XIAOZHONGMING

来源：上汽通用五菱汽车股份有限公司  作者：秦　杰

      摘　要：在装配发动机曲轴皮带轮过程中，曲轴的定位对皮带轮螺栓的拧紧扭力有着直接的影响，而不同的定位方式又与设备、工具、工装息息相关。在某发动机工厂装配生产线，采用的是定位盘设备自动定位，即利用定位盘上的定位销插入曲轴后端螺纹孔的方式，但存在定位销易折断，且损伤曲轴螺纹孔等问题。通过对皮带轮及相关工艺分析研究，对曲轴皮带轮装配方法进行改进，设计出了卡位工装和限位支架，有效解决了拧紧曲轴皮带轮过程中曲轴定位难的问题。实际使用证明，该装配方法保证了曲轴皮带轮的装配精度和装配质量的稳定性，同时可以大大提高生产效率，完全满足流水线批量生产的需求。


      关键词：曲轴皮带轮；装配；卡位工装；限位支架


      0..引　言


      曲轴皮带轮是汽油机上的关键功能部件之一，安装在曲轴前端，随曲轴一起旋转。它是带动其它发动机附件的动力来源，依靠传动皮带带动发电机、水泵、助力泵、压缩机等运转［１］ 。


      国内外对于曲轴皮带轮已经开展了一些研究，并且取得了一些成果：Ｈｅｅ－Ｊｉｎ Ｓｈｉｍ 对皮带轮进行了优化设计及验证，提出了一个新的形状优化过程，以提高其耐用性和疲劳寿命［２］ ；Ｊｉａｎｙｅ Ｇｕｏ 等人研究了汽车发动机皮带轮减震器，并根据曲轴扭转振动频率响应特性曲线，皮带轮的一些物理参数等得出了最佳的设计方案［３］ ；郑国世等人研究了柴油机曲轴皮带轮转动惯量的极限值，得出了一些体会和成果［４］ ；杨当友等人对发动机曲轴皮带轮垫片开裂进行了分析，表明淬火温度高、垫片尺寸处于易裂尺寸范围是造成开裂的原因［５］ ；莫煜等人通过实验阐述了皮带轮不同的工艺对于橡胶体与齿环和轮毂连接强度的影响［６］ ；何江华等人发明了一种用于柴油机曲轴皮带轮装配方法及导向工装，消除了曲轴皮带轮上的定位槽难以对正曲轴小头上的定位槽的难题，克服了在曲轴皮带轮压装过程中曲轴皮带轮相对曲轴小头的相位角度变动的现象［７］ 。


      目前的研究主要集中在曲轴皮带轮结构的优化、性能的完善、引起故障的诊断以及一些重要参数指标的研究，而对于曲轴皮带轮在流水线上的装配过程开展的工作较少。然而，曲轴皮带轮的装配对于流水线生产节拍，发动机的性能都有着直接的影响，而装配的工艺、设备、工装又是影响装配质量以及装配效率的关键因素。本文结合某工厂发动机装配线，首先介绍了曲轴皮带轮的装配工艺；然后对一二期生产线装配过程进行了对比，分析了二期存在的问题；最后结合皮带轮结构及相关的工艺要求，对装配方法进行改进，设计出了卡位工装和限位支架的新型装配方案。经过验证，采用此方法能适用各种机型的曲轴皮带轮装配，且完全满足流水线大批量生产的需求。


      1.曲轴皮带轮装配工艺介绍及问题分析

      1．1　曲轴皮带轮装配工艺简介


      曲轴皮带轮通过螺栓紧固在曲轴前端，曲轴前端和曲轴皮带轮之间的装配要求是过渡配合，依靠曲轴前端上的键槽和曲轴皮带轮上的键槽通过半圆键来传递力矩。安装时曲轴皮带轮上的键槽卡入曲轴前端的键中用于自然定位，如图１、图２ 所示，即在压装曲轴皮带轮的整个过程中，曲轴皮带轮和曲轴之间的角度都需要保持正确。拧紧曲轴皮带轮螺栓采用的是可调式支架电枪，拧紧时依靠曲轴定位盘来固定曲轴。

      1．2　一二期两条生产线曲轴皮带轮装配过程对比


      从实际生产运行来看，一期生产线无论是在生产节拍、设备运行率以及装配稳定性方面均要好于二期生产线。通过对比人、机、料、法、环，除了机型以外，一二期生产线的差异主要是曲轴定位盘的定位方式。一期在安装曲轴皮带轮之前会在曲轴后端面安装一个飞轮定位销，因此在拧紧曲轴皮带轮螺栓时，直接将此飞轮定位销插入曲轴定位盘进行曲轴的固定，曲轴定位盘上不需要安装定位销，如图３ 所示。

　    而二期生产线由于工艺安排有所区别，飞轮定位销在安装曲轴皮带轮之后才安装。因此在拧紧曲轴皮带轮螺栓时，需要在曲轴定位盘上安装三个定位销，然后插入曲轴后端的螺纹孔进行曲轴的固定，如图４ 所示。1．3　二期生产线曲轴皮带轮装配问题分析从二期的实际生产来看，经常出现曲轴定位盘定位销断裂、曲轴后端螺纹孔损伤等问题，严重影响了生产运行。结合曲轴皮带轮螺栓扭力，Ｂ１２ 机型为９５±５ Ｎ'ｍ，Ｂ１５ 机型为９５ Ｎ'ｍ＋（５５°±４°），Ｂ１５ 的静态扭力甚至可以达到２００ Ｎ'ｍ，分析如下。


     （１） 曲轴定位盘上的定位销采取的是铜质材料，因扭力较大，在螺栓拧紧终了时发出的强大冲击力会对定位销造成损伤，频繁的更换及维护严重影响了生产；


     （２） 因需要插入曲轴后端螺纹孔进行定位，会对螺纹孔造成一定程度的损坏，存在质量隐患；


     （３） 曲轴定位盘其它故障也较频繁，给曲轴定位带来很大困难，难以满足大批量生产的需求。

       2.曲轴皮带轮装配方案设计及工作原理


       定位盘的自动定位方式虽然更为方便，但是定位销极易断裂及对曲轴质量存在影响，因此需要对曲轴定位的装配方法进行重新设计，使其能适应流水线的各方面需求。2．1　方案设计方案设计要考虑制造质量、生产节拍以及人机工程三个主要因素，其中制造质量主要是保证曲轴皮带轮装配精度和装配质量的稳定性，同时不对皮带轮及曲轴前端等造成损伤；生产节拍主要考虑整个装配过程要满足生产线速的要求，要能提高生产效率；人机工程则是该工装不能给员工带来身体上的损伤，要尽量保证员工装配过程的便利性及协调性。


       方案的基本思路如图５ 所示，分为卡位工装以及限位支架两部分，卡位工装是依附在限位支架上的，并且可以自由拿取，其结构尺寸等各项参数主要是根据各种机型皮带轮结构尺寸、装配要求来设计。因为装配时皮带轮依靠键在曲轴上进行了定位，可以考虑在拧紧螺栓时用工装固定皮带轮，进而也固定了曲轴；而限位支架用螺栓固定在可调式支架电枪前端，一方面对卡位工装起到固定限位的作用，另一方面也能方便流水线上进行连续性的操作。2．2　工作原理该设计方案完全颠覆了传统的定位理念，而是利用了被拧紧对象（曲轴皮带轮）的特点，特别是卡位工装的设计更是直接依赖于皮带轮的结构。对于二期生产线来说，Ｂ１２ 和Ｂ１５ 两种机型的皮带轮各有其特点，因此卡位工装的设计根据机型有所区别，而限位支架是通用的。

       2．2．1　卡位工装原理


       以Ｂ１５ 机型为例，其中一种皮带轮结构如图６ 所示，在轮盘上设有四个工艺孔以减轻皮带轮的重量。根据此皮带轮的结构特点，卡位工装设计如图７ 所示。

　     由于是圆形工艺孔，因此设计为圆柱形定位销，四个定位销插入相应四个工艺孔中，而下端较粗的限位角则是插入限位支架当中，定位销和限位角相互配合保证了拧紧时以及拧紧终了皮带轮的定位。另外拧紧过程中由于电枪旋转较快，扭力较大，容易带动此卡位工装与皮带轮脱离，从而损伤皮带轮。因此在工装与皮带轮的接触面上钻两个孔，用过盈配合方式镶嵌两个磁铁，有效解决了此问题。目前二期线上总共存在三种皮带轮，其主要区别在于工艺孔的形状及数量。比如Ｂ１５ 机型还有一种是只有三个工艺孔，且为扇形的设计，相应的卡位工装插入皮带轮工艺孔的部分也要相应设计为扇形。


       2．2．2　限位支架原理


      限位支架是和卡位工装进行配合使用，限制拧紧过程中皮带轮旋转，保证拧紧效果，如图８ 所示。

　    整体结构是一块Ｌ 形的钢板，通过两个螺栓孔固定在可调式支架电枪前端，其中间位置挖出一个电枪头套筒大小的孔，以便让电枪头可伸出拧紧。在孔的两个对称位置再挖出羊角式的限位槽，使拧紧时卡位工装的两个限位块能插入限位支架，通过支架的限位，达到拧紧时电枪转动但不能带动皮带轮的作用。这里巧妙的利用了力平衡原理，设计了两个限位受力点，使拧紧终了的强大惯性力相互抵消，防止“虚扭矩”的产生以及对皮带轮的损伤。和卡位工装类似，这里也要镶嵌两个磁铁，一方面在不操作时可固定卡位工装在钢板上，另一方面在拧紧终了时轻轻往后拨一下即可迅速的回位，有效解决了定位以及循环使用的问题。目前这个方案已经在二期正式投入使用，如图９ 所示。

       3.结　论


       通过对曲轴皮带轮装配问题的分析与研究，提出了卡位工装和限位支架的解决方案，经过生产运行验证可以得出以下结论。


      （１） 卡位工装和限位支架构造简单、结构合理、利于加工及拆装，无需特殊材料和特殊工艺处理，制造成本低。


      （２） 该装配方法投入使用后，保证了曲轴皮带轮的装配精度和装配质量的稳定性，同时提高了生产效率，完全满足流水线批量生产的需求，同时可以推广到同类型特别是大扭矩发动机曲轴皮带轮的装配。


      （３） 此方案各部件的具体结构和参数完全根据曲轴皮带轮的结构参数以及装配要求对应确定，卡位工装为专用件，而限位支架为通用件，能满足所有机型的需求。因此生产线上的工装、工具应尽可能的进行柔性化设计，最终构建一种能快速适应不同机型及装配要求的柔性化生产线。


      （４） 此方案的一个缺陷在于采用手工工装进行装配，生产节拍比原来定位盘的自动定位方式多出３ ｓ 的操作时间，且相应增加了人机工程的压力。