曲軸端面封堵工裝的設(shè)計(jì)

徐冬華

上海天永智能裝備股份有限公司 上海 201800

1 序言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，越來越多的主機(jī)廠在進(jìn)行品質(zhì)管控的同時(shí)聚焦于降本增效、提升產(chǎn)能，如何有效兼顧產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本投入，成為眾多車企在規(guī)劃產(chǎn)線時(shí)考慮的重要因素之一。為保證最終成品質(zhì)量，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)總成在裝配過程中需進(jìn)行總成試漏測(cè)試，由于試漏測(cè)試時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)并未完成最終裝配，因此一些特定的封堵點(diǎn)需要由工裝封堵。常用的封堵方式有自動(dòng)封堵和手動(dòng)封堵，相比自動(dòng)封堵通過執(zhí)行單元輸送的較高成本投入，手動(dòng)封堵采用輕便的封堵工裝由人工實(shí)現(xiàn)快速封堵，具有維護(hù)成本低，生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

總成試漏時(shí)分為冷卻水道試漏和油道試漏，某用戶新規(guī)劃的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線在總成油道試漏時(shí)需要一款工裝來封堵曲軸端面。曲軸端面上有6個(gè)M10孔與缸體內(nèi)部相通，需要封堵，試漏測(cè)試壓為0.02～0.04MPa，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

用戶前期的裝配線上從國外引進(jìn)的工裝是利用曲軸端面上的6個(gè)螺孔用氣動(dòng)扳手?jǐn)Q入螺釘固定并進(jìn)行密封，因受工位節(jié)拍制約，該工裝在試漏測(cè)試完后，需隨發(fā)動(dòng)機(jī)流轉(zhuǎn)至后續(xù)節(jié)拍寬裕的工位進(jìn)行拆卸再周轉(zhuǎn)?，F(xiàn)有方案由于要在兩個(gè)工位均配置氣動(dòng)扳手并由專人轉(zhuǎn)運(yùn)，成本較高，因此用戶希望新建裝配線上對(duì)此工裝進(jìn)行優(yōu)化改善，力求操作簡(jiǎn)單便捷，封堵可靠。

通過與用戶溝通，了解到曲軸端部有1 個(gè)φ21mm的盲孔，孔徑公差為H9級(jí)，且允許工裝使用。據(jù)此筆者擬定的設(shè)計(jì)思路為通過該φ21mm盲孔定位固定工裝，同時(shí)封堵端面的螺孔，試漏測(cè)試完成后要求工裝可實(shí)現(xiàn)在本工位快速裝拆。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 封堵設(shè)計(jì)

圖2是該工裝的剖視結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)是一套復(fù)合曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，設(shè)有內(nèi)、外連桿，鉸接于同一曲柄（圖中未顯示），共享同一動(dòng)力源。同時(shí)內(nèi)、外連桿又分別與不同的滑塊相連，與外連桿相連的滑塊是調(diào)節(jié)螺套；與內(nèi)連桿相連的滑塊是推拉桿。

圖2 工裝剖視結(jié)構(gòu)

根據(jù)工藝要求，為實(shí)現(xiàn)對(duì)6×M10的封堵，設(shè)計(jì)了線徑一致、內(nèi)徑不一的兩種O形圈與曲軸軸線同心布置，大O形圈尺寸為φ77.5mm×φ2.62mm，小O形圈為φ48.9mm×φ2.62mm，由壓蓋固定在密封座上，如圖3所示。壓蓋與密封座裝配后會(huì)留出兩道截面為直角梯形的環(huán)槽，環(huán)槽上窄下寬，該設(shè)計(jì)既能保證O形圈不容易脫落，又留出了O形圈受壓后變形退讓的空間，同時(shí)也簡(jiǎn)化了相關(guān)零件的加工難度，密封座僅需加工截面為矩形的環(huán)槽，尺寸精度更容易保證。

圖3 壓蓋與密封座裝配

密封座與調(diào)節(jié)螺套通過螺紋聯(lián)接，軸向位置可微調(diào)后由專用緊定螺釘鎖定，調(diào)節(jié)螺套通過鉸鏈銷與外連桿鉸接，并與導(dǎo)向套滑動(dòng)配合，當(dāng)外連桿推動(dòng)調(diào)節(jié)螺套沿導(dǎo)向套作軸向滑移時(shí)，密封座被推向曲軸端面，兩O形圈會(huì)率先與曲軸端面接觸并變形，從而形成1個(gè)環(huán)形的密封腔，封住分布圓直徑為66mm的6個(gè)螺孔。

3.2 封堵反力的設(shè)計(jì)計(jì)算

由測(cè)試工藝得知試漏時(shí)最大充氣壓為0.04MPa，而由兩O形圈的尺寸可計(jì)算出環(huán)形封閉區(qū)域的作用面積是2982mm2，由此可知要實(shí)現(xiàn)可靠封堵至少需要有0.04MPa×2982mm2＝119N的封堵反力。該封堵反力由圖2中的彈性脹套脹緊曲軸端部φ21mm的盲孔來提供，從圖2可以看到內(nèi)連桿與推拉桿鉸接，當(dāng)內(nèi)連桿推動(dòng)推拉桿前進(jìn)，推拉桿與錐套中間設(shè)有碟形彈簧（簡(jiǎn)稱碟簧），三者緊密連接，從而驅(qū)動(dòng)錐套前移。設(shè)置碟簧的作用在于當(dāng)工件因加工誤差孔徑尺寸有變動(dòng)時(shí)，通過壓迫碟簧產(chǎn)生變形能消除工件尺寸變動(dòng)帶來的影響，確保內(nèi)外錐始終緊密接觸。而當(dāng)內(nèi)外錐頂緊時(shí)，彈性脹套擴(kuò)張與曲軸孔壁緊密貼合時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的徑向夾緊力W，此徑向夾緊力W乘以彈性脹套與曲軸的摩擦系數(shù)μ（按鋼-鋼摩擦取μ＝0.1）[1]就能得到兩者間的摩擦力Ff＝Wμ，該摩擦力必須大于所需的封堵反力，才能保證充壓試漏時(shí)工裝不會(huì)脫落，即Ff＝Wμ＞119N，由此可得W＞1190N。

彈性脹套脹內(nèi)孔有推脹和拉脹兩種方式，本工裝選用推脹方式，錐套推動(dòng)方向與密封圈封堵方向一致，使封堵操作更為簡(jiǎn)便、可靠。彈性脹套為薄壁帶錐面的夾緊元件，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。錐面端開有軸向槽，開槽數(shù)一般根據(jù)脹套直徑來確定。開槽數(shù)越多，脹套變形阻力越小，但過多的開槽會(huì)影響脹套的強(qiáng)度，縮短使用壽命。查夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，一般對(duì)于作用φ30mm以下的彈性脹套建議開槽數(shù)為3，但考慮到此工裝是人工手動(dòng)操作，無氣動(dòng)或液壓等動(dòng)力源，因此為降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減小變形阻力，在推薦的標(biāo)準(zhǔn)上適當(dāng)增加開槽數(shù)，取開槽數(shù)為4，即從錐面端看彈性脹套被切成四等分。

圖4 彈性脹套

彈性脹套夾緊力的計(jì)算與斜楔夾緊機(jī)構(gòu)相似，但要考慮夾緊時(shí)脹套的變形阻力R。每瓣的變形阻力可近似地按弧形斷面的懸臂梁的變形阻力來計(jì)算[2]：

驅(qū)動(dòng)彈性脹套變形的軸向作用力：

上述兩式中，α是彈性脹套錐角的一半（°），角度越小增力越大，6°以下機(jī)構(gòu)會(huì)自鎖，夾具手冊(cè)上推薦為15°[3]，考慮本工裝為手動(dòng)操做，應(yīng)適當(dāng)增大增力比，故取10°；φ1是脹套與套筒間的摩擦角（°），根據(jù)摩擦角與摩擦系數(shù)的關(guān)系式tanφ1＝μ[4]，由三角函數(shù)變換可得φ1＝arctanμ，當(dāng)μ＝0.1時(shí)計(jì)算得φ1＝5.71°；D是脹套彎曲部分的外徑（m m），設(shè)計(jì)尺寸為20m m；h是脹套彎曲部分的厚度（mm），設(shè)計(jì)尺寸為0.9mm；Δ是脹套與曲軸孔的徑向間隙（直徑上）（mm），設(shè)計(jì)最大間隙為0.2mm；l是夾爪的根部至錐面中點(diǎn)的距離（mm），設(shè)計(jì)尺寸為46.7mm；E是材料彈性模量（MPa），脹套材料為20CrMnTi，取E＝2.2×105MPa[5]；n是夾爪瓣數(shù)，如上所述取n＝4；α1是彈性夾爪每瓣所占扇形角的一半（rad），α1＝π/n＝0.785rad；K是簡(jiǎn)化計(jì)算系數(shù)，n＝4時(shí)K＝2000；W是總的徑向夾緊力（N），由上可知W＞1190N；R是夾爪的變形阻力（N），由式1計(jì)算可得R＝28.3N；Q是軸向作用力（N），由式2計(jì)算可得Q＞342N。

3.3 增力自鎖設(shè)計(jì)

查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中《人機(jī)工程學(xué)有關(guān)功能參數(shù)》可知，站立狀態(tài)下操作人員的推力平均值約為300N[1]，略小于計(jì)算所需的軸向力Q，且目前結(jié)構(gòu)無法自鎖，實(shí)際使用時(shí)不可能讓操作人員在整個(gè)試漏測(cè)試過程中保持前推出力狀態(tài)。因此目前圖2結(jié)構(gòu)還不適宜人工直接操縱，為了進(jìn)一步降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工人的工作效率，同時(shí)盡可能地減少工人操作步驟和單個(gè)工序的占用時(shí)間，在此基礎(chǔ)上還需增加增力自鎖機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。即如前所述的復(fù)合曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，利用杠桿比來實(shí)現(xiàn)增力，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有死點(diǎn)的特性來實(shí)現(xiàn)自鎖。實(shí)際操作時(shí)，通過肉眼觀察對(duì)準(zhǔn)曲軸端部φ21mm的孔，操作人員雙手分別抓握把手和增力曲柄的圓柄處，由于曲軸上的孔口自帶倒角，脹套φ21mm外圓端部也做相應(yīng)的引導(dǎo)設(shè)計(jì)，φ21mm直徑上的間隙控制在0.1～0.2mm，因此人工一手握持把手很容易將工裝插入曲軸端部孔中，此過程中另一手在增力曲柄處起輔助扶正作用，并不發(fā)力，待工裝推送到位，密封座上O形圈在接觸工件后，增力曲柄握手處發(fā)力，將該手柄前推。由上文所述可知，此過程中圖2中的推拉桿會(huì)被內(nèi)連桿驅(qū)動(dòng)，壓縮推拉桿與錐套中間設(shè)有的碟形彈簧，碟形彈簧變形后產(chǎn)生彈力推動(dòng)錐套前進(jìn)頂開彈性脹套，進(jìn)而脹緊曲軸端部?jī)?nèi)孔；O形密封圈的壓縮變形量可通過密封座與調(diào)節(jié)螺套的聯(lián)接螺紋調(diào)節(jié)，根據(jù)實(shí)際測(cè)試壓力和相關(guān)零件的加工及裝配精度調(diào)整后由專用緊定螺釘鎖定，保證增力曲柄前推過程中脹套先脹緊曲軸端部?jī)?nèi)孔，再壓縮O形密封圈變形實(shí)現(xiàn)封堵。圖5中的增力曲柄前推約35°會(huì)使曲柄滑塊機(jī)構(gòu)到達(dá)死點(diǎn)，此時(shí)整個(gè)工裝自鎖，封堵住曲軸端面的螺孔。

圖5 增力自鎖機(jī)構(gòu)

由于密封座及其上O形圈在接觸工件之前移動(dòng)阻力很小，接觸工件后的阻力主要是O形圈的形變阻力，因此驅(qū)動(dòng)密封座及其上的O形圈所需的軸向作用力很小，幾乎可以忽略不計(jì)，增力設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮驅(qū)動(dòng)脹套的軸向作用力Q，原理如圖6所示。

圖6 增力設(shè)計(jì)原理

由圖6不難發(fā)現(xiàn)30mm長(zhǎng)的連桿是二力桿，運(yùn)用理論力學(xué)的知識(shí)[6]取分離體計(jì)算可知，要使Q＞342N，則曲柄轉(zhuǎn)矩M應(yīng)≥3.2N·m，而圖5中增力曲柄的力臂長(zhǎng)為155mm，因此實(shí)際操作推力大于20N即可進(jìn)行脹緊封堵；當(dāng)需要快速裝拆時(shí)，增力曲柄上施加反向拉力即可輕松取下該工裝，這個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果非常符合用戶的期望。

4 應(yīng)用效果

最終在實(shí)際產(chǎn)線上的應(yīng)用充分驗(yàn)證了該工裝設(shè)計(jì)的可行性與便利性，用戶方面負(fù)責(zé)產(chǎn)線規(guī)劃的外籍專家親自進(jìn)行了試用，利用該工裝僅需兩三秒即可對(duì)曲軸端面進(jìn)行封堵，封堵可靠性高，用戶對(duì)此設(shè)計(jì)十分滿意。最初此工裝設(shè)計(jì)僅用于該款發(fā)動(dòng)機(jī)三期裝配線，經(jīng)過一段時(shí)間的試生產(chǎn)后，用戶在其二期和四期的裝配線上也應(yīng)用了該款工裝，并在國內(nèi)外分廠的參觀人員面前做了操作演示，將該設(shè)計(jì)推廣到國內(nèi)外類似產(chǎn)品的裝配線上。

5 結(jié)束語

通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與彈性脹套的巧妙結(jié)合，本工裝結(jié)構(gòu)緊湊，操作輕便，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸端面可靠封堵，滿足快速裝拆需求。相比原設(shè)計(jì)可大幅提高裝配線運(yùn)轉(zhuǎn)效率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為用戶節(jié)省了不必要的物流成本和工具成本，同時(shí)對(duì)類似產(chǎn)線加工有一定的借鑒價(jià)值。