1 活塞测量原理、方法
活塞裙部外型面是实现汽车发动机大功率、低油耗、平稳运转的重要因素,无论从活塞的设计开发,还是对国外活塞样品的消化吸收,都要求精密、先进的测量手段,提供活塞外型面的精确数据。大批量活塞的加工和成品检验过程中,也要求对活塞裙部外型面进行测量。
由于各种发动机的工作状况不同,活塞裙部外型面稍有差异。一般裙部横截面的轮廓曲线呈近似椭圆曲线;纵截面的轮廓曲线一般为中凸曲线。在检验中,若采用三维测量来检验,需要花费较多的时间,不能满足实际生产效率的要求,对于具有一定稳定精度的活塞生产设备而言,所生产的活塞如能在活塞裙部若干纵、横截面上的轮廓曲线尺寸得到满足,则整个裙部轮廓曲面也一定能满足设计要求,因此只要测量活塞裙部数个截面的轮廓曲线就可检验活塞裙部质量。
由于活塞裙部纵截面的轮廓曲线是与活塞中心线对称的,横截面轮廓曲线则是与中心点对称,故测量纵截面轮廓曲线只要测出各高度处的直径,测量横截面轮廓曲线也只要测出各分度位置处的直径即可。
2 测量工作台运动形式分析及结构设计
根据前述的测量原理和方法,为了能测出活塞裙部的纵、横截面的轮廓曲线,传感器和活塞之间必须具有以下两种相对运动:(1)传感器相对活塞中心线的回转运动或活塞绕自身中心轴线的自转而构成的两者相对回转运动;(2)传感器与活塞之间沿活塞中心线方向的相对运动。
为获得上述的两种相对运动,装有传感器的测量轴和装夹活塞的测量台可有以下的四种形式:
(1)测量轴沿导轨的上下运动,测量台的自身回转运动;
(2)测量轴既作回转运动,又能沿导轨作上下运动,而测量台固定不动;
(3)测量轴作回转运动,测量台作上下运动;
(4)测量轴固定不动,测量台作上下运动,同时也能作回转运动。
显然(2)、(4)两种运动型式的测量工作台是不能选用的,因为他们将两种运动集中到一个部件上增加了部件结构的复杂性,给制造装配带来了困难,第(3)种运动型式的测量工作台,由于测量台上还需固定装夹定位活塞用的夹具,再加上被测活塞重量,因此在测量台作上下运动时要求有较大的驱动力矩,另外测量轴的旋转给传感器的输出连线造成不便,而第(1)种形式克服了第(3)种形式的缺点。本测量工作台选用了第(1)种形式,其结构简图如图1所示。
3 测量工作台机械误差对测量结果的影响分析
测量工作台中各个零部件的制造及装配中不可避免地存在着误差,正确认识系统中的各项误差及对测量结果精度的影响,从而合理地分配制造误差,采取各种措施减小误差影响,对保证测量的系统精度,提高测量结果的可靠性和可信性是一个十分重要的问题,下面对各项误差的影响加以分析。
3.1 主轴回转误差
主轴的回转误差表现在端跳动和径向跳动,主轴的径向跳动直接反映在测量传感器上,轴向跳动使活塞产生上下移动而导致测点位置发生变化测得的尺寸并不是原测量高度处的尺寸,产生了测量误差ΔS=ΔA×Δr,其中ΔA是主轴轴向跳动引起的活塞轴向移动(mm),Δr是单位活塞裙高的直径变化(μm/mm),一般不超过10μm/mm。本测量台中使用的干摩轴承的主轴部件,它的回转精度为0.2μm,也就是说径向跳动对测量结果的影响不超过0.2μm,轴向跳动对测量结果的影响为:
3.2 测头位置的偏离
在理论上,两测头边线应该通过主轴回转中心,但在实际装配过程中总是存在一定的偏离,图2所示存在偏心e的情况。
图2中OA是不存在偏心e时的理想情况下传感器测得的椭圆半径长,直径则为2×OA,B A 则是存在偏心e时的实际测得的直径,用B A 代替θ角度处的直径带来的误差为:
设轮廓线椭圆方程为:
直线C D 的方程为:
其中K=tgθ,
则A B 的长度为:
直线CD的方程为:
其中K=tg;
同样可求出AB的长度为:
将长度AB、AB代入可求得在分度角为存在偏心e时的测量误差为:
现在来求Δe的极值,可看出偏心e对测量结果的影响程度。
令dΔedk=0
可以得到方程:
(9)显然无解
由(8)得:
因偏心一般很小e<
当K=0时
当K=1时
对于偏心e=0.1mm,长轴a=50mm,b=48mm的椭圆轮廓曲线,
所以在装配时只要将偏心量调整在小于0.1mm以内,偏心e对测量结果的影响就很小。
3.3 活塞的定位误差
活塞测量时的定位基准如图3所示,与裙部加工的定位基准相同,当测量工作台上的定位夹具的安装存在有误差时也将影响测量结果。定位夹具的安装误差主要体现在:①被测活塞中心相对于工作台回转中心偏移;②被测活塞中心轴线相对于测量导轨的倾斜。下面分别加以分析。
3.3.1 活塞中心与工作台回转中心存在偏移
如图4所示,以活塞横截面中心O建立坐标系,则工作台回转中心O ,其坐标为(X0,Y0),假设不存在上述所讨论的偏心e,即传感器测头连线通过回转中心O 。
令OO =ep ,有(7)式,测量误差为:
其中K=tgθ
类似于上述的分析,使x20+y02=e p小于0.1mm可保证本误差对测量结果影响较小。
3.3.2 活塞中心线相对于测量轴导轨的倾斜
当活塞中心线相对于导轨倾斜时,实际为圆形的横截面测量结果变成椭圆,而实际为近似椭圆的活塞裙部横截面,就会产生变形不能真实反映出原截面形状,图5是具有倾斜误差的分析图,在理想状态无倾斜时,测头与活塞表面的接触点为S1,在倾斜为r角时,接触点为S2,由于倾斜而引起传感器测头移动造成的误差为Δr:
式中
R——活塞被测点处的半径
r——测头半径
在测量倾斜不变的情况下,被测活塞直径越大产生的测量误差也越大。当倾斜角r=0.5°,活塞半径为50mm,测头半径为3mm时,造成的误差为2.0μm。可见此项误差对测量结果的影响最大,应严加控制。
4 结束语
综上所述,活塞测量工作台制造和装配中,活塞中心轴线和测量轴导轨相对位置误差对测量结果的精度影响最大,这一相对位置误差主要由装配时测量轴导轨和测量台回转中心线的不平行造成,因此,应精心加以调整。
参考文献
1 陈国华.仪器机构及应用.上海科学技术出版社,1986.
2 粟估主编.几种先进线值测量技术.国防工业出版社,1984.
