图1  B型发动机曲轴

通过改变毛坯外观尺寸、处理动平衡问题等手段，江西昌河铃木汽车成功开发了新的发动机曲轴毛坯。解决了原来加工性差、生产成本高及生产效率低等问题，最终实现了两种曲轴的共线、批量生产。

为了响应国家1.3 L以下排量汽车下乡补贴政策，我公司在现有发动机（以下简称“A型”）基础上自主开发了一款新的发动机（以下简称“B型”），实现了低油耗、低排放。与A型发动机相比，我们主要对曲轴、连杆等部件进行设计优化，其中曲轴曲拐半径由40 mm变为37 mm，排量减少了0.2 L。曲轴毛坯是我公司联合某毛坯厂家共同开发设计的，在整个开发过程中，我公司凭借对现有生产线加工工艺的熟知及对动平衡积累的丰富经验，进行了大量的优化，解决了加工性差、生产成本高、生产效率低及动平衡不良等问题，实现了两种曲轴的共线、批量生产。

图2  A型发动机曲轴示意

曲轴动平衡

在曲轴毛坯的自主改进开发中，动平衡是一项重要且复杂的工作，在此先对曲轴动平衡进行大概介绍。发动机在稳定工况运转下，如果传给支撑的作用力大小和方向不随时间而变化，这种状态称为动平衡。曲轴工作时，它的各个质点都有离心惯性力，理想的情况是惯性力都能在曲轴内相互平衡，不传递到支撑上，但曲轴的质量分布是不均匀的，旋转时离心力系不能平衡。也就是说，曲轴的不平衡现象是以主轴颈轴线为中心的质量分布不对称而引起的惯性力所致。曲轴如果不平衡，将破坏发动机的平稳运转，产生振动和噪声，加剧磨损，影响发动机的工作和寿命。

惯性力F=mrW2，F为惯性力，m是离心质量，r为距中心线的距离，W为转速；m、r是曲轴本身的性质决定的，不随转速的变化而变化，所以动平衡的单位是g·mm。由以上公式看出，曲轴上分布不对称的质量离主轴颈轴线中心越远，质量越大，对动平衡的影响也越大。

图3  曲轴毛坯改善前后的尺寸对比

技术难点

1. 产品结构的不同点

通过产品图纸的比较，我们发现，与A型发动机曲轴相比，两种曲轴存在的不同点主要包括：A型发动机曲轴平衡块为8个，B型发动机曲轴平衡块为4个；A型发动机曲轴曲拐半径为40mm，B型发动机曲轴曲拐半径为37mm；A型发动机曲轴第1、8平衡块内侧不要求加工，而B型发动机曲轴要求加工。

2. 工艺性分析

（1）加工工艺分析 针对A型发动机曲轴的第1、8平衡块内侧不要求加工，而B型发动机曲轴的第1、8平衡块内侧要求加工的差异，我们认真研究分析后认为：此处加工并非产品性能要求，而是工艺需要，即经过加工后，曲轴平衡块形状相对比较稳定，质量分布比较均匀，有利用动平衡保证。如果按照第1、8平衡块内侧加工来设计制造毛坯，考虑到锻造工艺，内侧根部最少将有2.8 mm的加工余量，而现有高速外铣设备刀盘根本不适合该部分的加工，加工刀具寿命将急剧下降，而且增加该部分的加工内容，节拍无法保证。综合上述因素，我们必须从加工工艺上解决该问题，否则无法实现批量生产。

图4  改变过渡圆弧的半径

（2）动平衡工艺分析 与A型发动机曲轴相比，B型发动机曲轴有4个平衡块，如图1红色箭头所示的第1、4、5和8平衡块；而A型发动机曲轴有8个平衡块，如图2箭头所示的1～8平衡块。在这些平衡块中，无论哪种型号发动机曲轴，由于第4、5平衡块顶部中间区域要进行分组刻字，所以都不允许动平衡去重钻孔。这样A型发动机曲轴除第1平衡块不能进行动平衡去重钻孔外，其他7个平衡块都可以进行动平衡去重钻孔；而B型发动机曲轴虽然第1平衡块可以钻孔，但由于平衡块数量只有4个，且第1平衡块由于端面中间有孔，中间30°的范围不允许动平衡钻孔。因此，受以上诸多条件限制，对于动平衡来说，实现B型发动机曲轴的生产难度较大。

开发内容

为了解决第1、8平衡块内侧加工毛坯余量大、刀具费用高、生产效率低及动平衡不良等问题，我们进行了一系列测试开发工作，主要包括：

1. 改变毛坯外观尺寸

对毛坯外观尺寸提出了大胆的创新改进，根据生产工艺取消了第1、8平衡块内侧的加工余量，由机械加工保证尺寸改为完全由毛坯保证。改进前第1、8平衡块内侧轴向尺寸为（125.5±1） mm（见图3a），改进后变成了（128.3±1） mm（见图3b）。改进后经过加工测试，解决了毛坯余量大及刀具费用高的问题，但无法实现动平衡。

2. 动平衡问题处理

通过对毛坯外观尺寸初步的改进，虽然解决了第1、8平衡块毛坯余量过大引起的加工问题，但通过改进破坏了曲轴的动平衡，需要单独针对动平衡对毛坯进行优化改进。

（1）设计优化 通过测试分析，动平衡不良的原因在于：第1、8平衡块进行尺寸改进变薄使重量变轻，而第4、5平衡块没有改变，相对较重，所以整个曲轴的不平衡量全部集中在第4、5平衡块上，而第4、5平衡块如前文所述，中间部分需要分组刻字不允许去重，所以无法实现动平衡。通过以上分析找到了问题的根源，那么接下来需要解决的核心问题就是如何实现曲轴自身的平衡。

在不影响曲轴性能的前提下，我们对第1、8和第4、5平衡块统筹进行优化，使第1、8平衡块相对第4、5平衡块达到平衡。

主要进行的改进包括：改变第4、5平衡块内侧轴向尺寸，使其变薄变轻，如图3中改进前轴向尺寸分别是14.5 mm、14.6 mm，改进后变为15.6 mm、15.5 mm；改变一些过渡圆弧的半径，如图4所示将第4、5平衡块R24 mm改为R12 mm，使第4、5平衡块的重量进一步降低；类似于与图4，将第1、8平衡块一些圆弧也进行改变，使其第1、8平衡块在轴向没有加工余量的前期下，尽可能增加重量；通过以上改进，最终基本达到了动平衡的状态。

（2）现场调试 曲轴的动平衡除毛坯的设计保证外，现场的加工调试也至关重要。在生产中，曲轴的动平衡分成两部分：

即以第3主轴颈为中心，将曲轴分成Fr端和Rr端两部分，以主轴颈中心线为中心要求每一部分达到平衡，Rr端有第1、4平衡块的相互平衡，Fr端有第5、8平衡块的相互平衡，如图5所示。测量时将不平衡量计算分解到各平衡块上相应的角度和深度，图6所示为实际测量的结果。角度的具体分布如图7所示，从凸缘端方向看，P1、P4连杆颈向下为0°，沿顺时针依次为90°、180°和270°。

在保证产品精度的前提下，现场调试主要分以下几种情况：第一，根据测量结果或动平衡去重打孔分布情况，在OP10调整中心孔X轴的尺寸。当大部分孔分布在0°～180°方向时（左侧），中心孔可适当向X-方向移动；反之，当大部分孔分布在180°～360°方向时（右侧），中心孔可适当向X+方向移动。第二，当测量结果显示Fr端或Rr端整体重量差距较大时，可适当调整各部位的轴向尺寸，特别是通过调整第1平衡块的厚度来调试。第三，当Fr端、Rr端两部分内部第1和4或第5和8平衡块不配合量差距较大时，可适当调整对应平衡块的半径来调整重量达到平衡。

结语

经过一系列的测试，通过设计改进及现场调整，毛坯余量大、加工困难及动平衡问题彻底得到解决，B型发动机曲轴毛坯按时实现了量产。通过自主改进，我们不仅积累了经验，提高了技术水平，而且技术队伍得到锻炼。