2.5 回转件的平衡《汽车机械基础》河南省（对口招生）交通运输类 知识点讲解

河南省（对口招生）交通运输类《汽车机械基础》 知识点讲解 五、回转件的平衡 【课程要求】 1. 能正确理解回转件不平衡的原因及危害。 2. 能准确区分静平衡和动平衡的适用条件及原理。 3. 能掌握静平衡的计算方法和配重法、去重法的应用。 4. 能了解静平衡试验的基本操作方法。 5. 能根据轴向宽度与直径比值判断应采用静平衡还是动平衡。 【知识网络】 【知识要点】 知识点1 回转件不平衡概述 1. 回转件的定义 在机械中，将绕固定轴线转动的构件称为回转件（转子）。如飞轮、齿轮、轮胎和曲轴等均属回转件。这些构件在汽车和各类机械设备中广泛存在，其平衡状态直接影响整机性能。 2. 不平衡的原因 由于结构不对称、制造误差和材料不均匀等因素，造成回转件质心不在转动轴线上。当回转件转动时，偏心质量产生不平衡的离心力，该力引起机器周期性振动，使零件受到附加的动载荷。 3. 不平衡的危害 回转件不平衡会导致：机器工作品质下降、噪声增加、零件和机器的使用寿命降低，严重时甚至造成机器的破坏。因此，在机械设计和使用中必须考虑回转件的平衡问题。 知识点2 平衡的分类与判别 1. 分类依据 根据回转件的轴向宽度B和直径D的比值大小，回转件的平衡可分为静平衡和动平衡两种。 2. 静平衡的适用条件 轴向宽度B和直径D之比B/D ≤ 1/5的回转件，因轴向尺寸相对较小，可近似地认为其质量都集中在垂直于回转轴线的同一个平面上，如飞轮、砂轮、齿轮、离合器等。这类回转件作匀角速转动时，其偏心质量产生的离心力构成同一平面内汇交于回转中心的平面汇交力系。 3. 动平衡的适用条件 对于B/D > 1/5的回转件，轴向尺寸较大，不能再近似地认为其质量都位于同一回转面内。这时若有不平衡质量存在，则必须看作是分布在垂直于轴线的若干个互相平行的回转面内。回转件转动时各不平衡质量产生的离心力不再是平面汇交力系，而是一个空间的平行力系。 知识点3 回转件的静平衡 1. 静平衡原理 如果该力系不平衡，根据平面汇交力系的平衡条件可知，欲使其平衡，只要在该回转面加一质量（或在相反方向减一质量），使所加质量产生的离心力与原有各偏心质量所产生的离心力之向量和等于零，该力系就成为平衡力系，回转件达到平衡。即：F = Fb + ΣFi = 0。 2. 质径积与平衡条件 上式可改写成：meω² = mb·rb·ω² + Σmi·ri·ω² = 0。消去公因子ω²后，得：me = mb·rb + Σmi·ri = 0。式中质量与其质心向径的乘积称为质径积，它表达了各相应质量所产生的离心力的大小和方向，是一个矢量。由公式me = mb·rb + Σmi·ri = 0知，回转件平衡后e = 0，即经加一平衡质量（或减平衡质量）后，总质心与回转中心重合。此时回转件的总质量对回转中心的静力矩mge = 0，该回转件可在任何位置保持静止，而不会自动转动。因此，工程上把这种平衡称作静平衡。静平衡的条件是：分布在该回转件上各质量的离心力（或质径积）的向量和为零，即质心与回转中心重合。 3. 配重法与去重法 由公式me = mb·rb + Σmi·ri = 0可求出平衡质径积mb·rb = -Σmi·ri。求出平衡质径积后，可根据回转件的具体结构选定rb的大小，再确定平衡质量mb的大小。注意：平衡质量的质心位置应为通过回转中心O并与向量mb·rb相平行的直线上。通常应尽可能地增大rb，以便使mb小些。上述方法为配重法。如果在rb处所指的反方向减去相应的质量，也可使回转件平衡，这种方法称作去重法。 4. 静平衡试验 回转件经理论计算可以达到完全平衡，但由于计算、制造和装配的误差以及材质不均匀等原因，实际上往往达不到预期的平衡，因此在生产过程中还需用试验的方法加以平衡。将被平衡的零件置于静平衡架的导轨上，任其自由滚动。由于回转件质心S不在轴线上，因此当其静止时，质心S必在轴心线的铅垂线下方（不计摩擦时），由此可知质心偏移的方向。然后在轴心线的正上方用橡皮泥加一适当的平衡质量，并逐步调整其大小或向径位置，直到该回转件在任意位置都能保持静止。这时所加的平衡质量与其向径乘积即为该回转件达到平衡需加的质径积。 知识点4 回转件的动平衡 1. 动平衡条件 对于B/D > 1/5的回转件，各不平衡质量产生的离心力是一个空间的平行力系。要使这个空间力系达到平衡，由理论力学知，各离心力的合力和合力矩应等于零，该条件称为回转件的动平衡条件。 2. 动平衡实例分析 以双缸曲轴为例，在不考虑材质不均和几何误差的情况下，理论上该曲轴的质心应和回转轴线同轴（e = 0），即此曲轴已满足静平衡条件。但由于两曲拐不在同一回转面上，故曲轴回转时，离心力F1和F2所形成的力偶不为零。在离心力偶矩的作用下，曲轴将产生周期性的扭振，即存在动不平衡。由理论力学知，力偶只能用力偶来平衡，故只在任何一个平面内加一配重，是不能使之达到平衡的。必须在两个平面上（或更多的平面上）同时配上适当的质量，使其产生一个相同的反力偶，才能使它达到平衡，即采用双面平衡的方法来平衡。 3. 动平衡与静平衡的关系 由于动平衡条件中同时包含了静平衡的条件（合力为零），所以达到动平衡的转子也一定是静平衡的；但达到静平衡条件的转子不一定是动平衡的，这一点必须注意。对于B/D ≤ 1/5的转子，若达到静平衡以后，也可近似地认为达到了动平衡。 知识点5 车轮与轮胎的平衡 1. 车轮与轮胎平衡的重要性 车轮与轮胎是高速旋转组件，如果不平衡，当汽车在超过某一速度行驶，特别是在高速公路上行驶时，可能造成轮胎爆破，引发交通事故。不平衡也会引起底盘零部件损伤，如转向球节上的磨损增加，减振器和其他悬架元件的变形等。就车轮本身而言，由于装有气门嘴，同时还与轮胎和传动轴等传动系统的旋转部件组装在一起，因此必须进行平衡。 2. 平衡维护要求 新车上安装的车轮与轮胎都经过了平衡，随着车辆的行驶及轮胎的维护或修理，如果轮胎有不均匀或不规则磨损、车轮定位失准，车轮平衡维护就是必须要做的工作。平衡车轮时，沿轮辋分配配重，抵消车轮和轮胎中的重的部位，使它平稳滚动而无振动。轮胎的动平衡必须在两侧边的轮辋边缘同时加上一定的平衡质量，才能使它达到动平衡。 【练习题】 一、单项选择题 1. 下列属于回转件的是（） A. 活塞 B. 连杆 C. 飞轮 D. 汽缸体 2. 回转件产生不平衡的主要原因是（） A. 转速太高 B. 质心不在转动轴线上 C. 材料强度不足 D. 润滑不良 3. 判别回转件应采用静平衡还是动平衡的依据是（） A. 回转件的重量 B. 回转件的转速 C. 轴向宽度B与直径D的比值 D. 回转件的材料 4. 适用于静平衡的回转件，其B/D比值应满足（） A. B/D > 1/5 B. B/D ≤ 1/5 C. B/D > 1/3 D. B/D ≤ 1/3 5. 静平衡的条件是（） A. 各质量的离心力大小相等 B. 各质量的质径积的向量和为零 C. 各质量到回转中心的距离相等 D. 回转件的转速为零 6. 达到动平衡的回转件（） A. 不一定静平衡 B. 一定也静平衡 C. 一定不平衡 D. 与静平衡无关 7. 轮胎动平衡时，配重应加在（） A. 轮胎内侧 B. 轮胎外侧 C. 轮辋两侧边缘 D. 轮毂中心 8. 静平衡试验中，回转件静止时质心位置在（） A. 轴心线正上方 B. 轴心线铅垂线下方 C. 轴心线水平方向 D. 任意位置 二、填空题 1. 在机械中，将绕固定轴线转动的构件称为______，如飞轮、齿轮、轮胎和______等。 2. 回转件不平衡的原因主要有结构______、制造______和材料______等。 3. 根据轴向宽度B和直径D的比值，当______时采用静平衡，当______时采用动平衡。 4. 质量与其质心向径的乘积称为______，它表达了各质量所产生______的大小和方向。 5. 静平衡的方法有______和______两种。 6. 动平衡的条件是各离心力的______和______都等于零。 7. 由于动平衡条件中同时包含了静平衡的条件，所以达到______平衡的转子也一定是______平衡的。 三、判断题 1. 回转件的平衡问题只在高速运转时才需要考虑。（） 2. 飞轮由于轴向尺寸较小，通常只需进行静平衡。（） 3. 静平衡的条件是回转件上各质量的离心力大小相等。（） 4. 配重法是在回转件的适当位置增加平衡质量来实现平衡。（） 5. 达到静平衡的回转件一定也满足动平衡条件。（） 6. 双缸曲轴虽然满足静平衡条件，但仍可能存在动不平衡。（） 7. 车轮与轮胎的不平衡只会引起振动，不会造成安全隐患。（） 8. 新车上安装的车轮与轮胎不需要再进行平衡维护。（） 四、简答题 1. 简述回转件不平衡的主要原因及其造成的危害。 2. 简述静平衡与动平衡的区别，并说明各自的适用条件。 3. 简述静平衡试验的基本操作步骤。 4. 简述为什么达到动平衡的转子一定是静平衡的，而达到静平衡的转子不一定是动平衡的。 【答案】 一、单项选择题 1. C 2. B 3. C 4. B 5. B 6. B 7. C 8. B 二、填空题 1. 回转件（或转子）；曲轴 2. 不对称；误差；不均匀 3. B/D ≤ 1/5；B/D > 1/5 4. 质径积；离心力 5. 配重法；去重法 6. 合力；合力矩 7. 动；静 三、判断题 1. × 2. √ 3. × 4. √ 5. × 6. √ 7. × 8. × 四、简答题 1. 回转件不平衡的主要原因有：结构不对称、制造误差和材料不均匀等因素，造成质心不在转动轴线上。造成的危害包括：引起机器周期性振动，使零件受到附加的动载荷，导致机器工作品质下降、噪声增加、零件和机器的使用寿命降低，严重时甚至造成机器的破坏。 2. 静平衡适用于轴向宽度B和直径D之比B/D ≤ 1/5的回转件，其质量近似集中在同一回转平面内，平衡条件是各质量的离心力（或质径积）的向量和为零，即质心与回转中心重合。动平衡适用于B/D > 1/5的回转件，其质量分布在多个平行回转面内，平衡条件是各离心力的合力和合力矩都等于零，需采用双面平衡方法。静平衡只需在一个平面内加减配重，动平衡需在两个或多个平面内同时加减配重。 3. 静平衡试验的基本操作步骤为：①将被平衡的零件置于静平衡架的导轨上；②任其自由滚动，待其静止后，质心必在轴心线铅垂线下方，由此确定质心偏移方向；③在轴心线正上方用橡皮泥加一适当的平衡质量；④逐步调整平衡质量的大小或向径位置；⑤直到该回转件在任意位置都能保持静止，此时所加的平衡质量与其向径乘积即为需加的质径积。 4. 因为动平衡的条件是各离心力的合力和合力矩都等于零，其中合力为零这一条件已经包含了静平衡的条件（各离心力向量和为零），所以达到动平衡的转子一定满足静平衡条件。而静平衡只要求合力为零（质心在回转轴线上），但并不要求合力矩为零。当回转件轴向尺寸较大、各不平衡质量分布在不同回转面时，即使合力为零，各离心力形成的力偶矩仍可能不为零，存在动不平衡。因此达到静平衡的转子不一定是动平衡的。对于B/D ≤ 1/5的转子，由于质量近似在同一平面内，力偶矩很小，达到静平衡后可近似认为达到动平衡。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $