Исследование неуравновешенности коленчатого вала

   Белорусский национальный технический университет 
 
 
 

   кафедра «Техническая эксплуатация автомобилей» 
 
 
 
 

   группа 115116 
 
 
 

   Лабораторная  работа № 34 

ИССЛЕДОВАНИЕ  НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ

КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА 
 
 
 
 
 
 
 

                                   выполнил: к-т        А.А. Зинкевич

                                   проверил:            А.С. Савич 
 
 
 
 
 
 

   Минск - 2007

1. Цель работы

Целью работы является:

1. ознакомление с теоретическими основами уравновешивания деталей;
2. изучение устройства балансировочного станка, принципа его работы и правил настройки;
3. приобретение практических навыков выполнения балансировки деталей и узлов;
4. изучение влияния различных факторов на точность уравновешивания узлов и механизмов.

2. Общие сведения

Надежность  и ресурс работоспособности автомобилей  в эксплуатации во многом зависят от неуравновешенности (дисбаланса) вращающихся деталей и узлов. Дисбалансом называется вектор D, равный по модулю произведению массы груза т на расстояние г его центра тяжести до оси вращения и направленный противоположно центростремительному ускорению, т. е. D = mr = \D\. Неуравновешенные силы создают дополнительную нагрузку на подшипники и другие детали, вызывают вибрации деталей, их интенсивный износ и даже разрушения. Специальными исследованиями установлено, что долговечность двигателей снижается в 2—2,5 раза, если он собран из деталей и узлов, имеющих верхний предел неуравновешенности.

  Основными причинами появления дисбаланса являются: несимметричность конструкции детали или узла относительно оси вращения, неточность изготовления (восстановления) детали, неоднородность материала, деформации при механической и термической обработке, неточности сборки, нарушение посадки деталей и узлов.

  Существуют  три вида неуравновешенности: статическая, динамическая и смешанная, или статико-динамическая.

При статической  неуравновешенности центр тяжести  детали (узла) не лежит на оси вращения и поэтому при вращении возникает центробежная сила Р, действующая в плоскости вращения и проходящая через центр тяжести (рис. 34.1). Величина этой силы равна

P = mrw², (34.1)

где т — неуравновешенная масса, кг;

г — расстояние от центра тяжести до оси вращения, м;

w — угловая скорость вращения, рад/с.

 Устранение или уменьшение неуравновешенности путем равномерного распределения масс относительно оси вращения называют балансировкой.

  Статическая неуравновешенность наблюдается у  деталей, длина которых значительно меньше диаметра (маховик, диски сцепления, шкивы, зубчатые колеса, диск ручного тормоза, диски колес, тормозные барабаны и др.). Статическую балансировку производят на призмах или роликах. В первом случае деталь плотно надевают на точную оправку, которую устанавливают на призмы, расположенные строго в горизонтальной плоскости (рис. 34.2). Деталь при этом самопроизвольно повернется и после нескольких качаний установится так, что центр тяжести ее будет находиться на вертикали, опущенной вниз от оси вращения. С утяжеленной части детали высверливают металл либо на противоположной стороне крепят добавочный ¹ груз, добиваясь того, чтобы поставленная на призмы деталь

в любом  произвольном положении не вращалась. В технических условиях на ремонт должны быть указаны места, где можно крепить добавочный груз или высверливать металл.

  Балансировочные призмы просты по устройству, но требуют точной установки в горизонтальной плоскости. В ремонтной практике применяются роликовые балансировочные стенды (рис. 34.3), позволяющие балансировать детали различных размеров и не требующие очень точной установки. Ролики изготовлены в виде плоских дисков, которые установлены на легких шарикоподшипниках. Диски в сборе с подшипниками тщательно сбалансированы. Точность балансировки повышается с уменьшением сопротивления в опорах, с увеличением диаметра дисков и уменьшением диаметра оправки.

  При статической балансировке величину дисбаланса определяют следующим образом. Деталь устанавливают на призмах или роликах, дают ей качательное движение и после остановки отмечают мелом нижнюю точку, лежащую на одной вертикали с осью вращения

  

 

    На  диаметрально противоположной от метки  стороне ; детали прикрепляют груз (замазку, пластилин). Операцию повторяют до тех пор, пока деталь не будет полностью уравновешена. Замерив затем расстояние г от оси вращения до центра груза (в см) и определив взвешиванием массу груза (в граммах), получим величину статического дисбаланса в г•см. Затем с «тяжелого» места детали удаляют или к «легкому» месту добавляют массу с таким расчетом, чтобы произведение этой массы на расстояние до оси вращения было равно замеренному дисбалансу.

    В настоящее время широкое распространение  находят станки для статической  балансировки в динамическом режиме (при вращении детали). Такая балансировка повышает точность и производительность, позволяет автоматизировать процесс.

    Длинные вращающиеся детали могут создавать  динамическое нагружения опор даже при правильной сборке и хорошей статической балансировке. Это происходит обычно за счет неравномерного распределения масс по длине детали (неравномерная толщина стенок, износ отдельных участков детали и т. д.). И хотя центр тяжести лежит на оси, во время вращения такой детали возникают противоположно направленные центробежные силы Р (рис. 34.4), действующие на плече L и создающие момент PL. Для уравновешивания этого момента следует приложить к детали пару сил Q, противоположных по направлению силам Р и действующих на определенном плече l. Величину сил Q подбирают с таким расчетом, чтобы PL = Ql. Такое уравновешивание называют динамической балансировкой.

  

  Динамической  балансировке должны обязательно подвергаться быстровращающиеся детали, длина которых превышает величину диаметра более чем в 2-3 раза (коленчатые и карданные валы).

  Динамическая  неуравновешенность в чистом виде имеется только у тех деталей, которые предварительно были тщательно сбалансированы статически. В практике обычно наблюдается статико-динамическая, или смешанная, неуравновешенность, т. е. одновременно присутствуют статический момент от неуравновешенной массы и статический момент центробежных сил.

  Схема статико-динамической неуравновешенности представлена на рис. 34.5. Здесь m₁ и т₂ — произвольно расположенные неуравновешенные массы, а Р и Q — центробежные силы от этих масс, возникающие при вращении детали. Представим силы Р и Q в виде суммы

 параллельны  соответственно р и Q  и приложены к торцам детали.

  Результирующие  сил Pi, Q\ и Р₂, Q₂ определяются по правилу сложения векторов:

(34.3)

    Силы  F_x и F₂ в общем случае не равны между собой, приложены к торцам детали и действуют в различных плоскостях.

    Разложив  силу Fi на (равную и противоположно направленную F₂, т. е.  F₂' = -F₂) и силу F₃, получим момент F₂l от пары центробежных сил F₂ и центробежную силу F₃, лежащие в разных плоскостях. Момент и сила нагружают опоры А и Б, вызывают вибрации и колебания, причем величина динамических нагрузок пропорциональна квадрату угловой скорости.

    Таким образом, если деталь имеет не две, а  сколько угодно неуравновешенных центробежных сил, их всегда можно привести к паре сил, приложенных в двух произвольно выбранных плоскостях, и центробежной неуравновешенной силе, приложенной в одной из этих плоскостей. Поэтому балансировка деталей, имеющих статико-динамическую неуравновешенность, производится раздельно для двух плоскостей (плоскостей коррекции). Для балансировки таких деталей надо в плоскостях коррекции добавить массы m_з и т₄ так, чтобы созданные ими центробежные  силы и F₂ соответствовали равенствам:

      (34.4)

      (34.5)

    где r₁ и r₂ — расстояния от центра тяжести масс до оси    вращения.

Величины  неуравновешенных масс, а также места, где их нужно удалить или добавить при динамической балансировке, определяют на специальных балансировочных станках различных конструкций.

3. Организация рабочего  места

На рабочем  месте должно быть следующее оборудование и инструмент:

• коленчатый вал, подлежащий балансировке;
• балансировочный станок модели MC-90I;
• электродрель с набором сверл;
• весы аналитические;
• винты различной массы;
• масштабная линейка;
• набор гаечных ключей;
• обтирочный материал.

4. Устройство, принцип  работы и органы  управления станком

Балансировочный станок модели MC-90I Минского станкостроительного  завода им. Октябрьской революции  ч предназначен для динамической балансировки деталей вращения, имеющих следующие показатели:

    наибольший  диаметр — 800 мм;

    наименьшее  расстояние между шейками — 180 мм;

    наибольшее  расстояние между шейками — 2000 мм.

    Легкие  изделия массой 10—50 кг балансируют  при 1600 мин"¹.

    Тяжелые изделия массой 50—100 кг балансируют при

    800 мин"¹.

    Рабочий  интервал температур от +5 до +35 °С.

    Балансируемое изделие (коленчатый вал) укладывается крайними шейками во вкладыши, закрепленные в корпусах подшипников, и приводится во вращение от электродвигателя через клиноременную передачу, шпиндель и приводную муфту (рис. 34.6). Корпуса подшипников вместе с люльками подвешены на тонких стальных лентах. Центробежные силы, возникающие при вращении неуравновешенного изделия, вызывают колебания люлек в горизонтальной плоскости. Эти колебания передаются через проволочные тяги на магниты индукционных датчиков. Колебания магнитов возбуждают в обмотках катушек ЭДС, величина которой пропорциональна величине перемещения магнита (частота постоянна), т. е. ЭДС линейно зависит от величины неуравновешенности и имеет относительно возмущающей силы постоянный угол сдвига фаз 90°. 

    

    Сигналы от датчиков поступают в измерительный  блок (рис. 34.7), где сдвиг фаз корректируется путем установки нуля на шкале прибора «Неуравновешенность» (фактическое уравновешивание). Эта операция производится ручками «Эталонирование» отдельно для левого и правого датчиков. Одновременно с сигналами от датчиков в цепь прибора «Неуравновешенность» подаются сигналы от измерительного генератора. Ротор генератора имеет одинаковую скорость с балансируемым изделием и представляет собой постоянные магниты. Статор может вручную поворачиваться вокруг своей оси на 360°. При вращении статора может наступить момент, когда фазы импульсов I от датчика и от генератора совпадут. Эти импульсы сложатся в смесительно-преобразующем устройстве, в результате чего стрелка на шкале прибора «Неуравновешенность» отклонится от нуля. По отклонению стрелки можно судить об угловом расположении импульса и, следовательно, об угловом расположении неуравновешенности. Величину и место расположения неуравновешенных масс определяют последовательно: сначала для одной плоскости исправления, затем для другой без прекращения вращения изделия. Плоскостью исправления (коррекции) называется плоскость, перпендикулярная оси вращения изделия, где устраняют неуравновешенность за счет добавления или удаления материала. Плоскости исправления должны быть возможно ближе к опорным шейкам.