汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配夾具設(shè)計(jì)

朱小琳 仇 明

(1.江蘇省水利機(jī)械制造有限公司，江蘇 225009;2.江蘇省揚(yáng)州商務(wù)高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 225009)

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器的裝配及維修的要求也越來(lái)越高。不僅要快速、簡(jiǎn)便，還要具有一定的靈活性。由于安裝、維修發(fā)動(dòng)機(jī)及配套變速器的需要，現(xiàn)有設(shè)備的安裝采用的是一種多孔位的方法。此方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器的型號(hào)有很強(qiáng)的要求，限定了人們對(duì)各種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器安裝的需要。此外，這種設(shè)備的厚度和安裝定位的設(shè)計(jì)都有不合理的地方，因此要求對(duì)現(xiàn)有的裝配夾具進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)改造，使它的定位方法更合理，適用性強(qiáng)，同時(shí)滿足多型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器的安裝要求。

1 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配夾具的設(shè)計(jì)

1.1 夾具板的設(shè)計(jì)

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配夾具是用來(lái)使發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器在生產(chǎn)線中可以靈活安裝生產(chǎn)，在維修時(shí)可以配合維修的要求，自由轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)的一種設(shè)備。所以設(shè)計(jì)裝配夾具，不僅要考慮檢修、拆裝以及運(yùn)輸?shù)姆奖阈裕瑫r(shí)還要考慮對(duì)不規(guī)則物體定位的方法，而且它在工作時(shí)，還要求翻轉(zhuǎn)一定角度后，能夠定位?？紤]到這些要求，在整體設(shè)計(jì)上把它定為一個(gè)可自由活動(dòng)的臺(tái)架，高度要適應(yīng)人們檢修的方便，為1 m 左右。

原來(lái)的夾具板如圖1。因?yàn)檫@種夾具夾板的設(shè)計(jì)受到螺栓孔位置的限制，不能完全滿足各種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝要求，所以要求改變夾板的結(jié)構(gòu)。在夾板上開(kāi)4 個(gè)槽，使螺栓孔的位置可以在槽間自由移動(dòng)，適應(yīng)不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸要求，同時(shí)還可以減少夾板的厚度。改進(jìn)后的夾板形狀如圖2 所示，可自由調(diào)動(dòng)，且工作時(shí)能固定。力臂與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接處有凸臺(tái)，可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)連接處有突出部分的安裝。夾具板用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)套筒和外套筒相配合，使夾具板可以自由的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器外形尺寸的分析

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的外形與缸數(shù)和型號(hào)有關(guān)。本文選擇的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及配套變速器的外形尺寸都小于其它型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)及其配套變速器的外形尺寸。同時(shí)也由于變速器的重量小于發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，所以它對(duì)臺(tái)架的作用力小于同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)臺(tái)架的作用力，因此可以只用此汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行校核。如果設(shè)備的強(qiáng)度滿足了要求，那么它也一定滿足其它發(fā)動(dòng)機(jī)及其變速器的強(qiáng)度要求。

已知:發(fā)動(dòng)機(jī)的最大重量為245 kg;發(fā)動(dòng)機(jī)的最大長(zhǎng)度為700 mm;發(fā)動(dòng)機(jī)重心距輸入端的最大距離為350 mm;變速器的最大重量為100 kg;變速器的最大長(zhǎng)度為600 mm;變速器重心距輸入端的最大距離為400 mm。

1.3 夾具的設(shè)計(jì)與分析

夾具示意圖如圖3 所示。

圖1 夾具板Figure 1 Clamp plate

圖2 夾具示意圖Figure 2 Schematic sketch of jig

圖3 夾具方案示意圖Figure 3 Schematic sketch of jig plan

此方案采用蝸桿減速器，這不僅方便工作人員操作，更重要的是它的轉(zhuǎn)動(dòng)是不可逆的，即只能由蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而不能由蝸輪帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣減速器既可起到省力的作用，又起鎖緊裝置的作用。為降低成本，減輕重量，支架及底架都采用常見(jiàn)的鋼板軋壓而成。然后進(jìn)行焊接。為了能調(diào)整臺(tái)架的高度，在下支架中設(shè)計(jì)一液壓千斤頂，由它可以少量地調(diào)整臺(tái)架的高度，以適應(yīng)不同的工作要求［1］。

為了能使臺(tái)架運(yùn)動(dòng)、方便操作，在減速器下方設(shè)計(jì)一推車(chē)手柄，操作人員可利用此手柄推著整個(gè)臺(tái)架移動(dòng)到所需地點(diǎn)。在推車(chē)手柄同一高度設(shè)計(jì)有工具臺(tái)，可臨時(shí)放置拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)的工具和從發(fā)動(dòng)機(jī)上拆下來(lái)的零件。這個(gè)工具臺(tái)高度適宜，更富有人性化。在裝夾發(fā)動(dòng)機(jī)的下方設(shè)計(jì)有一托盤(pán)，它能防止發(fā)動(dòng)機(jī)上的機(jī)油亂流和發(fā)動(dòng)機(jī)零件的丟失。

整個(gè)臺(tái)架設(shè)計(jì)有4 個(gè)推車(chē)輪，在靠近減速器一端的是兩個(gè)萬(wàn)向輪，它能起到轉(zhuǎn)向的功能，在萬(wàn)向輪上有鎖緊裝置，利用此裝置可以使臺(tái)架固定在任何地方不動(dòng)。整個(gè)裝置在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到既經(jīng)濟(jì)、又適用的原則，最大限度體現(xiàn)人性化功能。

2 設(shè)備各部位設(shè)計(jì)及安全校核

2.1 夾具的設(shè)計(jì)

夾具的設(shè)計(jì)主要分為夾具板的設(shè)計(jì)和力臂的設(shè)計(jì)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)不同，其外形尺寸也不同。為了能裝夾多種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，擴(kuò)大其通用性，將夾具板與力臂之間的連接設(shè)計(jì)為活動(dòng)的、可調(diào)大小的。所以選擇在夾具板上開(kāi)4 個(gè)槽，用螺栓將夾具板與力臂連接起來(lái)，這樣力臂就有了一個(gè)很大的活動(dòng)范圍。

發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸端面有與變速器相連用的螺栓孔，用此孔來(lái)將發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器連接在力臂上。由于輸出端面有壓面的緣故，所以力臂有凸臺(tái)。

2.1.1 選材

選用常用Q235 鋼，許用應(yīng)力［σ1］=375 MPa;夾具板選用鋼板，厚為δ=8 mm;力臂選用方形鋼條，長(zhǎng)l1=145 mm，寬b1=7 mm，高h(yuǎn)1=30 mm;凸臺(tái)選用鋼管，內(nèi)徑D=17 mm，外徑d=30 mm。

2.1.2 安全校核

(1)力臂與發(fā)動(dòng)機(jī)連接后，發(fā)動(dòng)機(jī)重心距力臂有一定的距離，所以力臂受到彎矩的作用。采用4 點(diǎn)定位，各力臂受力均勻。

已知發(fā)動(dòng)機(jī)的最大重量為245 kg;發(fā)動(dòng)機(jī)重心距輸入端的最大距離為350 mm;力臂的寬和高分別為b1=7 mm，h1=30 mm。

彎矩:M=245×9.8×0.38=912.38 N·m

力臂受到的應(yīng)力為:

(2)由于力臂上有17 mm 的螺栓孔，則應(yīng)校核其強(qiáng)度。

螺栓孔處的應(yīng)力值為:

式中 Iz——對(duì)Z 軸的慣性矩，

yz——截面中任意一點(diǎn)至z 軸的距離，yz=R2+δ2=15 mm，R2為力臂上螺栓孔半徑，R2=8.5 mm，δ2為孔厚，δ2=6.5 mm。

(3)夾具板與力臂的連接螺栓承受著全部發(fā)動(dòng)機(jī)的載荷，所以應(yīng)對(duì)其校核強(qiáng)度。

連接螺栓只受預(yù)緊力F0的作用，而且工作時(shí)需要確保力臂固定不動(dòng)，所以它的預(yù)緊力F0要能承受住發(fā)動(dòng)機(jī)的全部重量，發(fā)動(dòng)機(jī)的重量對(duì)其為橫向力FR，F(xiàn)R=G=2 401 N。由此出發(fā)來(lái)對(duì)其進(jìn)行安全校核。

螺栓的強(qiáng)度條件為:

式中 F0——預(yù)緊力，4 802 N;

f——接合面的摩擦系數(shù)，f=0.15;

i——接合面數(shù)，i=1;

Ks——防滑系數(shù)，Ks=1.2;

z——螺栓數(shù)目，z=4;

s——螺栓聯(lián)接的安全系數(shù)，s=3;

dl——夾具板與力臂的連接螺栓直徑，dl=15 mm。

計(jì)算得螺栓受到的應(yīng)力為:σ3=35.3 MPa

而σs=s［σ3］≥3×35.3=106 MPa，所以選用5.6 級(jí)的螺栓就能完全滿足強(qiáng)度要求。

(4)力臂與凸臺(tái)間用焊接相連，力臂與夾具板相連用的螺栓孔也是焊接在力臂上的。可以發(fā)現(xiàn)力臂與凸臺(tái)之間的焊接更危險(xiǎn)，所以只校核此處強(qiáng)度。它主要受的是剪切力的作用。

已知焊縫的總長(zhǎng)度為l4=60 mm;h4=2 mm;許用剪切應(yīng)力為［τ'］=140 MPa;所受最大剪切力為F=6 078 N。

計(jì)算得焊縫所受的剪切應(yīng)力為:

通過(guò)以上校核，可以知道夾具的設(shè)計(jì)符合設(shè)備工作強(qiáng)度的要求。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)套筒的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)動(dòng)套筒主要是支撐夾具和發(fā)動(dòng)機(jī)的，并實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)翻轉(zhuǎn)的功能。在轉(zhuǎn)動(dòng)套筒上平均開(kāi)了4個(gè)孔，用一個(gè)止動(dòng)銷(xiāo)將轉(zhuǎn)動(dòng)套筒和外套筒連接，這個(gè)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的止動(dòng)銷(xiāo)能傳遞工作所需載荷。夾具板與轉(zhuǎn)動(dòng)套筒用焊接的方法連接在一起。

2.2.1 受力分析

轉(zhuǎn)動(dòng)套筒主要是受發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)它產(chǎn)生的彎矩作用，由于是人工轉(zhuǎn)動(dòng)，只受很小的扭矩，故可忽略其對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)套筒的作用。

2.2.2 選材

選用Q235 鋼，許用應(yīng)力［σa］=375 MPa;管壁厚為δa=8 mm;小徑尺寸為Ra=12 mm。

2.2.3 安全校核

(1)套筒的強(qiáng)度校核

外套筒的應(yīng)力為:

式中 Ma——彎矩，Ma=1 320.55 N·m;

Iza——對(duì)Z 軸的慣性矩=109×10－9m4，da=40 mm;

yza——截面中任意一點(diǎn)至z 軸的距離，yza=Ra+δa=20 mm;

αa——內(nèi)徑與外徑之比，αa=0.3。

(2)焊縫強(qiáng)度校核

已知焊縫總長(zhǎng)為lb=πdb=126 mm;大徑尺寸db=40 mm;厚度δb=3 mm;焊縫許用應(yīng)力為［σb］=180 MPa。所受最大力Fb=5 477 N。

計(jì)算得焊縫的應(yīng)力值:

所以外套筒的設(shè)計(jì)符合產(chǎn)品的強(qiáng)度要求。

2.3 支架與底架的設(shè)計(jì)

選材:支架Q235 鋼，用鋼板彎曲而成，厚δc1=3 mm，許用應(yīng)力［σc］=375 MPa;底架Q235鋼，用鋼板彎曲而成，厚δc2=3 mm，許用應(yīng)力［σc］=375 MPa;上支架上板Q235 鋼板，厚δc3=3 mm，許用應(yīng)力［σc］=375 MPa。

(1)支架的校核

支架在整個(gè)受力過(guò)程中，主要受自身的重力及發(fā)動(dòng)機(jī)彎矩的影響。由于自身產(chǎn)生的是壓應(yīng)力，它對(duì)支架的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)彎矩對(duì)其的影響大，因此主要考慮彎矩對(duì)支架的影響。又因上支架是套在下支架上的，危險(xiǎn)截面應(yīng)在下支架處，所以按下支架進(jìn)行校核［2、3］。

式中 Mc——彎矩，Mc=1 320.55 N;

Wc——抗彎截面系數(shù)，，支架寬度=94 mm，支架高度mm，減去壁厚后的支架寬度88 mm，減去壁厚后的支架高度=138 mm。

所以支架滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)上板與上支架的焊接校核

上板與上支架是用焊接的方法聯(lián)接在一起的，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。焊縫主要受剪切力的作用。

已知焊縫的總長(zhǎng)度為ld=500 mm，hd=3 mm;焊縫的許用剪切應(yīng)力為［τ］=140 MPa;所受最大剪切力為Fd=2 401 N。

焊縫所受的剪切應(yīng)力為:

所以焊接符合工作要求。

(3)底架的設(shè)計(jì)

底架在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮裝置的不傾覆，這與它和地的接觸位置有關(guān)，可以把它設(shè)計(jì)成四點(diǎn)支撐。它的布置形式為前后各兩輪，靠近減速器一端的兩個(gè)輪為萬(wàn)向輪，且有自鎖裝置，這四個(gè)輪屬于外購(gòu)件。

對(duì)底架進(jìn)行安全校核。根據(jù)受力平衡，列方程式，得:

代入數(shù)據(jù)得:

所以，底架滿足不傾覆條件，設(shè)計(jì)符合設(shè)備工作要求。

3 小結(jié)

通過(guò)夾具的設(shè)計(jì)及校核，可以知道夾具整體設(shè)計(jì)的強(qiáng)度是符合工作要求的。力臂的設(shè)計(jì)滿足了對(duì)不規(guī)則物體進(jìn)行固定的要求。夾具板與力臂之間的聯(lián)接方法使力臂可以自由移動(dòng)和固定，可以裝夾不同型號(hào)、形狀的發(fā)動(dòng)機(jī)。外套筒可以取下來(lái)?yè)Q上其它套筒，以適應(yīng)某些專用夾具，增加了其適用性。

［1］徐寅生，汪立亮，趙曉忠，等.現(xiàn)代汽車(chē)自動(dòng)變速器原理與檢修［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2000.25－26.

［2］上海大眾汽車(chē)有限公司.中國(guó)轎車(chē)叢書(shū)《上海桑塔納》［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1998.102－103.

［3］蔣興閣.中外汽車(chē)構(gòu)造圖冊(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)分冊(cè).［M］長(zhǎng)春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1995.78－79.