傳統(tǒng)發(fā)動機裝配托盤設(shè)計優(yōu)化

張 嬌，陳 鵬，王小娟，裴 偉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司寶駿基地發(fā)動機工廠，廣西 柳州545007）

托盤作為發(fā)動機裝配線輔助機具，用于發(fā)動機裝配時旋轉(zhuǎn)和定位。雖然國內(nèi)很多學(xué)者提出了托盤旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，如王遠志提出氣缸為驅(qū)動的齒輪齒條回轉(zhuǎn)機構(gòu)[1]，周建東提出油缸為驅(qū)動的曲柄連桿回轉(zhuǎn)機構(gòu)[2]，湛立明改進了電機驅(qū)動的回轉(zhuǎn)機構(gòu)[3]，楊寧設(shè)計了摩擦式托盤回轉(zhuǎn)裝置[4]等，但這些托盤或回旋機構(gòu)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、旋轉(zhuǎn)速度慢且不穩(wěn)定、損壞易難維護等缺點。傳統(tǒng)托盤的工件旋轉(zhuǎn)是通過該工位工人對工件所在的托盤進行手動旋轉(zhuǎn)、定位，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，廣受中國車企歡迎，但也存在易于損壞問題，尤其是翻轉(zhuǎn)發(fā)動機過程中，托盤結(jié)構(gòu)若設(shè)計不當(dāng)，則受力部位會出現(xiàn)磨損、斷裂等問題，同時影響托盤的維修工時及維修費用。

本文將介紹如何對傳統(tǒng)托盤進行設(shè)計改進，增加托盤定位可靠性及托盤耐用性。

1 現(xiàn)狀

某公司自2012年來使用的一款發(fā)動機裝配旋轉(zhuǎn)托盤在長期運行后，出現(xiàn)手柄斷裂、連接螺栓滑牙、接觸部位磨損、零部件相對旋轉(zhuǎn)失效、彈簧失效等失效模式，分析根本原因為托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計及材質(zhì)的選擇不恰當(dāng)。

該款發(fā)動機托盤由底座、轉(zhuǎn)臺、立柱、翻轉(zhuǎn)支架、鎖緊機構(gòu)、接油盤、手柄、托架構(gòu)成，轉(zhuǎn)臺可以實現(xiàn)發(fā)動機繞Z軸360°旋轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)支架可以實現(xiàn)發(fā)動機繞X軸360°旋轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)支架和轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)到位后用鎖緊機構(gòu)進行鎖止（見圖1）。翻轉(zhuǎn)發(fā)動機時，手柄、轉(zhuǎn)臺與鎖止機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)支架與鎖緊機構(gòu)承受多重交變載荷，部件及緊固螺栓容易斷裂、磨損、疲勞斷裂等失效，在設(shè)計時需考慮降低部件疲勞失效風(fēng)險及失效后易快速修復(fù)功能。

圖1 發(fā)動機托盤結(jié)構(gòu)圖

2 托盤設(shè)計優(yōu)化

2.1 托盤底座

常見托盤底座材料為鋁合金、碳鋼，雖然鋁合金材質(zhì)特點為重量輕、塑性好，可以減少輥道對托盤的摩擦，但在長期運行后，由于鋁合金材質(zhì)過軟，托盤與旋轉(zhuǎn)手柄連接螺紋孔在長期受各種交變力后，螺紋孔滑牙嚴(yán)重，各零部件連接失效（見圖2）?？蛇M行如下設(shè)計優(yōu)化：（1）改進底板材料，由鋁換成碳鋼，提高螺紋孔抗應(yīng)力能力；（2）將連接螺栓由M10改成M12，提高螺栓連接強度；（3）改設(shè)計優(yōu)化同步可應(yīng)用在立柱上。

圖2 托盤底座螺紋孔滑牙失效

發(fā)動機裝配過程中需潤滑，潤滑殘油滴落在托盤上?，F(xiàn)有托盤表面粗糙度大，油漬難以擦拭、清理干凈，油槽結(jié)構(gòu)設(shè)計的初衷為避免托盤上的殘油滴落地面，但此設(shè)計帶來油槽邊沿難以清潔的問題。設(shè)計優(yōu)化時，為同時滿足殘油不滴落地面及托盤易于清潔維護，將托盤設(shè)計為光滑平板（見圖3），取消托盤上的油槽結(jié)構(gòu)，增加接油盤裝置（見圖4），油盤位于發(fā)動機正下方，且長寬與發(fā)動機相同，確保發(fā)動機上的殘油滴入接油盤內(nèi)部。

圖3 托盤底座

圖4 油槽改為接油盤圖

2.2 轉(zhuǎn)臺鎖緊機構(gòu)

轉(zhuǎn)臺鎖緊機構(gòu)（見圖5）對轉(zhuǎn)臺進行定位鎖緊，防止轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。由于發(fā)動機在裝配過程或旋轉(zhuǎn)托盤時，都會對鎖緊機構(gòu)定位塊上的螺栓產(chǎn)生剪切力，螺栓長期受剪切力導(dǎo)致螺紋孔變大，鎖緊失效。設(shè)計優(yōu)化：為降低螺栓及螺紋孔承受的應(yīng)力，在托盤底座鎖緊機構(gòu)的安裝面加工一個凹槽（見圖6），使鎖緊塊嵌入在托盤底座上。轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力作用在底座凹槽側(cè)面，螺紋孔不受剪切力，從而避免螺栓連接失效。

圖5 轉(zhuǎn)臺鎖緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖6 底座上的鎖緊機構(gòu)安裝面

轉(zhuǎn)臺鎖緊機構(gòu)依靠彈簧完成鎖緊，彈簧在長期交替應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生形變、斷裂等失效，從而導(dǎo)致托盤定位定位功能降低或失效。根據(jù)力的相互作用性，鎖緊機構(gòu)受剪切力的同時，轉(zhuǎn)臺也受到反作用力，對轉(zhuǎn)臺定位孔造成磨損，更換整個旋轉(zhuǎn)臺困難、成本高。設(shè)計優(yōu)化：可在彈簧中部增加了彈簧導(dǎo)向桿，轉(zhuǎn)臺定位部分設(shè)計為單獨部件并進行硬度處理（見圖7），減少彈簧彎曲變形，增加彈簧使用壽命，對比生產(chǎn)現(xiàn)場增加導(dǎo)向桿前后，彈簧使用壽命明顯提高（見圖8），降低轉(zhuǎn)臺磨損，減少托盤維護工作。

圖7 彈簧內(nèi)增加導(dǎo)向桿

圖8 現(xiàn)場增加導(dǎo)向桿前后彈簧對比圖

2.3 手柄設(shè)計

托盤旋轉(zhuǎn)手柄及支架翻轉(zhuǎn)手柄為易損件，其結(jié)構(gòu)帶螺紋的桿身連接托盤底座和球頭，常見損壞方式為：（1）螺桿上的螺紋連接位置斷裂（如圖紅圈1～4號位置）；（2）位置4的螺栓斷裂后，位于立柱內(nèi)的殘余螺桿難取出；（3）桿身與凸臺結(jié)合處（位置5）易受剪切力而斷裂（如圖9中5號位置）。設(shè)計優(yōu)化：（1）加大螺桿直徑，提高螺栓抗剪切力；（2）將4號位置由螺栓連接更改為螺栓+螺母連接，避免螺栓斷裂在立柱內(nèi)部難取處（如圖10）；（3）手柄安裝凸臺上開沉孔，使手柄桿嵌入凸臺（見圖11），當(dāng)扳動手柄時產(chǎn)生的剪切力作用于沉孔部位的手柄桿身上，減少螺桿的部分受剪切力而斷裂。

圖9 手柄易損位置圖

圖10 手柄設(shè)計優(yōu)化前后對比圖

圖11 手柄結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

2.4 翻轉(zhuǎn)支架

翻轉(zhuǎn)支架定位銷為圓錐銷時，定位銷與翻轉(zhuǎn)支架配合面為線接觸，定位銷易磨損。設(shè)計優(yōu)化時，可將圓柱銷改為梯形銷，定位銷與翻轉(zhuǎn)支架由線接觸變?yōu)槊娼佑|，增加接觸面積時，單位面積的接觸面受力減少，可減少翻轉(zhuǎn)支架的磨損，見圖12.

圖12 翻轉(zhuǎn)支架定位銷更改前后圖

排氣側(cè)翻轉(zhuǎn)支架由兩部分組成，夾爪與發(fā)動連接，發(fā)動機旋轉(zhuǎn)時，帶動支撐桿自旋轉(zhuǎn)，兩部分的連接方式為2圓柱銷+3螺栓，圓柱銷為獨立部件，與支撐桿和卡爪為過贏配合，發(fā)動機翻轉(zhuǎn)時易掉出，造成兩部分相對旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致定位失效；設(shè)計優(yōu)化：將翻轉(zhuǎn)支架連接方式更改為方形銷+3螺栓連接方式（如圖13），方形銷與支撐桿一體，且方形銷的接觸面積大于圓柱銷，避免定位銷松脫，同時減少定位銷磨損.

圖13 排氣側(cè)翻轉(zhuǎn)支架更改前后圖

進氣測翻轉(zhuǎn)支架支撐桿上的定位槽用于固定發(fā)動機，翻轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)為兩部分支撐桿+夾爪，在發(fā)動機翻轉(zhuǎn)過程中受交替載荷，定位槽易磨損，磨損后需要更換整個支撐桿，更換成本大。設(shè)計優(yōu)化：將翻轉(zhuǎn)支架由兩大部件組成改為三大部件組成（見圖14），撐桿定位盤+桿身+夾爪，當(dāng)定位槽磨損后，僅需要更換支撐桿定位盤，避免磨損后更換成本高。

圖14 進氣側(cè)翻轉(zhuǎn)支架更改前后圖

3 結(jié)束語

本文對傳統(tǒng)的托盤結(jié)構(gòu)及材料進行設(shè)計優(yōu)化，已在裝配線上實際實施及測試（改進后的托盤實物如圖15所示），實踐證明優(yōu)化后的托盤定位可靠性及托盤耐用性大大的提升，托盤季度維護數(shù)量下降9套，維護成本降低1872元/季度。這些改善降低了運行維護成本，減少了維修工的維修強度，制作工藝簡單，制造成本低廉等優(yōu)點，特別適合于在自動化裝配線中推廣應(yīng)用，其市場前景十分廣闊。

圖15 托盤及翻轉(zhuǎn)支架改進后實物圖