張陽，李江南，李丹

發(fā)動機設(shè)計環(huán)節(jié)產(chǎn)品可裝配性問題分析

張陽，李江南，李丹

（濰柴動力股份有限公司 發(fā)動機技術(shù)研究院，山東 濰坊 261061）

一款新型發(fā)動機的開發(fā)過程需要經(jīng)過非常多的步驟，包括發(fā)動機模型設(shè)計階段、樣件制作階段、首臺樣機裝配、性能樣機裝配、道路試驗等等環(huán)節(jié)。在發(fā)動機模型設(shè)計階段，可能因為設(shè)計問題導(dǎo)致零件尺寸設(shè)計錯誤、緊固件選取錯誤、裝配空間狹小、發(fā)動機可維修性差等問題。文章通過對發(fā)動機設(shè)計環(huán)節(jié)常見裝配類問題系統(tǒng)分析及查核，能夠有效減少問題流入到實物裝配環(huán)節(jié)，大幅的縮減發(fā)動機首臺樣機裝配時的周期，同時減少了問題樣件的制作成本浪費，提高發(fā)動機的可靠性。

發(fā)動機裝配；設(shè)計問題查核

引言

一款新型的發(fā)動機設(shè)計，是從無到有，從零到整的過程。發(fā)動機的基本參數(shù)、結(jié)構(gòu)都是在經(jīng)過無數(shù)次的討論后制定的，每一種零件都需要進行重新的設(shè)計、選取。故發(fā)動機的設(shè)計是一項工作量巨大且極其嚴謹?shù)墓ぷ鳌．a(chǎn)品設(shè)計的發(fā)展趨勢是采用并行設(shè)計。而并行設(shè)計的實施，要求設(shè)計初期綜合考慮產(chǎn)品生命周期中的工藝規(guī)劃、制造、裝配、測試、維護、可靠性等環(huán)節(jié)的影響。在這眾多的影響中，裝配是影響產(chǎn)品設(shè)計的重要因素之一[1]。

一款成熟的發(fā)動機要有良好的裝配性、可維修性以及可靠性。加強面向裝配環(huán)節(jié)的產(chǎn)品設(shè)計有效性分析和查核研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計

發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計階段全面確定整個產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和規(guī)格，是決定產(chǎn)品總成本的重要階段。面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計是一種兼顧產(chǎn)品實物裝配的設(shè)計方法，總體需要考慮以下影響因素：（1）裝配時各零部件干涉問題；零部件在裝配時的操作空間是否充足；（2）盡量減少使用專用的工具、工裝；（3）容易裝錯的零部件是否具有防錯設(shè)計；（4）設(shè)計的零部件是否符合相關(guān)的設(shè)計標準；（5）發(fā)動機使用過程中的日常維護、保養(yǎng)是否方便；（6）選用的零部件是否符合工作環(huán)境的使用要求；（7）產(chǎn)品的設(shè)計方案應(yīng)當(dāng)與現(xiàn)有的工藝水平、制造能力相一致。

對產(chǎn)品的可裝配性分析是產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它能有效減少后期開發(fā)工作中的裝配成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品成功率。本文在發(fā)動機設(shè)計環(huán)節(jié)針對后期裝配工作需要提前考慮的影響因素，研究制訂了問題查核方法。

2 裝配性問題查核方法研究

裝配性問題主要包括零部件干涉問題、零件裝配空間小裝配困難、選取的螺栓對應(yīng)的工具為非標工具、同一工序螺栓種類過多、零部件設(shè)計尺寸不符合規(guī)定、較重零件無吊裝位置。

2.1 零部件干涉問題

零部件干涉問題主要分為三類：

造成此類干涉有兩方面原因：設(shè)計環(huán)節(jié)兩個零件已發(fā)生干涉；零件加工尺寸不符合設(shè)計要求。如發(fā)動機兩根油管在裝配環(huán)節(jié)時發(fā)生干涉。該類問題在發(fā)動機設(shè)計階段較容易發(fā)現(xiàn)。可根據(jù)發(fā)動機的裝配流程對各個系統(tǒng)進行查核，能夠有效避免該類問題的發(fā)生。當(dāng)日后續(xù)可以借用更先進的虛擬裝配技術(shù)，在發(fā)動機的設(shè)計環(huán)節(jié)就模擬進行裝配，提前將此類問題暴露。

（2）零件在最終裝配位置的動態(tài)干涉

圖1 零部件動態(tài)干涉

動態(tài)干涉即曲軸等運動零部件在運轉(zhuǎn)過程中與其他零件存在干涉。該類問題在最終裝配環(huán)節(jié)無問題，但零件在裝配過程或者運轉(zhuǎn)過程會與其它零件干涉。此類問題在發(fā)動機設(shè)計階段不易發(fā)現(xiàn)，可重點關(guān)注零件在安裝行程或者周圍的零部件是否存在距離較近的情況，利用三維軟件模擬零部件的安裝，確認是否存在干涉問題。案例：某機器濾清器上兩個卡套式彎通管接頭需旋轉(zhuǎn)安裝，但因兩個安裝孔設(shè)計距離太近，在一個卡套式彎通管接頭安裝后，另一個管接頭因空間不足而無法安裝，如圖1。

（3）鑄造類零件與整機上其他零件間未預(yù)留足夠間隙

因鑄造零件的零件公差較大，若設(shè)計階段預(yù)留間隙不足，零件制作過程時則易造成干涉問題。發(fā)動機該類零件進行設(shè)計布置時，應(yīng)注意預(yù)留較大間隙，必要時增加機加工尺寸控制，如圖2。

圖2 鑄造零部件干涉

2.2 裝配效率類問題

該類問題不影響發(fā)動機的裝配及試驗，但是該類問題若不進行優(yōu)化流入到生產(chǎn)，則會增加發(fā)動機的裝配節(jié)拍，影響發(fā)動機的裝配效率。

（4）不全流產(chǎn)宮腔殘留也是較為常見的婦產(chǎn)科疾病，其聲像圖表現(xiàn)多樣，和殘留物內(nèi)容、多少以及殘留時間等有關(guān)。如果殘留時間長，會發(fā)生機化，使得宮腔內(nèi)部出現(xiàn)不規(guī)則高回聲團。本研究中有10例在注入造影劑后，病灶出現(xiàn)明顯、快速的整體增強。倘若病灶中有機化或者血凝塊，則增強不均勻。

裝配效率類問題主要分為三類：

（1）同一工序螺栓種類較多

發(fā)動機的裝配效率體現(xiàn)在很多方面，若發(fā)動機裝配某一零件時，使用的螺栓種類過多，造成發(fā)動機批量生產(chǎn)時要使用多種不同的套筒，操作人員要來回更換裝配用的套筒，影響發(fā)動機的裝配效率。

如某一型號的發(fā)動機飛輪殼需用五種螺栓安裝，其中有兩種螺栓（包含一種）的對邊尺寸為15mm，其余的另外三種螺栓均為M10（長度不一）的標準螺栓（Q184），其對邊尺寸為13mm，造成裝配飛輪殼時需使用兩種規(guī)格的套筒。若將其余三種M10的螺栓更換為Q186標準的螺栓，則對邊全部同一為15mm，即套筒規(guī)格統(tǒng)一，減少了飛輪殼裝配的時間，提高了裝配效率。

該問題的查核方法為，著重查看安裝螺栓較多的零件，如：飛輪殼、齒輪室、前端蓋等零件，查看裝配該類零件的螺栓對邊尺寸在不更改等級強度的基礎(chǔ)上盡量統(tǒng)一。

（2）選取的螺栓需使用非常規(guī)工具

該問題為部分螺栓選取時未使用標準螺栓，導(dǎo)致螺栓對邊即套筒尺寸為非標工具，若未提前采購相關(guān)套筒等工具，造成發(fā)動機裝機時無工具可用，耽誤裝機進展。

該類問題查核方法為根據(jù)整機BOM篩選出非標螺栓，著重查核非標螺栓的對邊尺寸，對照套筒的標準規(guī)格，查核是否存在選取的螺栓對邊需使用非標套筒的情況。如當(dāng)選取某一M12的螺栓時，應(yīng)選擇對邊為18mm的螺栓，盡量不能選取對邊為19mm、20mm的螺栓。

（3）裝配空間過小影響裝配效率

裝配空間過小問題，即發(fā)動機在零部件裝配過程中工具或者工裝無法放入及空間不滿足工具最小的轉(zhuǎn)動行程，導(dǎo)致零部件難裝配或無法裝配。如圖3中，因螺栓的裝配空間過小，造成套筒無法放入。

該問題的查核方法為利用裝配工具、工裝的三維，模擬各零部件的裝配過程，查核是否存在因空間過小造成零部件無法裝配。

圖3 裝配空間過小

2.3 發(fā)動機可靠性問題

發(fā)動機零部件的可靠性問題主要體現(xiàn)在零部件是否符合該零件規(guī)定的工作環(huán)境，零部件是否可靠耐用以及某一零件的選取、設(shè)計是否符合設(shè)計規(guī)范及要求。

發(fā)動機的可靠性問題主要分為四類：

（1）關(guān)鍵零件的力矩?zé)o法控制問題

圖4 無法控制力矩

螺紋連接是發(fā)動機中最重要的聯(lián)接方式之一，螺紋聯(lián)接的質(zhì)量直接關(guān)系著發(fā)動機的動力性、安全性和各聯(lián)接部位的泄漏情況[2]。發(fā)動機的一些關(guān)鍵螺栓及零件，如：主軸承螺栓、飛輪螺栓、排氣管螺栓、高壓油管等，該類零件在裝配時都有特殊的安裝要求，若裝配環(huán)節(jié)未按照相關(guān)的裝配要求進行控制，發(fā)動機運行過程極易出現(xiàn)重大的安全事故。該類問題在發(fā)動機設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)借用工具的三維模型，提前驗證關(guān)鍵零件的力矩能否使用力矩扳手把緊。如圖4中，高壓油管螺母處空間較小，無法用力矩扳手裝配。

（2）零件不能滿足工作環(huán)境的問題

該類問題主要集中在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程時的高溫區(qū)域、過油區(qū)域的零部件。如發(fā)動機排氣管螺栓、增壓器安裝螺栓螺母是否為耐高溫零件，油路中的O型橡膠密封圈是否耐油，排氣管等高溫零部件周圍是否有不耐高溫的塑料零部件等。

（3）選取的零件不符合設(shè)計規(guī)范

該類問題主要集中在螺栓、膠圈、墊圈等通用零件。該類零件選取時需符合相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，如組合密封墊圈金屬圈的壓緊部分是否大于2/3金屬圈總面積。該類零件選取若不合適，則可能造成螺栓斷裂、墊圈密封失效等問題。如圖5中，螺塞壓緊在組合密封墊圈金屬圈部分遠小于規(guī)范要求2/3。

圖5 密封墊圈選取不符合規(guī)范

3 結(jié)束語

目前，機械行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計軟件愈來愈趨向虛擬化和智能化，發(fā)動機在設(shè)計環(huán)節(jié)時若能夠利用有效工具，通過空間精準建模，基于產(chǎn)品整體零部件間的相關(guān)裝配關(guān)系分析，系統(tǒng)的對發(fā)動機各系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)查核，則能夠大大減少問題流入到實物裝配環(huán)節(jié)。不僅能夠節(jié)省研發(fā)費用，也能進一步縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品開發(fā)成功率。

[1] 趙勇,徐誠.產(chǎn)品裝配設(shè)計的干涉檢查[J].機械科學(xué)與技術(shù).1998.

[2] 林湖.發(fā)動機關(guān)鍵螺栓緊固理論與實驗研究[D].2002.

Analysis of Common Assembly Problems in Engine Design

Zhang Yang, Li Jiangnan, Li Dan

( Weichai Power Co., Ltd. Engine Technology Research Institute, Shandong Weifang 261061 )

The development process of a new engine needs to go through many steps, including engine model design stage, samples making, first prototype assembly, performance prototype assembly, road test and so on. In the stage of engine model design, design problems may lead to problems such as parts size design error, wrong choice of fasteners, narrow assembly space and poor maintainability of the engine. This paper introduces the systematic analysis and check of common assembly problems in engine design, which can effectively avoid the occurrence of engine assembly, greatly reduce the assembly cycle of the first prototype engine, and reduce the production cost waste of problem samples.

Engine assembly; Design problem checking

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.046

U466

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張陽（1990-），男，山東大學(xué)人，本科，工程師，就職于濰柴動力股份有限公司發(fā)動機技術(shù)研究院。