重型卡車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分裝的工裝設(shè)計(jì)與運(yùn)用

高佳宇，李璋靚

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

近些年隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)能力與水平的提高，在市場競爭的推動(dòng)下，重型卡車的性能與結(jié)構(gòu)都在逐年的提高中。以前卡車注重點(diǎn)在于動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)型以及可靠性等方面，九十年代后則注重環(huán)保性、安全性以及舒適性的提高。這對(duì)重卡生產(chǎn)企業(yè)來說是機(jī)遇，更是挑戰(zhàn)。

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，還要保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。駕駛員通過操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車保持在直線或轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或者使上述兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換。

當(dāng)汽車需要改變行駛方向時(shí)，必須使轉(zhuǎn)向輪繞主銷軸線偏轉(zhuǎn)一定角度，直到新的行駛方向符合駕駛員的要求時(shí)，再將轉(zhuǎn)向輪恢復(fù)到直線行駛位置。這種由駕駛員操縱，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)和回位的一整套機(jī)構(gòu)，稱為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其功用可簡單描述為按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分類為：機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：完全靠駕駛員手力操縱的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)稱為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng);動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：借助動(dòng)力來操縱的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)稱為動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又可分為液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及氣壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

圖1 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)是由從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸這一系列零部件組成，主要有轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向軸軸承和轉(zhuǎn)向柱管等部件構(gòu)成。轉(zhuǎn)向管柱關(guān)鍵技術(shù)要求：軸向間隙試驗(yàn)：在轉(zhuǎn)向軸中間位置縱向施加±40N載荷，加載速度為（5±0.1）mm/min，轉(zhuǎn)向間隙值≤0.10mm。徑向間隙試驗(yàn)：在轉(zhuǎn)向軸中間位置橫向施±40N載荷，加載速度為（5±0.1）mm/min，徑向間隙值≤0.05mm。轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，轉(zhuǎn)向軸最大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩≤0.6N·m，力矩波動(dòng)值 ≤0.2N·m。調(diào)整力矩≤98N，調(diào)整機(jī)構(gòu)保持力600N疲勞試驗(yàn)106次后不允許有裂紋或損壞；靜扭試驗(yàn)加載扭矩小于400N·m時(shí)，滾道不允許有明顯的變形壓痕和磨損。靜扭試驗(yàn)加載力矩小于 600N·m時(shí)，滾道和花鍵不允許破壞。方向盤靜強(qiáng)度分析技術(shù)參數(shù)：軸向力：方向盤承受 980N（100kg）軸向載荷時(shí)，撓曲量＜20mm，卸載后永久變形在≤3mm。轉(zhuǎn)向扭力：加載±250N.m的力矩，彈性變形≤3°，永久變形≤0.5°。疲勞分析：扭轉(zhuǎn)疲勞加載±100N.m的力矩的交變載荷，1×106次無損壞。加載頻率2.5Hz。震動(dòng)疲勞頻率為10Hz ～35Hz，按加速度±30g進(jìn)行1×106次振動(dòng)試驗(yàn)后，無損壞。轉(zhuǎn)向伸縮軸扭轉(zhuǎn)間隙，伸縮軸總成扭轉(zhuǎn)間隙S＜0.05mm；磨損要求：磨損試驗(yàn)150000次后扭轉(zhuǎn)間隙的增量 δS＜0.035mm；疲勞試驗(yàn) 106次后不允許有裂紋或損壞；靜扭試驗(yàn)加載扭矩小于 400N·m時(shí)，滾道不允許有明顯的變形壓痕和磨損；靜扭試驗(yàn)加載力矩小于 600 N·m時(shí)，滾道和花鍵不允許破壞；伸縮軸水平位置最大推拉力不能大于100N。

從20世紀(jì)50年代開始，隨著生產(chǎn)環(huán)境的變化，人們逐漸認(rèn)識(shí)到剛性自動(dòng)化的不足。大批量生產(chǎn)少數(shù)產(chǎn)品品種的局限性越來越大，包括：對(duì)市場和用戶需求的應(yīng)變能力較低；勞動(dòng)分工過細(xì)等。1952年美國麻省理工學(xué)院試制成功第一臺(tái)數(shù)控銑床，揭開了柔性自動(dòng)化生產(chǎn)的序幕。1968年英國莫林公司和美國辛辛那提公司建造了第一條由計(jì)算機(jī)集中控制的自動(dòng)化制造系統(tǒng)，定名為柔性制造系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了各種微型機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、柔性制造單元、柔性生產(chǎn)線和自動(dòng)化工廠。其主要特征是：①工序集中，無固定節(jié)拍，物料非順序輸送將高效率和高柔性融為一體。②生產(chǎn)成本低，具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。

大量定制(MassCustomization，MC)是一種在系統(tǒng)整體優(yōu)化的思想指導(dǎo)下，集企業(yè)、顧客、供應(yīng)商和環(huán)境于一體，充分利用企業(yè)已有的各種資源，根據(jù)顧客的個(gè)性化需求，以大量生產(chǎn)的低成本、高質(zhì)量和高效率提供定制產(chǎn)品和服務(wù)的生產(chǎn)模式。大規(guī)模定制的基本思想是：將定制產(chǎn)品的生產(chǎn)問題，通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造過程的重組全部或部分轉(zhuǎn)化為批量生產(chǎn)。具有以下特征：①以客戶需求為導(dǎo)向②以現(xiàn)代信息技術(shù)和先進(jìn)生產(chǎn)制造技術(shù)為支撐③以客戶細(xì)分、以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的?；?、零部件和生產(chǎn)工藝的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化為平臺(tái)。

轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向管柱支架、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、萬向節(jié)、方向盤鎖等。轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)布置在駕駛室內(nèi)部，與駕駛室儀表板和駕駛室地板固定在一起。

圖3 轉(zhuǎn)向管柱分解示意

轉(zhuǎn)向管柱由15個(gè)零部件組成，分裝完成后重量達(dá)12kg。車間工位的作業(yè)人員有2人，員工A分裝前需要拿取管柱、伸縮軸，進(jìn)行分裝，然后安裝轉(zhuǎn)向鎖并擰緊螺栓，檢測力矩合格后將半成品放入暫存區(qū)；員工B從暫存區(qū)拿取半成品，再拿取組合開關(guān)進(jìn)行安裝并捋順捆扎好線束，最后安裝護(hù)殼，分裝完成后放置于轉(zhuǎn)運(yùn)架上。在對(duì)此過程中的2名員工作業(yè)流程進(jìn)行分析，對(duì)他們的搬運(yùn)路徑進(jìn)行了測量，2名員工單車裝配移動(dòng)距離達(dá)48米，其中三次的搬運(yùn)都超過了10kg，且需要員工彎腰拿取。之后根據(jù)裝配過程繪制轉(zhuǎn)向管柱裝配流程圖，員工A、B裝配共有13個(gè)程序，耗時(shí)5.2min，無法滿足內(nèi)飾線3.6分鐘的生產(chǎn)節(jié)拍，而其中搬運(yùn)7次，占了流程的一半、耗時(shí)1.1min；若按照內(nèi)飾目前生產(chǎn)單班130量計(jì)算，2名員工需要彎腰390次，移動(dòng)距離6240米。這些看似平常的操作流程造成了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度的增大。又通過市場反饋發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱外觀質(zhì)量合格率在 2015年只有 96%，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)管柱在半成品存放區(qū)的堆積，造成了管柱與地面的磕碰劃傷，并且容易損壞時(shí)鐘彈簧，15年平均每月?lián)p壞數(shù)量達(dá)21個(gè)，因此而造成的全年直接經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)達(dá)到3萬余元。并且由此造成的走線節(jié)拍嚴(yán)重多于正常節(jié)拍，影響生產(chǎn)進(jìn)度。

在對(duì)現(xiàn)場布局的分析中，發(fā)現(xiàn)以下問題：①現(xiàn)場物料堆積嚴(yán)重，物料數(shù)量多、種類雜，造成生產(chǎn)現(xiàn)場擁擠。②中間在制品庫存大，物料暫存區(qū)占用大塊面積③員工移動(dòng)、搬運(yùn)路程多，路徑不暢，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

針對(duì)以上問題的分析，根據(jù)“ECRC”的“取消、合并、重排、簡化”原則，消除員工不必要的彎腰動(dòng)作，取消員工對(duì)中間在制品的搬運(yùn)，減少線旁物料的資金占用，對(duì)現(xiàn)場布局進(jìn)行調(diào)整：采取“U”型作業(yè)現(xiàn)場布局設(shè)計(jì)，推行“一個(gè)流”生產(chǎn)模式，減少中間在制品的庫存數(shù)量。然后通過設(shè)計(jì)工夾具，對(duì)于員工A的工作臺(tái)，充分考慮了人機(jī)工學(xué)的作業(yè)空間設(shè)計(jì)，在員工手臂作業(yè)范圍內(nèi)設(shè)計(jì)了料盒和力矩扳手存放位置，并增加了伸縮軸環(huán)形口；工作臺(tái)右側(cè)和滑道連通，減少了員工抱取管柱和搬運(yùn)的動(dòng)作。根據(jù)現(xiàn)場滑移貨架的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)了連接員工A、B的滑道，根據(jù)動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則—利用重力傳遞物料的思路，將員工A、B之間的分裝臺(tái)聯(lián)通，這樣既可以減少員工搬運(yùn)、又可以將滑道作為半成品暫存區(qū)。

圖4 總成轉(zhuǎn)運(yùn)工位器具

圖5 分裝工位器具

針對(duì)員工B，設(shè)計(jì)了與滑道等高的分裝臺(tái)與轉(zhuǎn)運(yùn)小車，員工B從滑道上取管柱、分裝完成放置管柱，兩個(gè)過程可直接滑動(dòng)取料，這樣就減少員工B的1次搬運(yùn)及彎腰。以上方案工裝的制作可以達(dá)到如下效果：員工A分裝完成后，將半成品放入在滑道帶孔的箱子上，一起隨滑道滑至員工B處，這時(shí)，員工B將半成品滑入分裝臺(tái)，然后將帶孔箱子放到下滑板上，滑入員工A處進(jìn)行重復(fù)利用，分裝結(jié)束后，將管柱直接滑入轉(zhuǎn)運(yùn)小車，小車放滿后推至裝配線。

整個(gè)作業(yè)流程中，減少了員工3次搬運(yùn)及彎腰等多余的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了按序裝配，推行了“一個(gè)流”式生產(chǎn)；整個(gè)作業(yè)過程轉(zhuǎn)向管柱全部立式放置，避免了與地面的磕碰避免磕碰劃傷，提升了外觀質(zhì)量、裝配質(zhì)量與裝配效率；線旁物料減少，作業(yè)面積減少。從以上的改善后的作業(yè)程序流程圖中可以看到，裝配時(shí)間滿足生產(chǎn)節(jié)拍，裝配效率提升35%；單班（130輛）員工搬運(yùn)由6.24km減少至2.15km，共減少彎腰390次。作業(yè)占地面積由62.4m2減少至22m2，采用“一個(gè)流”生產(chǎn)，庫存減少45.5%；而零部件外觀質(zhì)量也由96%提升至 99.7%，時(shí)鐘彈簧由每月平均損壞 21個(gè)控制在 0.17個(gè)，年節(jié)約金額2.33萬元。

圖6 總成分裝工位器具組合示意圖

此工裝設(shè)計(jì)與運(yùn)用徹底解決了為適應(yīng)新市場環(huán)境下設(shè)計(jì)的新型氣動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱的分裝緩慢問題，在設(shè)計(jì)過程中秉持精益生產(chǎn)的思想，簡化員工作業(yè)流程。秉持設(shè)計(jì)貼合實(shí)際生產(chǎn)的需求，在運(yùn)用過程中不斷提高、不斷完善。