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包络线测量技术在检测发动机轴瓦和连杆瓦故障上的应用

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李松 李崇剑 黎宏块 薛志光

  【摘 要】主轴瓦和连杆轴瓦是发动机曲轴上的关键零部件,为了更准确地测量出轴瓦的装配情况,论文结合先进的包络线检测原理,设计了新型的回转力矩检测方案,以提高发动机生产线质量控制水平。

  【关键词】回转力矩;包络线;发动机;轴瓦

  1 引言

  发动机上的轴瓦分两种,一种是连杆軸瓦,安装在连杆大头与曲轴连杆颈处;另一种是主轴瓦,安装在缸体曲轴孔与曲轴主轴颈处。轴瓦起轴承作用,防止曲轴直接与机体摩擦[1]。新型的汽车发动机大都采用轻量化设计,有些汽车生产厂用铝合金代替钢制的发动机壳体,由于铝合金的材质比较软,在发动机装配过程中,难免会有铝屑产生,如果这些铝屑落在曲轴里,在曲轴旋转的过程中会对轴瓦造成划伤,将对发动机的性能和使用寿命产生重大影响。本文设计的包络线检测系统,能够精准地测量出轴瓦和连杆瓦安装状态,实现了轴瓦故障在回转力矩测量中的全过程监测。


  2 曲轴回转力矩检测的目的

  划伤是发动机常见的失效模式之一,它直接影响发动机的功能性和耐久性[2]。在发动机零件加工、组装过程中,经常出现清洁度差、切屑、焊渣、型砂等积存与主油道及钻孔中的死角处未清理干净,配件毛刺未清除,在装配中脱落而混入润滑油,操作工漏装主轴瓦片或连杆瓦片。为了防止上述装配事故发生,需要一套灵敏且准确的设备进行检测,经过多年的技术创新和实践经验积累,很多发动机厂商都采用在安装主轴瓦后进行漏装检测,活塞连杆装配结束后,进行活塞连杆总成回转力矩检测。通过回转力矩检测能在一定程度上降低发动机的废品废件率。


  3 曲轴回转力矩检测现状

  现在曲轴回转力矩检测的内容包括:曲轴和活塞连杆总成启动力矩,曲轴活塞连杆最大回转力矩,曲轴活塞连杆平均回转力矩。采用联轴器将扭矩传感器和伺服电机连接在一起,设置适当的采样频率和通讯协议,伺服电机带动曲轴旋转的同时测量扭矩值,并将数据传输到PLC或工控机进行数据分析处理。在传统的铸铁发动机壳体装配线上,这种测量方法能够在一定程度上检测出装配质量情况,但是在某发动机厂采用新型的铝合金发动机壳体的试验中,我们经过对比测试后发现,当轴瓦上的铝屑直径小于2000μm时,测量启动力矩、最大回转力矩和平均回转力矩的测量方法都不能检测出铝屑的划伤故障。

  4 包络线检测技术在检测发动机轴瓦故障方面的应用

  4.1包络线原理

  包络线是与该曲线族的每条线都有至少一点相切的一条曲线,公式为(A-s)x+sy=(A-s)(s)。包络线可以全程记录发动机曲轴旋转的力矩时间曲线,通过模拟故障试验和运行数据分析,可以设置合理的安全阈值,保障发动机轴瓦故障的成功检测。

  4.2驱动装置

  驱动装置由升降装置和旋转电机组成,升降装置主要采用伺服电机带动测试平台,当发动机托盘到位后,二次定位升起,升降装置下落,将发动机固定后,回转力矩测试装置伸出,封堵到位,旋转电机此时带动回转力矩按设置的角度旋转。

  4.3回转力矩测试与显示装置

  包络线回转力矩测量装置由扭矩传感器以及扭矩—时间曲线显示器组成。扭矩传感器将实时扭矩数据发送给显示器,通过自身算法,在屏幕上显示出活塞由上止点到下止点反复6次的包络线。根据大量样本,可以设置不同机型的包络线合格范围,如果检测时发动机上、下止点的运动轨迹超过的预设的合格范围,设备会自动报警,升降装置退回到原位后,放行到返修段。

  从图3可以看出包络线分成四个部分,包络线的设置范围是根据上千台发动机的实际测试数据后得到的,与传统的最大值、最小值和平均值的测量方法好的地方就是,包络线的检测更细化,瓦片微小的损伤都可以通过此套系统检测出来。

  4.4包络线检测的特点和优势

  由于轴瓦和连杆瓦上的铝屑过小,传统的检测方法包括启动力矩,最大回转力矩,平均回转力矩只能检测出较大的异物划伤,对细小的扭矩变化检测不够。新型的包络线检测技术可以根据上千台合格发动机的实际测试数据进行学习,得到一个合格判定曲线(如图3所示),不仅包含了传统的三种测量方法,而且将全过程监控划分成四个区域,能够在扭矩和时间曲线里全过程监测曲轴力矩变化,当检测的发动机活塞由上止点到下止点的力矩时间曲线超过设定的曲线范围时,可以判定轴瓦或连杆瓦安装故障,需要进行返修处理。


  5 结语

  随着汽车技术的不断发展以及新型材料的不断应用,装配检测技术也要不断地进行更新,本文所设计的新型的发动机包络线回转力矩检测技术能够识别出细小的轴瓦或连杆瓦故障,很好地解决了发动机轴瓦和连杆瓦划伤和磨损的检测问题,并且在某发动机厂装配线上进行了成功验证,有效地提高了发动机装配线的质量控制水平。

  【参考文献】

  【1】郑军.发动机原理与汽车理论[M].天津:天津科学技术出版社,2009.

  【2】李志.发动机轴瓦划伤问题的分析及解决方法[J].机电产品开发与创新,2014(05):13.

来源:《中小企业管理与科技·中旬刊》2019年1期