统误差）试验来对平衡机的系统误差状态进行分析，获得平衡机平衡能力的初始信息。平衡机MSE试验按如下程序进行。

3.1 在平衡机上安装零件

（1）定位平衡用基准，确保前后平面定置正确。

（2）检查驱动零件的带子或o型环紧度。紧度应保证零件获得需要的旋转速度，不能过紧或过松，带子不能滑动。

（3）弄直辊子（平行检查），检查垂直支承，弄平零件——使零件可以在轴向自由移动——向左或向右。支承辊子的一端（左或右）可以接触转子——支承辊子的两端在平衡操作过程中不能同时接触转子。

（4）在平衡机上安装零件，输入设置参数（线性尺寸英寸或毫米）——a，b，c，r1，r2——尺寸“b”在工艺规程中给出。尺寸“a”和尺寸“c”在实体可能的情况下，应越小越好。尺寸“r1”和“r2”可以是1或按工艺规程。

（5）输入：平衡公差（克-毫米或盎司.英寸）和期望平衡速度按RPM。该零件平衡公差前平面为0.0016盎司.英寸（1.15克-毫米），后平面为0.0014盎司.英寸（1.01克-毫米）。

（6）平衡切除表面的圆滑应按工艺规程或按图纸引用的工艺文件中对表面状态的规定（该零件按SC6500）。

（7）带子所在的滑轮的尺寸差，对工作件应为10%或更多。这是为了保证只有一个项目在期望平衡速度下旋转（RPM）。

（8）调速标记，使用3M-7610带子，应越小越好。

（9）调速光线（转速计）应在大约45°方向，俯视调速带。

（10）末端支承应适当涂油，使之能够自由旋转。

（11）平衡机上的辊子轴承应有适合的凸面，应涂适当稀释的机器润滑油。

（12）驱动带应压在平衡体远离的表面，因此建议带子用齿轮或空气驱动。

3.2 平衡检查运行

按第1部分安装后，旋转零件，转速从50到100rpm渐变。此时，进行检查，保证零件完全水平，且不会在轴向移动。保证带子紧度，松紧适度，且不会与零件发生相对滑动。

3.3 按MSE指导文件进行MSE

（1）将第1个零件放置在平衡机上，测量2个平面的不平衡量，记录数据，重复此操作一次。

（2）在前平面增加试重（0.2克），即在花键倒角内圆左端，角度按步骤（1）前平面不平衡量测量。测量2个面的不平衡，然后记录数据，重复此操作一次。

（3）由前平面去除重量，然后测量试重，以确认步骤（2）没有损失重量。如果测量的试重小于0.2克，清理花键前平面，以保证没有留下残留重量。

（4）在后平衡平面增加0.2克试重，即在花键倒角内圆右端，角度按步骤（1）后平面不平衡量测量。测量2个面的不平衡，然后记录数据，重复此操作一次。

（5）由后平面去除重量，然后测量试重，以确认步骤（4）没有损失重量。如果测量的试重小于0.2克，清理花键后平面，以保证没有留下残留重量。

（6）测量2个平面的不平衡，然后记录数据，重复此操作一次。

按程序重复多轮试验，数据表明：零件平均变形量为2.389，标准转子平均变形量为0.34。下面我们分析工装对动平衡的影响。

标准转子距离为4mm，刚度CΡ与材料厚度关系为：

CΡ=a×b×h（2～3）其中

a为长度

b为宽度

h为厚度

标准转子变形力：CΡ=F/X=3.25（kg）×9.8（m/s2）/0.34

=93.68（N/mm）

F为引起变形力（3.25kg）

X为变形量（0.34）

因为补偿工装端面跳动引起的标准转子最大轴原始变形力为：

F=93.68（N/mm）×0.15mm=14.052N

M=F×L=14.052（N）×130（mm）/2=0.913（N·m）

不平衡量产生的离心力为：

MU=FU×L=6.021763（N）×300（mm）=1.806（N·m）

ω为角速度、U为不平衡量

得出因为工具联轴节刚度和发兰盘端面跳动引起的不平衡量最大占总不平衡量的50%。

计算结果表明：降低工装刚度为原来的1/10（实际平衡机轴承连接刚度），不平衡量影响降低为5%。

消除工装、平衡机旋转系统带来的不平衡量：为了消除工具、平衡机旋转对动平衡结果的影响，自制的工装与零件连接的孔的位置度为φ0.01mm，同时平衡机的CAB630系统拥有自身旋转系统补偿功能，能够将平衡机旋转系统和工具的不平衡量补偿掉，从而消除了工具、平衡机旋转对动平衡结果的影响。

4 结束语

由试验得出，导致动平衡不平衡量测量误差的因素，主要包括三个类型。第一个要求是，平衡机必须有能力正确测量当在任一平衡面增加一个已知重量时不平衡量的变化。以此校验平衡机的设置。第二个要求是，不平衡量测量的可重复性。测量不应受到以下因素的显著影响：时间，设置，操作者，心轴/组件，平衡机，等等。即使设置正确、测量具有可重复性，不平衡量的测量也不正确，除非零件正确安装在作用约束面，即发动机运转时确定零件旋转中心线的面。

另外，严格按照规范，进行平衡机的EMAR试验和URR试验，找出平衡机本身的不确定因素，也是确保平衡机平衡数据真实稳定的关键。

以上试验获得完整数据，通过分析与研究，找到了动平衡的影响因素，改善了平衡工艺方法，改进了平衡工装设备，同时也获得了可以提升动平衡技术的经验。