翁玲靈，朱興龍，孫 釗

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

一種機(jī)油冷卻器加強(qiáng)墊圈夾持器的設(shè)計(jì)

翁玲靈，朱興龍，孫 釗

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

介紹了一種汽車(chē)機(jī)油冷卻器的組成及工作原理，分析了加強(qiáng)墊圈的特點(diǎn)和作用，提出了在自動(dòng)組片過(guò)程中加強(qiáng)墊圈自動(dòng)抓取的方法。根據(jù)提出的方法闡述了采用真空泵驅(qū)動(dòng)夾持器實(shí)現(xiàn)抓取的工作原理，設(shè)計(jì)了加強(qiáng)墊圈夾持器的相關(guān)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了相關(guān)的計(jì)算分析。

汽車(chē)；機(jī)油冷卻器；加強(qiáng)墊圈；夾持器；真空泵

機(jī)油冷卻器的作用主要是用于冷卻汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的熱機(jī)油，保證發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性，是汽車(chē)中必不可少的重要部件。要提高機(jī)油冷卻器的生產(chǎn)效率就需要提高自動(dòng)化程度，為此許多研究者做了大量的工作。文獻(xiàn)[1]介紹了機(jī)油冷卻器的散熱原理，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)熱循環(huán)模型，提出了機(jī)油冷卻器散熱量的試驗(yàn)方法；文獻(xiàn)[2]～[5]闡述了電磁吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)原理和影響電磁吸力的因素，設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)的電磁吸盤(pán)，它改善了普通電磁吸盤(pán)磁力小、磁力不均的問(wèn)題，并將電磁吸盤(pán)應(yīng)用在焊接工裝上；文獻(xiàn)[6]介紹了條形機(jī)油冷卻器自動(dòng)組片系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，其墊圈的抓取方法采用的是外夾法；文獻(xiàn)[7]～[10]介紹了真空吸附技術(shù)在沖壓生產(chǎn)線上以及在吸附硬質(zhì)合金刀片中的應(yīng)用，在確保板材運(yùn)動(dòng)定位精度的要求下用真空吸盤(pán)式機(jī)械手自動(dòng)上下料。

待抓取零件如果是導(dǎo)磁材料或?qū)Υ呕療o(wú)要求時(shí)可采用電磁吸盤(pán)。當(dāng)工件表面積較大，且相對(duì)平坦時(shí)，大多采用真空吸盤(pán)直接吸附抓取工件。本文所研究的機(jī)油冷卻器的加強(qiáng)墊圈結(jié)構(gòu)尺寸小，工件可被真空吸盤(pán)直接吸附的面積很小，普通真空吸盤(pán)不能完成吸附作業(yè)。又因?yàn)榧訌?qiáng)墊圈的材質(zhì)是鐵質(zhì)的，可以利用電磁吸盤(pán)抓取，但磁性具有穿透性，不能保證一次只抓取一片加強(qiáng)墊圈，所以此方法亦不可取。為此，本文根據(jù)該零件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種專(zhuān)門(mén)的夾持器，用以實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)墊圈的自動(dòng)抓取。

1 一種機(jī)油冷卻器的組成及工作原理

該機(jī)油冷卻器單元由6個(gè)零件組成，如圖1所示。從下到上依次為：底殼、加強(qiáng)墊圈(2個(gè))、下熔片、散熱翅片、上熔片、上殼。其中加強(qiáng)墊圈起到了連接承壓的作用，底殼是冷卻器單元的支撐件，其兩端有凹坑，用于放置墊圈。下熔片和上熔片起焊劑的作用，加熱后熔化，將散熱翅片焊接在底殼和上殼上。散熱翅片上沖有許多小孔，且呈波形，使流動(dòng)的機(jī)油形成一定的阻尼，同時(shí)增大與外界水箱中水的接觸面積和熱交換時(shí)間，從而使熱交換進(jìn)行得更充分，熱機(jī)油的冷卻效果更好。上殼通過(guò)翻邊與底殼的翻邊配合，將墊圈、散熱翅片、下熔片和上熔片密封起來(lái)，形成內(nèi)外兩個(gè)腔[6]。

圖1 機(jī)油冷卻器的組成零件

一個(gè)組片過(guò)程就是以底殼作為組片基礎(chǔ)件，將兩個(gè)加強(qiáng)墊圈分別放入底殼兩端的相應(yīng)位置，再依次將下熔片、散熱翅片、上熔片疊放在底殼上面，最后放上上殼，最終達(dá)到如圖2所示的組片結(jié)果，完成組片任務(wù)。

圖2 機(jī)油冷卻器單元

機(jī)油冷卻器的工作原理如圖3所示。機(jī)油冷卻器由3～5片機(jī)油冷卻器單元組合起來(lái)的，其中除最下面單元的底殼外，其他單元的底殼兩端都有通孔，因此在機(jī)油冷卻器內(nèi)部形成一個(gè)密封腔。機(jī)油冷卻器內(nèi)部與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油室相通，而外部沉浸在水箱中。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的熱機(jī)油從機(jī)油冷卻器的一端進(jìn)入冷卻器內(nèi)部，并在散熱翅片阻尼小孔作用下，充分與水箱中的水進(jìn)行熱交換，達(dá)到使熱機(jī)油冷卻的目的，將幾個(gè)單元組合起來(lái)的目的也是為了讓熱機(jī)油分成多股進(jìn)行充分冷卻，防止中間部位的機(jī)油冷卻不到。而冷卻后的機(jī)油將從機(jī)油冷卻器的另一端流回發(fā)動(dòng)機(jī)，從而保障了各部件的有效潤(rùn)滑。

圖3 條形機(jī)油冷卻器工作原理圖

2 加強(qiáng)墊圈的特點(diǎn)、作用和夾持方法

2.1加強(qiáng)墊圈的特點(diǎn)和作用

加強(qiáng)墊圈是一種外徑30mm、內(nèi)徑20mm、厚度2mm的環(huán)形鋼件。其特點(diǎn)是：(1)加強(qiáng)墊圈是環(huán)形零件，可直接吸附的面積較小;(2)加強(qiáng)墊圈是一種鋼件且質(zhì)量較輕。加強(qiáng)墊圈的作用是：(1)由于底殼兩端有向外凸起的凹槽，其目的是當(dāng)兩片機(jī)油冷卻器單元疊加時(shí)，形成片與片之間的間隙，有利于水與油交換熱能;(2)由于底殼是非常薄的鋁材，如果凹槽處空心，則不能承受一定的壓力，剛度較差，很容易使得片與片之間的間隙得不到保證，加強(qiáng)墊圈填充到底殼兩端向外凸起的凹槽中，起到了一定的加強(qiáng)剛度的作用。

2.2加強(qiáng)墊圈的夾持方法

從加強(qiáng)墊圈的特點(diǎn)來(lái)看，本文中待抓取的加強(qiáng)墊圈有效面積僅為一個(gè)環(huán)面并且是鐵質(zhì)的，需要設(shè)計(jì)一種專(zhuān)門(mén)的夾持器來(lái)完成夾持動(dòng)作。

由于加強(qiáng)墊圈碼垛在料倉(cāng)內(nèi)(如圖4所示)，因此夾持器不能采取從外圈夾持的方法(如圖5所示)，否則會(huì)與料倉(cāng)干涉，因此必須考慮內(nèi)漲的方法(如圖6所示)，且整個(gè)夾持器外形尺寸必須小于料倉(cāng)的內(nèi)徑(也就是加強(qiáng)墊圈的外徑)，也就是說(shuō)，卡爪收縮進(jìn)入加強(qiáng)墊圈的內(nèi)圈，然后卡爪張開(kāi)與加強(qiáng)墊圈的內(nèi)圈之間形成摩擦接觸，通過(guò)摩擦力克服重力實(shí)現(xiàn)抓取。當(dāng)搬至目標(biāo)點(diǎn)后再通過(guò)卡爪收縮，將加強(qiáng)墊圈放置到目標(biāo)位置，同時(shí)還需要考慮卡爪在抓取過(guò)程中只能抓取一個(gè)加強(qiáng)墊圈，因此必須設(shè)計(jì)卡爪的長(zhǎng)度及其限位裝置。再?gòu)陌徇\(yùn)的運(yùn)動(dòng)分析可知，當(dāng)夾持器卡爪進(jìn)入加強(qiáng)墊圈內(nèi)圈，且達(dá)到加強(qiáng)墊圈厚度的目的后，希望夾持器不再向下運(yùn)動(dòng)，即通過(guò)傳感器檢測(cè)后使其向下的運(yùn)動(dòng)停止，但考慮到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的慣性及電信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間，因此要設(shè)計(jì)下極限位置緩沖及停止機(jī)構(gòu)，下極限位緩沖通過(guò)彈簧實(shí)現(xiàn)，停止機(jī)構(gòu)通過(guò)接近開(kāi)關(guān)完成。

圖4 碼在料倉(cāng)中的加強(qiáng)墊圈

圖5 外夾式 圖6 內(nèi)漲式

3 加強(qiáng)墊圈夾持器組成與工作原理

3.1加強(qiáng)墊圈夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)加強(qiáng)墊圈特點(diǎn)設(shè)計(jì)夾持器的裝配結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖7所示。

該加強(qiáng)墊圈夾持器主要由11個(gè)部件組成，固定座8和移動(dòng)座5間可以相對(duì)滑動(dòng)。固定座8側(cè)面開(kāi)有鍵槽，鍵槽里裝有導(dǎo)向銷(xiāo)釘9，導(dǎo)向銷(xiāo)釘9與移動(dòng)座5是螺紋連接，導(dǎo)向銷(xiāo)釘9能起到導(dǎo)向的作用。在固定座8上裝有接近開(kāi)關(guān)6，當(dāng)夾持器向下運(yùn)動(dòng)至極限位時(shí)發(fā)出信號(hào)使運(yùn)動(dòng)停止。在移動(dòng)座5和固定座8的空腔內(nèi)安裝有緩沖彈簧7，能起到緩沖的作用，防止限位護(hù)圈10接觸料倉(cāng)中的加強(qiáng)墊圈時(shí)造成頂死現(xiàn)象。移動(dòng)座5下端的拉力盤(pán)3用來(lái)抓取加強(qiáng)墊圈的主要部件。圓周方向120°均勻排布的卡爪11與卡爪座2采用銷(xiāo)連接，卡爪座與移動(dòng)座使用螺紋連接。限位護(hù)圈10與卡爪11復(fù)位時(shí)的高度差正好等于加強(qiáng)墊圈的厚度2mm，這樣就保證了夾持器下行后卡爪只能抓取料倉(cāng)中的一個(gè)墊圈。裝在卡爪11上面的橡皮彈簧1起到復(fù)位卡爪11的作用。將氣管接頭安裝在移動(dòng)座5上端，氣管接頭與真空泵相連，能提供負(fù)壓驅(qū)動(dòng)夾持器動(dòng)作。氣囊4的設(shè)計(jì)使拉力盤(pán)3在負(fù)壓作用下上移。

1—橡皮彈簧;2—卡爪座;3—拉力盤(pán);4—?dú)饽?5—移動(dòng)座;

3.2加強(qiáng)墊圈夾持器抓取的工作原理

當(dāng)加強(qiáng)墊圈夾持器下行抓取加強(qiáng)墊圈時(shí)，首先夾持器的限位護(hù)圈接觸到加強(qiáng)墊圈，由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)存在慣性，固定座8會(huì)繼續(xù)下行一定距離，此過(guò)程中緩沖彈簧實(shí)現(xiàn)下極限位的緩沖，接近開(kāi)關(guān)6響應(yīng)后使向下的運(yùn)動(dòng)停止，并使真空泵開(kāi)始啟動(dòng)，真空泵使拉力盤(pán)3周?chē)臍怏w抽出，與外界形成壓力差，從而使得拉力盤(pán)沿滑道上移帶動(dòng)卡爪11轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，此時(shí)3個(gè)卡爪下端張開(kāi)與墊圈內(nèi)環(huán)面相接觸。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延時(shí)，電機(jī)再次啟動(dòng)，夾持器上升，加強(qiáng)墊圈被抓離料倉(cāng)。當(dāng)真空泵停止時(shí)，拉力盤(pán)在壓簧和自重的作用下下降復(fù)位，卡爪也在橡皮彈簧1的收縮力作用下復(fù)位。

拉力盤(pán)帶動(dòng)卡爪抓取加強(qiáng)墊圈的工作過(guò)程如圖8所示。圓柱狀的拉力盤(pán)下端部是圓柱圓錐的空腔，其中圓錐形成斜楔。初始狀態(tài)下，卡爪上端與拉力盤(pán)內(nèi)部的圓柱面接觸，卡爪可繞固定銷(xiāo)釘轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)榭ㄗΨ植荚谕粓A周上，且卡爪所在的外圓周尺寸略小于加強(qiáng)墊圈內(nèi)徑，使抓取部件整體下降到卡爪最下端與加強(qiáng)墊圈下底面平齊，如圖8(a)所示。當(dāng)真空泵啟動(dòng)，在夾持器內(nèi)腔形成負(fù)壓驅(qū)動(dòng)拉力盤(pán)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于拉力盤(pán)的垂直移動(dòng)使得拉力盤(pán)的斜楔面與卡爪上端接觸，如圖8(b)所示，從而使得卡爪轉(zhuǎn)動(dòng)張開(kāi)一定的角度，與加強(qiáng)墊圈內(nèi)環(huán)面接觸，借助摩擦力的作用克服加強(qiáng)墊圈的重力實(shí)現(xiàn)墊圈的抓取動(dòng)作。

圖8 拉力盤(pán)帶動(dòng)卡爪工作示意圖

3.3有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算

已知測(cè)得加強(qiáng)墊圈的質(zhì)量m=6g，對(duì)夾持器工作狀態(tài)進(jìn)行受力分析，如圖9所示，F(xiàn)1為卡爪對(duì)拉力盤(pán)側(cè)面的壓力，將F1分解為水平方向的Fa和豎直方向的Fb；F2為卡爪對(duì)墊圈的張力。

圖9 工作時(shí)受力情況

設(shè)摩擦系數(shù)f=0.2，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸測(cè)量出來(lái)的力臂L1=10mm，L2=8.4mm，α=29°，拉力盤(pán)為鋁件，由設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算出拉力盤(pán)的重力近似為G=0.1N，拉力盤(pán)直徑d=12mm，則夾持器張力F2：

(1)

由力平衡方程，得真空泵對(duì)拉力盤(pán)的支持力F≥Fb+G，即：

(2)

式中：p0為大氣壓，p0=1.0×105Pa；pb為真空泵氣壓；d為拉力盤(pán)直徑。

根據(jù)式(2)得真空度：

考慮到拉力盤(pán)向上運(yùn)動(dòng)后，會(huì)受到側(cè)壁的摩擦以及氣囊收縮時(shí)帶來(lái)的阻力，本文選用德國(guó)KNF公司生產(chǎn)的NMP09L超小型真空泵，其工作電壓為6V直流電壓，工作流量為850ml/min，真空度為500mbar，即可滿足夾持器抓取力要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

該加強(qiáng)墊圈夾持器的特點(diǎn)在于，移動(dòng)座與夾持器內(nèi)腔形成密閉空間，利用真空泵抽真空，改變拉力盤(pán)的位置，從而改變卡爪的位置，使其支撐于加強(qiáng)墊圈內(nèi)環(huán)面實(shí)現(xiàn)零件的抓取。在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同尺寸、材質(zhì)的環(huán)狀零件，可根據(jù)零件特點(diǎn)的不同，改變卡爪尺寸及轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使其支撐于零件內(nèi)環(huán)面之中。因此，該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。

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TheDesignofReinforcedGasketGripperforEngineOilCooler

WENG Lingling, ZHU Xinglong, SUN Zhao

(Yangzhou University, Jiangsu Yangzhou, 225127, China)

It introduces the composition and working principle of a type of oil cooler, analyzes the features and functions of the reinforced gasket. Then it presents the method that grabs automatically the reinforced gasket in the assembling process. Based on this method, it uses a vacuum pump to drive gripper. In addition, it also illustrates the related structure of the reinforced gasket gripper and the related calculation.

Oil Cooler; Reinforced Gasket; Gripper; Vacuum Pump Drive

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.016

2013-11-12

翁玲靈(1988—),女，江蘇泰興人，揚(yáng)州大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。

TH122

A

2095-509X(2014)02-0070-04