十字軸萬(wàn)向節(jié)軸叉裝配工裝夾具設(shè)計(jì)

李 嬌 王 震

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

1 概述

目前市場(chǎng)上萬(wàn)向節(jié)裝配主要靠人力手工裝配，裝配時(shí)受力不均勻，裝配質(zhì)量差、精度低，質(zhì)量得不到保證，導(dǎo)致客戶索賠率高。同時(shí)工人操作時(shí)手不能離開(kāi)工件，有時(shí)致使工人手部經(jīng)常受傷，不能很高效的保證工人的人身安全。為提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，提升裝配質(zhì)量，適應(yīng)企業(yè)發(fā)展和滿足用戶的需要，需研發(fā)十字軸萬(wàn)向節(jié)全自動(dòng)裝配機(jī)。

萬(wàn)向節(jié)是汽車傳動(dòng)軸上的關(guān)鍵部件，為了保證輸出軸與輸入軸的瞬時(shí)角速度始終保持一致，在汽車傳動(dòng)系中采用的最廣泛的是安裝在變速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋主減速器輸入軸之間的雙萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸，這類部件是由空心的軸管和兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)組成?？招妮S管一端的內(nèi)花鍵與萬(wàn)向節(jié)花鍵軸組成了滑動(dòng)花鍵副，用于傳遞長(zhǎng)度的變化。商用載重車最常用的是十字軸式萬(wàn)向節(jié)，十字軸式萬(wàn)向節(jié)由突緣叉、十字軸、花鍵叉（或軸叉如圖1 所示）、軸承、孔用彈性擋圈等零部件組成。兩萬(wàn)向節(jié)叉上的孔分別套在十字軸的兩對(duì)軸頸上，在十字軸軸頸和萬(wàn)向節(jié)叉孔間裝有軸承，軸承外圈靠彈性擋圈完成軸向定位，阻止軸承外滑。十字軸式萬(wàn)向節(jié)零件數(shù)量少，因此它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且十字軸萬(wàn)向節(jié)也有很高的可靠性，是汽車傳動(dòng)軸的重要零件[1]。

圖1 萬(wàn)向節(jié)軸叉

2 十字軸萬(wàn)向節(jié)軸叉裝配工裝夾具方案設(shè)計(jì)

夾具和夾緊系統(tǒng)的主要任務(wù)為定義位置(位置和姿態(tài))的工件，裝夾在機(jī)床的工作空間來(lái)維持定義位置，即使在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)機(jī)械、熱負(fù)荷的影響下，使工件依然靜止不動(dòng)。夾具是保障加工系統(tǒng)精確一部分，其公差影響加工結(jié)果的質(zhì)量。夾具設(shè)計(jì)方法的研究是現(xiàn)在人們熱衷的課題，特別是到智能夾具的應(yīng)用[2,3]，在未來(lái)將是重中之重。在本文軸叉裝配工裝夾具設(shè)計(jì)中，如何有效并且針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)對(duì)軸叉的夾取，如何在實(shí)現(xiàn)夾具穩(wěn)定工作的同時(shí)如何保護(hù)工件在頻繁振動(dòng)的情況下仍然狀態(tài)良好是必須要考慮的問(wèn)題。

本設(shè)計(jì)在近距離的了解當(dāng)前的手工裝配十字軸萬(wàn)向節(jié)的工藝流程之后進(jìn)行，設(shè)計(jì)來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工人師傅的裝夾順序進(jìn)行程序分解設(shè)計(jì)。本文十字軸萬(wàn)向節(jié)軸叉裝配工裝夾具設(shè)計(jì)的靈感來(lái)自壓面機(jī)，它的固定結(jié)構(gòu)就是與下圖類似，這是最普遍使用的機(jī)械壓板。所以設(shè)計(jì)思路就是在緊固螺栓位置處換成一個(gè)氣缸從上邊往下邊壓，然后在支承導(dǎo)軌的位置設(shè)計(jì)成一個(gè)定位支架從而可以完成軸叉的定位。

3 軸叉夾具總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夾具總成機(jī)械系統(tǒng)通常是通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞動(dòng)力和扭矩。機(jī)械系統(tǒng)一般比較直觀，零件的制造也相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備的維修也比較簡(jiǎn)單，負(fù)載大小的變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)比影響較小，受外界環(huán)境影響也較小[4]。

機(jī)械系統(tǒng)采用氣壓傳動(dòng)，這是近幾十年才被廣泛應(yīng)用的一種傳動(dòng)方式，它是以壓縮空氣為工作介質(zhì)來(lái)進(jìn)行能量和信號(hào)的傳遞，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化用空氣做介質(zhì)，取之不盡，來(lái)源方便，用后直接排放，不污染環(huán)境，不需要回氣管路，因此管路不復(fù)雜[5]。

軸叉自動(dòng)推送定位機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如上圖2 所示。推送支架的氣缸圖2a、軸叉支架圖2b、水平滑軌圖2c。氣缸推送支架包括軸叉的動(dòng)作由PLC 控制，水平滑軌的前端有外設(shè)的感應(yīng)裝置，可以及時(shí)的反饋氣缸的工作狀態(tài)。配合滑動(dòng)機(jī)架上邊的豎直方向氣缸圖2d 一起完成軸叉的夾緊工作。

圖2 軸叉自動(dòng)推送定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

具體的工作原理是先是由人工手動(dòng)放置軸叉在下支架和下支架上邊，這兩個(gè)支架是用圓柱銷和內(nèi)六角螺栓來(lái)定位的，在放置好了軸叉之后下一步就是在確定了其他工位已經(jīng)準(zhǔn)備就緒之后，手動(dòng)控制氣缸打開(kāi)然后軸叉在氣缸的推送下輸送到指定位置，這時(shí)候是會(huì)有外設(shè)的傳感裝置來(lái)識(shí)別軸叉的具體位置。從而在PLC 中做出判斷是否需要控制水平方向氣缸的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)指定的位置之后，傳感器會(huì)同時(shí)控制水平方向氣缸和豎直方向的氣缸，水平方向的氣缸停止運(yùn)動(dòng)，豎直方向的氣缸在等待幾秒之后開(kāi)始工作直到推送到指定位置，配合水平方向的氣缸進(jìn)行夾緊。此時(shí)只是完成了軸叉的夾緊工作。在軸叉與突緣叉和十字軸完成一定的配合之后，另外的兩個(gè)水平方向的氣缸工作，使上邊的滑動(dòng)支架就需要進(jìn)行移動(dòng)給上端的機(jī)械手騰出位置。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)

在電機(jī)的作用下，等待水平位置的軸承以及卡簧安裝完畢之后，電機(jī)會(huì)帶動(dòng)齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。大齒輪是焊接在中央支撐板上邊的，小齒輪與電機(jī)通過(guò)鍵槽配合，中央支撐板會(huì)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿著地板支撐架的導(dǎo)軌進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)90 度之后就會(huì)實(shí)現(xiàn)下一工位的作用，首先是軸承的壓裝，繼而是卡簧的壓裝。由于軸承以及卡簧的壓裝都是水平方向的作用，因此在旋轉(zhuǎn)之后不需要極大的力來(lái)平衡夾具的受力。所以選擇的是齒輪減速電機(jī)。

3.3 軸叉各部位夾緊定位實(shí)現(xiàn)

定位夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)之前要先了解零件的具體構(gòu)造。十字軸萬(wàn)向節(jié)軸叉的耳部有上下兩面的斜平面，而且在軸叉后邊也就是尾部是由幾個(gè)環(huán)狀圓形組成的，因此可以在斜面上下兩個(gè)面施加壓力，在尾部添加支架通過(guò)固定階梯軸的方式來(lái)固定軸叉，這樣的情況下在軸承的壓裝過(guò)程中可能還會(huì)發(fā)生振動(dòng)，因此在尾部支架固定軸叉的尾部之后，再使用另外一個(gè)支架來(lái)輔助定位，同時(shí)也是利用了尾部環(huán)狀階梯軸的多重結(jié)構(gòu)，這樣可以巧妙地減輕軸叉在壓裝軸承時(shí)的振動(dòng)。

軸叉下端支架的設(shè)計(jì)：軸叉的耳部下端可以設(shè)計(jì)為如圖3 所示的結(jié)構(gòu)。軸叉下端的支架是一個(gè)內(nèi)凹的支架板，通過(guò)沉頭孔中的內(nèi)六角螺栓和滑軌底板相連，再通過(guò)三枚圓柱銷定位，在軸叉進(jìn)行軸叉壓裝的過(guò)程中有比較大的切向力，所以設(shè)計(jì)為三個(gè)圓柱銷。再次觀察設(shè)計(jì)的支架1 可以很清楚的看到軸叉是水平的放置，而且如果是人工上料也不會(huì)消耗太多的時(shí)間去擺正，底部的機(jī)架已經(jīng)是十分穩(wěn)固的基座。不難發(fā)現(xiàn)在下支架2 中會(huì)同樣的有對(duì)尾部的一個(gè)周向定位，這樣可以減少振動(dòng)，在下支架2 的后端有個(gè)環(huán)形凸臺(tái)，這樣做的目的是便于與氣缸結(jié)合便于氣缸的回拉帶動(dòng)支架后退，實(shí)現(xiàn)工序的連續(xù)性。

圖3 圖支架固定形式

軸叉上端壓塊的設(shè)計(jì)：由于本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中涉及到了軸叉的旋轉(zhuǎn)，并且在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中需要始終保持軸叉與機(jī)架的相對(duì)位置不發(fā)生任何變化，所以在壓塊已經(jīng)壓緊軸叉的情況下，依然需要在壓塊的后端加一個(gè)周向固定的結(jié)構(gòu)。壓塊的上端也是有一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，目的與前邊的支架結(jié)構(gòu)一致，與氣缸相連，便于提升和壓緊。

十字軸萬(wàn)向節(jié)軸叉叉工裝夾具設(shè)計(jì)時(shí)既要使軸叉定位夾緊比較合適，又要保證軸叉機(jī)架底面上的孔位置分布均勻，還要確定十字軸萬(wàn)向節(jié)軸叉工裝夾具的軸叉在夾緊狀態(tài)下可以合理地進(jìn)行裝配。因此需要先保證工件定位和夾緊符合該工序的要求，設(shè)計(jì)時(shí)要通過(guò)定位元件將其所有的自由度全部限制，然后考慮夾緊問(wèn)題，六個(gè)自由度都應(yīng)該被限制。所以最終的軸叉夾具設(shè)計(jì)直接與其接觸的結(jié)構(gòu)就是如圖4a 所示的形式。后續(xù)可在此機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上附加輔助機(jī)構(gòu)來(lái)完成軸叉的移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)。

圖4 夾具定位實(shí)現(xiàn)

中央支撐板的設(shè)計(jì)：中央支撐板的滑軌位置由銑刀銑出，通過(guò)焊接的形式聯(lián)接在支撐板的底端。中央支撐板的設(shè)計(jì)，兩端的設(shè)計(jì)同樣是導(dǎo)軌的形式，是便于滑動(dòng)機(jī)架的滑移。

滑動(dòng)支架的設(shè)計(jì)：滑動(dòng)支架設(shè)計(jì)如圖4b 所示，中間是大支架，兩側(cè)是外伸的環(huán)形鉤。下段的設(shè)計(jì)是突出的結(jié)構(gòu)，是為了與中央支撐板的配合。兩端的鉤狀結(jié)構(gòu)同樣是配合中央支撐板的設(shè)計(jì)。

底板支撐架的設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)底板時(shí)，要嚴(yán)格考慮工作臺(tái)地板的形狀，因?yàn)榈匕迨瞧鸬蕉ㄎ缓椭蔚淖饔?。所以工作臺(tái)底板上面難免要有定位孔。夾具體底板和定位塊一樣，是起定位的作用。

3.4 夾具裝配總成

夾具后端是一個(gè)輸送裝置，前邊是壓緊裝置同時(shí)兼加工位置，但是并未實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的功能，因?yàn)樵谳S承的壓裝過(guò)程中需要與突緣叉結(jié)合，并且十字軸的安裝使夾具總成必須實(shí)現(xiàn)至少90 度的旋轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)在近距離的了解當(dāng)前的手工裝配十字軸萬(wàn)向節(jié)的工藝流程之后進(jìn)行，設(shè)計(jì)來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際。軸叉各部位夾緊定位設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)之后，裝配可獲得夾具裝配總成如圖5 所示。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工人師傅的裝夾順序進(jìn)行程序分解設(shè)計(jì)。先是工人師傅上料，手動(dòng)放置軸叉，然后在后邊的氣缸支持下實(shí)現(xiàn)夾具的移動(dòng)，將其推送至指定的位置。隨后大支架上的氣缸開(kāi)始工作，滑動(dòng)支架在兩側(cè)的水平氣缸的作用下滑移到軸叉的上方停止。放置壓塊配合下邊的支架進(jìn)行軸叉的定位，壓塊在豎直氣缸的作用下壓緊軸叉。進(jìn)行軸叉軸承壓裝的工序。壓裝完成之后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸叉順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，再進(jìn)行后面的壓裝卡簧的工序。

圖5 夾具裝配總成

本設(shè)計(jì)已經(jīng)加工制造出來(lái)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所有夾緊功能均可實(shí)現(xiàn)，后期再添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)軸叉裝配總成的旋轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可行。

4 結(jié)論

目前十字軸自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線仍處于空白，人工裝配流水線相較而言，效率較低下，產(chǎn)品質(zhì)量不能保證，工人損傷大。自動(dòng)化的工裝夾具利用機(jī)械零部/構(gòu)件代替人工操作部分，能達(dá)到自動(dòng)化解放多余勞動(dòng)力的目的。本文設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)軸叉的自動(dòng)夾緊。該夾緊系統(tǒng)，配合其他送料及壓裝系統(tǒng)一起，從而實(shí)現(xiàn)十字軸萬(wàn)向節(jié)全的自動(dòng)裝配。本設(shè)計(jì)成果能夠被廣泛應(yīng)用在汽車等多領(lǐng)域的十字軸萬(wàn)向節(jié)裝配工作中并且獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。