張 嬌，陳 鵬，王小娟，裴 偉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司寶駿基地發(fā)動(dòng)機(jī)工廠，廣西 柳州545007）

托盤作為發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線輔助機(jī)具，用于發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)旋轉(zhuǎn)和定位。雖然國(guó)內(nèi)很多學(xué)者提出了托盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如王遠(yuǎn)志提出氣缸為驅(qū)動(dòng)的齒輪齒條回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[1]，周建東提出油缸為驅(qū)動(dòng)的曲柄連桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[2]，湛立明改進(jìn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[3]，楊寧設(shè)計(jì)了摩擦式托盤回轉(zhuǎn)裝置[4]等，但這些托盤或回旋機(jī)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、旋轉(zhuǎn)速度慢且不穩(wěn)定、損壞易難維護(hù)等缺點(diǎn)。傳統(tǒng)托盤的工件旋轉(zhuǎn)是通過該工位工人對(duì)工件所在的托盤進(jìn)行手動(dòng)旋轉(zhuǎn)、定位，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，廣受中國(guó)車企歡迎，但也存在易于損壞問題，尤其是翻轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)過程中，托盤結(jié)構(gòu)若設(shè)計(jì)不當(dāng)，則受力部位會(huì)出現(xiàn)磨損、斷裂等問題，同時(shí)影響托盤的維修工時(shí)及維修費(fèi)用。

本文將介紹如何對(duì)傳統(tǒng)托盤進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，增加托盤定位可靠性及托盤耐用性。

1 現(xiàn)狀

某公司自2012年來使用的一款發(fā)動(dòng)機(jī)裝配旋轉(zhuǎn)托盤在長(zhǎng)期運(yùn)行后，出現(xiàn)手柄斷裂、連接螺栓滑牙、接觸部位磨損、零部件相對(duì)旋轉(zhuǎn)失效、彈簧失效等失效模式，分析根本原因?yàn)橥斜P結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材質(zhì)的選擇不恰當(dāng)。

該款發(fā)動(dòng)機(jī)托盤由底座、轉(zhuǎn)臺(tái)、立柱、翻轉(zhuǎn)支架、鎖緊機(jī)構(gòu)、接油盤、手柄、托架構(gòu)成，轉(zhuǎn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)繞Z軸360°旋轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)支架可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)繞X軸360°旋轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)支架和轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到位后用鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖止（見圖1）。翻轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，手柄、轉(zhuǎn)臺(tái)與鎖止機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)支架與鎖緊機(jī)構(gòu)承受多重交變載荷，部件及緊固螺栓容易斷裂、磨損、疲勞斷裂等失效，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮降低部件疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)及失效后易快速修復(fù)功能。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)托盤結(jié)構(gòu)圖

2 托盤設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 托盤底座

常見托盤底座材料為鋁合金、碳鋼，雖然鋁合金材質(zhì)特點(diǎn)為重量輕、塑性好，可以減少輥道對(duì)托盤的摩擦，但在長(zhǎng)期運(yùn)行后，由于鋁合金材質(zhì)過軟，托盤與旋轉(zhuǎn)手柄連接螺紋孔在長(zhǎng)期受各種交變力后，螺紋孔滑牙嚴(yán)重，各零部件連接失效（見圖2）?？蛇M(jìn)行如下設(shè)計(jì)優(yōu)化：（1）改進(jìn)底板材料，由鋁換成碳鋼，提高螺紋孔抗應(yīng)力能力；（2）將連接螺栓由M10改成M12，提高螺栓連接強(qiáng)度；（3）改設(shè)計(jì)優(yōu)化同步可應(yīng)用在立柱上。

圖2 托盤底座螺紋孔滑牙失效

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中需潤(rùn)滑，潤(rùn)滑殘油滴落在托盤上。現(xiàn)有托盤表面粗糙度大，油漬難以擦拭、清理干凈，油槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初衷為避免托盤上的殘油滴落地面，但此設(shè)計(jì)帶來油槽邊沿難以清潔的問題。設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，為同時(shí)滿足殘油不滴落地面及托盤易于清潔維護(hù)，將托盤設(shè)計(jì)為光滑平板（見圖3），取消托盤上的油槽結(jié)構(gòu)，增加接油盤裝置（見圖4），油盤位于發(fā)動(dòng)機(jī)正下方，且長(zhǎng)寬與發(fā)動(dòng)機(jī)相同，確保發(fā)動(dòng)機(jī)上的殘油滴入接油盤內(nèi)部。

圖3 托盤底座

圖4 油槽改為接油盤圖

2.2 轉(zhuǎn)臺(tái)鎖緊機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)臺(tái)鎖緊機(jī)構(gòu)（見圖5）對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行定位鎖緊，防止轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在裝配過程或旋轉(zhuǎn)托盤時(shí)，都會(huì)對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)定位塊上的螺栓產(chǎn)生剪切力，螺栓長(zhǎng)期受剪切力導(dǎo)致螺紋孔變大，鎖緊失效。設(shè)計(jì)優(yōu)化：為降低螺栓及螺紋孔承受的應(yīng)力，在托盤底座鎖緊機(jī)構(gòu)的安裝面加工一個(gè)凹槽（見圖6），使鎖緊塊嵌入在托盤底座上。轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力作用在底座凹槽側(cè)面，螺紋孔不受剪切力，從而避免螺栓連接失效。

圖5 轉(zhuǎn)臺(tái)鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖6 底座上的鎖緊機(jī)構(gòu)安裝面

轉(zhuǎn)臺(tái)鎖緊機(jī)構(gòu)依靠彈簧完成鎖緊，彈簧在長(zhǎng)期交替應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生形變、斷裂等失效，從而導(dǎo)致托盤定位定位功能降低或失效。根據(jù)力的相互作用性，鎖緊機(jī)構(gòu)受剪切力的同時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)也受到反作用力，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)定位孔造成磨損，更換整個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)困難、成本高。設(shè)計(jì)優(yōu)化：可在彈簧中部增加了彈簧導(dǎo)向桿，轉(zhuǎn)臺(tái)定位部分設(shè)計(jì)為單獨(dú)部件并進(jìn)行硬度處理（見圖7），減少?gòu)椈蓮澢冃?，增加彈簧使用壽命，?duì)比生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)增加導(dǎo)向桿前后，彈簧使用壽命明顯提高（見圖8），降低轉(zhuǎn)臺(tái)磨損，減少托盤維護(hù)工作。

圖7 彈簧內(nèi)增加導(dǎo)向桿

圖8 現(xiàn)場(chǎng)增加導(dǎo)向桿前后彈簧對(duì)比圖

2.3 手柄設(shè)計(jì)

托盤旋轉(zhuǎn)手柄及支架翻轉(zhuǎn)手柄為易損件，其結(jié)構(gòu)帶螺紋的桿身連接托盤底座和球頭，常見損壞方式為：（1）螺桿上的螺紋連接位置斷裂（如圖紅圈1～4號(hào)位置）；（2）位置4的螺栓斷裂后，位于立柱內(nèi)的殘余螺桿難取出；（3）桿身與凸臺(tái)結(jié)合處（位置5）易受剪切力而斷裂（如圖9中5號(hào)位置）。設(shè)計(jì)優(yōu)化：（1）加大螺桿直徑，提高螺栓抗剪切力；（2）將4號(hào)位置由螺栓連接更改為螺栓+螺母連接，避免螺栓斷裂在立柱內(nèi)部難取處（如圖10）；（3）手柄安裝凸臺(tái)上開沉孔，使手柄桿嵌入凸臺(tái)（見圖11），當(dāng)扳動(dòng)手柄時(shí)產(chǎn)生的剪切力作用于沉孔部位的手柄桿身上，減少螺桿的部分受剪切力而斷裂。

圖9 手柄易損位置圖

圖10 手柄設(shè)計(jì)優(yōu)化前后對(duì)比圖

圖11 手柄結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

2.4 翻轉(zhuǎn)支架

翻轉(zhuǎn)支架定位銷為圓錐銷時(shí)，定位銷與翻轉(zhuǎn)支架配合面為線接觸，定位銷易磨損。設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，可將圓柱銷改為梯形銷，定位銷與翻轉(zhuǎn)支架由線接觸變?yōu)槊娼佑|，增加接觸面積時(shí)，單位面積的接觸面受力減少，可減少翻轉(zhuǎn)支架的磨損，見圖12.

圖12 翻轉(zhuǎn)支架定位銷更改前后圖

排氣側(cè)翻轉(zhuǎn)支架由兩部分組成，夾爪與發(fā)動(dòng)連接，發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)支撐桿自旋轉(zhuǎn)，兩部分的連接方式為2圓柱銷+3螺栓，圓柱銷為獨(dú)立部件，與支撐桿和卡爪為過贏配合，發(fā)動(dòng)機(jī)翻轉(zhuǎn)時(shí)易掉出，造成兩部分相對(duì)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致定位失效；設(shè)計(jì)優(yōu)化：將翻轉(zhuǎn)支架連接方式更改為方形銷+3螺栓連接方式（如圖13），方形銷與支撐桿一體，且方形銷的接觸面積大于圓柱銷，避免定位銷松脫，同時(shí)減少定位銷磨損.

圖13 排氣側(cè)翻轉(zhuǎn)支架更改前后圖

進(jìn)氣測(cè)翻轉(zhuǎn)支架支撐桿上的定位槽用于固定發(fā)動(dòng)機(jī)，翻轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)為兩部分支撐桿+夾爪，在發(fā)動(dòng)機(jī)翻轉(zhuǎn)過程中受交替載荷，定位槽易磨損，磨損后需要更換整個(gè)支撐桿，更換成本大。設(shè)計(jì)優(yōu)化：將翻轉(zhuǎn)支架由兩大部件組成改為三大部件組成（見圖14），撐桿定位盤+桿身+夾爪，當(dāng)定位槽磨損后，僅需要更換支撐桿定位盤，避免磨損后更換成本高。

圖14 進(jìn)氣側(cè)翻轉(zhuǎn)支架更改前后圖

3 結(jié)束語

本文對(duì)傳統(tǒng)的托盤結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，已在裝配線上實(shí)際實(shí)施及測(cè)試（改進(jìn)后的托盤實(shí)物如圖15所示），實(shí)踐證明優(yōu)化后的托盤定位可靠性及托盤耐用性大大的提升，托盤季度維護(hù)數(shù)量下降9套，維護(hù)成本降低1872元/季度。這些改善降低了運(yùn)行維護(hù)成本，減少了維修工的維修強(qiáng)度，制作工藝簡(jiǎn)單，制造成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于在自動(dòng)化裝配線中推廣應(yīng)用，其市場(chǎng)前景十分廣闊。

圖15 托盤及翻轉(zhuǎn)支架改進(jìn)后實(shí)物圖