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      曲軸端面封堵工裝的設(shè)計(jì)

      2022-06-20 09:53:56徐冬華
      金屬加工(冷加工) 2022年5期
      關(guān)鍵詞:增力形圈曲柄

      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。

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