四驅(qū)車前橋驅(qū)動(dòng)半軸裝配角度調(diào)整工裝設(shè)計(jì)

錢仕德

（北京奔馳汽車有限公司制造工程部，北京 100176）

四驅(qū)車前橋驅(qū)動(dòng)半軸裝配角度調(diào)整工裝設(shè)計(jì)

錢仕德

（北京奔馳汽車有限公司制造工程部，北京 100176）

為了解決奔馳E系四驅(qū)車型前橋左、右驅(qū)動(dòng)半軸裝配工藝瓶頸，提出了三種解決四驅(qū)車前橋驅(qū)動(dòng)半軸裝配的方案，通過對(duì)三種方案分析和比較，確定了文中詳述的移動(dòng)式制動(dòng)盤升降控制方式，其通過控制制動(dòng)盤高度調(diào)整來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)半軸與中間軸的相對(duì)位置角度控制。在保證裝配質(zhì)量的條件下，提升了裝配效率， 最終解決了該裝配點(diǎn)的工藝瓶頸。

四驅(qū)；半軸裝配；制動(dòng)盤舉升；角度調(diào)節(jié)

0 E系車4MATIC車前橋結(jié)構(gòu)與裝配工藝介紹

奔馳E系車四驅(qū)結(jié)構(gòu)沿用了奔馳越野鼻祖G系列四驅(qū)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式，四驅(qū)功能在一定程度上增加E車的安全性與動(dòng)力在不同路況條件下的分配合理性。與非四驅(qū)車型一樣，發(fā)動(dòng)機(jī)采用縱向布置形式，只是在非四驅(qū)車型的基礎(chǔ)上，在前橋增加了1套開放式差速器，并通?過電子輔助系統(tǒng)根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)在不同路況條件下的動(dòng)力分配。

E系四驅(qū)前橋驅(qū)動(dòng)半軸是全浮式形式，包括前左半軸與前右半軸。左右驅(qū)動(dòng)半軸在總裝前已裝到制動(dòng)盤上，左側(cè)驅(qū)動(dòng)半軸與中間軸配合，軸端為母軸。右驅(qū)動(dòng)半軸與差速器孔配合，為公軸。左右半軸與制動(dòng)盤連接處結(jié)構(gòu)均相同，半軸外端延伸至制動(dòng)盤蓋的外端，然后外端上的法蘭盤再與制動(dòng)盤罩通過螺栓連接，半軸在圓錐滾子軸承上運(yùn)動(dòng)。前差速器通過四顆螺栓連接到發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)缸體上。前橋右半軸與差速器半軸齒輪連接；前橋中間軸裝配需取下左側(cè)中間軸安裝孔保護(hù)蓋板，對(duì)準(zhǔn)中間定位齒與安裝孔中的定位槽，將中間軸插入安裝孔中，用特殊工裝將中間軸推到底，最后鎖緊夾箍安裝到鎖緊槽中。

通過多次產(chǎn)品試裝發(fā)現(xiàn)，前橋左、右驅(qū)動(dòng)半軸的裝配是E系四驅(qū)車型裝配的瓶頸之一。一方面，半軸裝配需要兩個(gè)以上操作員相互協(xié)作才能完成，且單車平均裝配時(shí)間達(dá)到了270s，是生產(chǎn)節(jié)拍（90s）的三倍。另一方面，裝配時(shí)半軸軸線角度偏差造成了半軸密封圈的變形和移位，反復(fù)插裝還造成半軸表面漆的損壞，不能達(dá)到產(chǎn)品工藝質(zhì)量要求。

圖1 左半軸與中間軸結(jié)合

1 前橋半軸裝配工藝要求

左半軸轉(zhuǎn)配：1）左半軸內(nèi)端面通過花鍵與中間軸外端面配合傳遞驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在裝配過程中，操作員需在保持左半軸與中間軸平行（即確保半軸內(nèi)端部分的軸水平）的狀態(tài)下，將半軸一次性推裝到位；2）禁止通過蠻力反復(fù)沖撞，在保證角度的條件下，適當(dāng)?shù)妮S向推力將半軸推裝到位；3）密封圈損壞可能造成產(chǎn)品運(yùn)行過程中漏油，第一次裝配不到位必須進(jìn)行二次時(shí)，需對(duì)中間軸外端位置的密封圈進(jìn)行檢查，確保完好后方能再次推入。

右半軸裝配：1）右半軸內(nèi)軸通過花鍵與差速器中的半軸齒輪連接，在裝配過程中，在保持半軸與半軸齒輪嚙合孔軸線平行的狀態(tài)下，將半軸1次性推裝到位；2）禁止通過蠻力反復(fù)沖撞，在保證角度的條件下，適當(dāng)?shù)妮S向推力即可將半軸推裝到位；3）裝配時(shí)為保護(hù)半軸花鍵軸頭處有彈性鋼絲圈，保證半軸與孔軸在同一條線上，將半軸花鍵對(duì)準(zhǔn)半軸齒輪花鍵孔，在半軸軸線與齒輪軸線平行的條件下，手動(dòng)推入差速器半軸齒輪中。

2 四驅(qū)前橋驅(qū)動(dòng)半軸裝配角度控制

左、右半軸均由兩個(gè)萬向節(jié)和內(nèi)軸、外軸、中間軸三部分構(gòu)成。在實(shí)際路況條件下，三軸軸線之間的角度隨路面條件不斷變化。如何通過控制半軸上三條軸軸線之間的角度來確保操作能夠在保證工藝和裝配質(zhì)量的前提下，快速輕便地完成半軸的裝配，即是本文需要解決的問題。

通過數(shù)模分析發(fā)現(xiàn)，左半軸中間軸、內(nèi)軸與驅(qū)動(dòng)中間軸、右半軸中間軸、內(nèi)軸在同一軸線上。在實(shí)際狀態(tài)下，操作員通過調(diào)整車橋制動(dòng)盤的Z向位置，即可調(diào)節(jié)半軸上三軸之間的角度。當(dāng)軸線之間的角度為180°時(shí)，三軸成一條直線。此時(shí)，半軸亦與中間驅(qū)動(dòng)軸和差速器中的半軸齒輪孔軸線共線。根據(jù)試裝發(fā)現(xiàn)：半軸上三軸共線是將左半軸裝配到中間軸、右半軸裝配到差速器的最佳條件。

裝配前橋左、右半軸時(shí)，要求半軸內(nèi)軸必須與差速器中的半軸齒輪孔、中間驅(qū)動(dòng)軸同軸線。本文中的E車前橋驅(qū)動(dòng)半軸裝配角度控制解決方案以此工藝要求為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)。從理論上分析，半軸三軸之間的軸線夾角會(huì)隨制動(dòng)盤的Z向高度變化而變化?；诖嗽恚芊駥胼S角度變化轉(zhuǎn)化為制動(dòng)盤Z向的位移變化？據(jù)此：提出了以下三種E車半軸裝配角度控制方案。

圖2 右半軸與差速器結(jié)合

2.1 方案1：合裝夾具改造

合裝夾具主要由基架、前浮動(dòng)盤、后浮動(dòng)盤、等主要組成。在合裝夾具上安裝制動(dòng)盤高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。通過液壓桿或者純機(jī)械機(jī)構(gòu)，由操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)盤在Z向的位移。升降時(shí)使用電動(dòng)扳手連到套筒上驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)升降，或者通過手動(dòng)驅(qū)動(dòng)帶凸輪的軸旋轉(zhuǎn)180°實(shí)現(xiàn)升降。該方案的缺點(diǎn)：成本高；改造時(shí)間長(zhǎng)（改造只能在周末或假日進(jìn)行）；造成夾具維護(hù)成本增加。

2.2 方案2：左右制動(dòng)盤自動(dòng)升降控制

奔馳海外某總裝配車間，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與合裝夾具上的制動(dòng)盤升降機(jī)構(gòu)配合來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)盤的Z向自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于，不占用工位工藝操作時(shí)間，位置調(diào)節(jié)準(zhǔn)確。但缺點(diǎn)在于需要電力輸入，自動(dòng)化要求高，成本高。本文的半軸裝配位于合裝系統(tǒng)的中部，在裝配過程中，底盤隨輸送鏈以不低于0.075m/s的速度持續(xù)移動(dòng)。因而此方案實(shí)施難度大。

2.3 方案3：移動(dòng)式制動(dòng)盤升降控制工裝

圖3 前橋與半軸相對(duì)位置

受限于合裝夾具與輸送線結(jié)構(gòu)等因素，同時(shí)從節(jié)約項(xiàng)目成本和項(xiàng)目時(shí)間的角度考慮，移動(dòng)式制動(dòng)盤升降工裝（液壓或機(jī)械）成為解決前橋驅(qū)動(dòng)半軸裝配角度控制更適合方式。

圖4 夾具舉升機(jī)構(gòu)

前橋舉升控制功能要求：要求設(shè)備能夠移動(dòng)輕便；操作員在操作時(shí)，需要用雙手進(jìn)行半軸位置調(diào)整并進(jìn)行軸向推進(jìn)，只能夠通過腳踏機(jī)構(gòu)控制制動(dòng)盤在Z向的位置變化；不同車型，半軸內(nèi)軸水平時(shí)，制動(dòng)盤Z向的最佳裝配位置不同，要求舉升行程可調(diào)；當(dāng)半軸到達(dá)設(shè)定裝配高度時(shí)，制動(dòng)盤在Z向能夠自行鎖止。

原理闡述：根據(jù)功能要求可知，剎車盤處需要設(shè)計(jì)支撐，且該支撐能夠托住剎車盤在Z向上下移動(dòng)約140～160mm左右。該裝置需要從線外移動(dòng)到板鏈線上，所以需四個(gè)輪子支撐。四個(gè)輪子與剎車盤之間需要通過框架連接，將剎車盤支撐與四個(gè)輪子連接起來。輪子與框架用螺栓連接，剎車盤支撐板與框架需通過導(dǎo)軌連接，為支撐板的上下起到導(dǎo)向作用。舉升通過腳來控制，需要設(shè)計(jì)踏板。自動(dòng)Z向的運(yùn)動(dòng)阻力，需要設(shè)計(jì)杠桿機(jī)構(gòu)來克服

1）整體框架設(shè)計(jì)。輪位布置：由于腳輪的位置與受力點(diǎn)的位置在豎直方向有一定距離，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工裝受傾覆力矩M，有可能導(dǎo)致工裝傾翻?？蚣軟Q定舉升裝置的重量，由于使用時(shí)需要工人移動(dòng)工裝，所以該框架在強(qiáng)度足夠的情況下應(yīng)該盡量輕便，以便于工人輕松操作。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該框架的型材使用截面尺寸為40×40×2.5mm的型材。腳輪型號(hào)的選擇：對(duì)于腳輪，直徑越大越便于工人移動(dòng)。工業(yè)腳輪材質(zhì)主要分為三類：橡膠、尼龍、聚氨酯，分別適用于輕載、重載、中等載荷，該工裝屬于輕載，選用橡膠材質(zhì)的腳輪。選用常用品牌MISUMI，得出腳輪型號(hào)為：定向輪：ST-100 MISUMI，萬向輪：SK-100 MISUMI。

圖5 結(jié)構(gòu)受力分析

2）制動(dòng)盤支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。剎車盤有突出臺(tái)階結(jié)構(gòu)，該臺(tái)階可作為支撐板支撐點(diǎn)，但需要注意不要與剎車裝置干涉。剎車盤支撐塊選用較軟的聚氨酯材料，可以保護(hù)車身件不受損傷，較軟材料還可以增大與剎車盤摩擦力，防止使用過程中從剎車盤滑出。支撐結(jié)構(gòu)主要有三部分組成。聚氨酯托塊支撐點(diǎn)加工成圓弧狀，能很好的與制動(dòng)盤嚙合。墊片起到調(diào)節(jié)高度的作用。焊接件通過滑塊將支撐結(jié)構(gòu)連接到主題框架上。

3）制動(dòng)盤支撐板導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。制動(dòng)盤支撐板在Z方向需要移動(dòng)約150mm，以便將制動(dòng)盤從低位提升到適當(dāng)位置。支撐板的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)還要保證足夠的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選用常用的Bosch Rexroth牌導(dǎo)軌及滑塊裝置。對(duì)于一般使用工況，選用最常用的導(dǎo)軌：寬度=23mm，該導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)滑塊長(zhǎng)度為86mm。導(dǎo)軌長(zhǎng)度至少為：120+86=206mm，兩端留余量選導(dǎo)軌長(zhǎng)度為230mm。由此可得出導(dǎo)軌型號(hào)為：R160520331_230?；瑝K型號(hào)為：162229320。導(dǎo)軌與主體框架相連，滑塊與制動(dòng)盤支撐相連，連接方式為螺栓連接。

4）制動(dòng)盤支撐限位裝置。由于制動(dòng)盤支撐在Z向可以移動(dòng)，需要有限位裝置將該支撐限位，防止工人操縱不當(dāng)導(dǎo)致支撐掉落砸傷人，也可視為安全裝置。該裝置應(yīng)該具有緩沖及高度調(diào)節(jié)功能，通過連接件連到主體框架上。

5）制動(dòng)盤支撐定位裝置。當(dāng)制動(dòng)盤支撐將制動(dòng)盤舉升到適當(dāng)高位時(shí)，支撐高度應(yīng)該被頂絲，以便工人可以松開腳踏板，更加方便地裝入半軸。設(shè)計(jì)思路：在主體框架上裝一拔銷，支撐上打?qū)?yīng)的孔，當(dāng)支撐運(yùn)動(dòng)到高位時(shí)拔銷在彈簧力作用下插入孔內(nèi)，將制動(dòng)盤支撐位置限死。拔銷通過連接件與主體框架連接。

6）力的傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)。第一種技術(shù)方案是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。該工裝的力輸入點(diǎn)為腳踏板，輸出點(diǎn)為制動(dòng)盤支撐，兩點(diǎn)之間大概有800mm的距離，需要設(shè)計(jì)動(dòng)力傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)，將輸入點(diǎn)與輸出點(diǎn)相連，以便實(shí)現(xiàn)將踏板上的力傳導(dǎo)制動(dòng)盤支撐。制動(dòng)盤支撐為Z向的直線運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)可以通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。曲柄滑塊繞點(diǎn)A擺動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)滑塊C在Z向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。將該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)結(jié)合本工裝要求便可以得到連桿機(jī)構(gòu)。由運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)屬于平面運(yùn)動(dòng)，力的傳導(dǎo)只能在同一平面內(nèi)傳導(dǎo)，因此腳踏板的運(yùn)動(dòng)受到限制。腳踏板繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)不是很利于工人操作。

圖6 第一種技術(shù)方案

第二種方案是齒輪齒條與雙連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)合機(jī)構(gòu)。由于齒輪齒條機(jī)構(gòu)可以將齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒條的直線運(yùn)動(dòng)，可以考慮將齒條與支撐連接，通過驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)盤支撐在Z向的直線運(yùn)動(dòng)。由于制動(dòng)盤支撐只在一定高度范圍內(nèi)做往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，所以齒輪并不需要做整周的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。齒輪與腳踏板通過連桿相連。通過機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖用CATIA設(shè)計(jì)建模得出設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

圖7 第二種技術(shù)方案

力的傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)兩種技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較：在受力上，方案一的結(jié)構(gòu)在力的傳導(dǎo)過程中損失較多。方案二通過齒輪把力傳導(dǎo)到齒條上，在齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒條所受到的力為豎直方向上的力，基本沒有力的損失。在人機(jī)工程上，方案一踏板不便于工人操作，方案二踏板只有在豎直方向運(yùn)動(dòng)相對(duì)方案一更符合人機(jī)工程學(xué)。在靈活性上，方案一全部由連桿組成，由于沒有調(diào)節(jié)裝置，對(duì)連桿的尺寸設(shè)計(jì)要求較高。方案二齒輪與齒條在安裝時(shí)可以調(diào)節(jié)齒輪角度安裝，靈活性更好。綜上所述，方案二較方案一存在較多優(yōu)點(diǎn)，方案一舍棄，選擇方案二進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

方案二的詳細(xì)設(shè)計(jì)：齒輪、齒條的常用模數(shù)有3、2.5、2、1，模數(shù)越大，齒輪輪齒越大，能承受力就越大。考慮到耐用性這里選擇齒輪、齒條模數(shù)為3，齒數(shù)為60，齒條長(zhǎng)度選250mm。從MISUMI品牌中選擇，得型號(hào)為：齒條：RGEAL3.0HT-250-A30-B95-C95，齒輪：GEAHB3.0-60-30-A-25。連桿與連桿的鉸接點(diǎn)，齒輪與旋繞軸的連接均用自潤(rùn)滑銅套，可以起到耐磨、潤(rùn)滑的效果。連桿采用左旋螺紋與右旋螺紋結(jié)合，可以方便調(diào)節(jié)踏板高度，以便工人操作。

7）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)與實(shí)際效果驗(yàn)證。當(dāng)制動(dòng)盤中心從267mm舉升到367mm時(shí)，前橋半軸與差速器半軸齒輪軸線的角度從30°左右減少到15°左右（兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系未知）。事實(shí)上，當(dāng)制動(dòng)盤繼續(xù)上升到一定范圍時(shí)，半軸與半軸齒輪軸線的角度不斷向0°接近。實(shí)際裝配過程中，當(dāng)中心制動(dòng)盤舉升至423mm，半軸基本能夠與中間驅(qū)動(dòng)軸、差速器半軸齒輪軸線在同一條線上。事實(shí)上，在裝配過程中，當(dāng)軸線之間夾角小于5°時(shí)，操作員可通過手動(dòng)微調(diào)右半軸與半軸齒輪孔軸線、左半軸與中間軸的軸線角度，輕松完成半軸的裝配。

圖8 整體結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

本文的標(biāo)題是半軸角度控制，方案的實(shí)施過程是制動(dòng)盤的舉升調(diào)節(jié)。但問題的根源是半軸與前橋中間驅(qū)動(dòng)軸和半軸齒輪軸之間的角度變化范圍大，導(dǎo)致裝配困難并影響裝配質(zhì)量。所有特意保留了這一字眼。在這一控制控制過程中，操作員大腦是整個(gè)控制過程的“控制器”。通過對(duì)方案多次優(yōu)化，最終達(dá)到如下效果：

1）成功將E車前橋半軸裝配工位操作員數(shù)量從兩位減為一位，單臺(tái)車裝配時(shí)間由270s降到了45s內(nèi)。在滿足產(chǎn)品裝配工藝要求的同時(shí)，節(jié)約生產(chǎn)成本。

2）本方案確保了裝配過程與產(chǎn)品工藝要求一致。保證了前橋半軸的裝配質(zhì)量。

3）本方案不但可應(yīng)用于奔馳工廠半軸的裝配，也可用于汽車維修店進(jìn)行輔助操作。能夠?yàn)榫S修人員提供很大的便利，也可改善半軸更換過程中的裝配質(zhì)量。

相對(duì)于結(jié)果本身，尋找解決方案和實(shí)施解決方案的過程更加有趣和有意義。從項(xiàng)目角度而言，同一工程問題，可以通過很多解決方案來實(shí)現(xiàn)，但不同方案的成本不同，好的方案是用盡可能低的成本在項(xiàng)目時(shí)間內(nèi)把問題解決。

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4 wheel drive front axle drive shaft angle adjustment and control jig designing

QIAN Shi-de

TH162.1

：A

：1009-0134(2017)05-0059-04

2016-07-28

錢仕德（1984 -），男，碩士研究生，主要從事汽車裝配工藝設(shè)備開發(fā)和項(xiàng)目管理工作。