張陽(yáng)，李江南，李丹

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)產(chǎn)品可裝配性問(wèn)題分析

張陽(yáng)，李江南，李丹

（濰柴動(dòng)力股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究院，山東 濰坊 261061）

一款新型發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程需要經(jīng)過(guò)非常多的步驟，包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型設(shè)計(jì)階段、樣件制作階段、首臺(tái)樣機(jī)裝配、性能樣機(jī)裝配、道路試驗(yàn)等等環(huán)節(jié)。在發(fā)動(dòng)機(jī)模型設(shè)計(jì)階段，可能因?yàn)樵O(shè)計(jì)問(wèn)題導(dǎo)致零件尺寸設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、緊固件選取錯(cuò)誤、裝配空間狹小、發(fā)動(dòng)機(jī)可維修性差等問(wèn)題。文章通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)常見(jiàn)裝配類(lèi)問(wèn)題系統(tǒng)分析及查核，能夠有效減少問(wèn)題流入到實(shí)物裝配環(huán)節(jié)，大幅的縮減發(fā)動(dòng)機(jī)首臺(tái)樣機(jī)裝配時(shí)的周期，同時(shí)減少了問(wèn)題樣件的制作成本浪費(fèi)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配；設(shè)計(jì)問(wèn)題查核

引言

一款新型的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，是從無(wú)到有，從零到整的過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)、結(jié)構(gòu)都是在經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的討論后制定的，每一種零件都需要進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)、選取。故發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)工作量巨大且極其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ?。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是采用并行設(shè)計(jì)。而并行設(shè)計(jì)的實(shí)施，要求設(shè)計(jì)初期綜合考慮產(chǎn)品生命周期中的工藝規(guī)劃、制造、裝配、測(cè)試、維護(hù)、可靠性等環(huán)節(jié)的影響。在這眾多的影響中，裝配是影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要因素之一[1]。

一款成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)要有良好的裝配性、可維修性以及可靠性。加強(qiáng)面向裝配環(huán)節(jié)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有效性分析和查核研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段全面確定整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和規(guī)格，是決定產(chǎn)品總成本的重要階段。面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一種兼顧產(chǎn)品實(shí)物裝配的設(shè)計(jì)方法，總體需要考慮以下影響因素：（1）裝配時(shí)各零部件干涉問(wèn)題；零部件在裝配時(shí)的操作空間是否充足；（2）盡量減少使用專(zhuān)用的工具、工裝；（3）容易裝錯(cuò)的零部件是否具有防錯(cuò)設(shè)計(jì)；（4）設(shè)計(jì)的零部件是否符合相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；（5）發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中的日常維護(hù)、保養(yǎng)是否方便；（6）選用的零部件是否符合工作環(huán)境的使用要求；（7）產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)與現(xiàn)有的工藝水平、制造能力相一致。

對(duì)產(chǎn)品的可裝配性分析是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它能有效減少后期開(kāi)發(fā)工作中的裝配成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品成功率。本文在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)針對(duì)后期裝配工作需要提前考慮的影響因素，研究制訂了問(wèn)題查核方法。

2 裝配性問(wèn)題查核方法研究

裝配性問(wèn)題主要包括零部件干涉問(wèn)題、零件裝配空間小裝配困難、選取的螺栓對(duì)應(yīng)的工具為非標(biāo)工具、同一工序螺栓種類(lèi)過(guò)多、零部件設(shè)計(jì)尺寸不符合規(guī)定、較重零件無(wú)吊裝位置。

2.1 零部件干涉問(wèn)題

零部件干涉問(wèn)題主要分為三類(lèi)：

造成此類(lèi)干涉有兩方面原因：設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)兩個(gè)零件已發(fā)生干涉；零件加工尺寸不符合設(shè)計(jì)要求。如發(fā)動(dòng)機(jī)兩根油管在裝配環(huán)節(jié)時(shí)發(fā)生干涉。該類(lèi)問(wèn)題在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段較容易發(fā)現(xiàn)?？筛鶕?jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配流程對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行查核，能夠有效避免該類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生。當(dāng)日后續(xù)可以借用更先進(jìn)的虛擬裝配技術(shù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就模擬進(jìn)行裝配，提前將此類(lèi)問(wèn)題暴露。

（2）零件在最終裝配位置的動(dòng)態(tài)干涉

圖1 零部件動(dòng)態(tài)干涉

動(dòng)態(tài)干涉即曲軸等運(yùn)動(dòng)零部件在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中與其他零件存在干涉。該類(lèi)問(wèn)題在最終裝配環(huán)節(jié)無(wú)問(wèn)題，但零件在裝配過(guò)程或者運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程會(huì)與其它零件干涉。此類(lèi)問(wèn)題在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段不易發(fā)現(xiàn)，可重點(diǎn)關(guān)注零件在安裝行程或者周?chē)牧悴考欠翊嬖诰嚯x較近的情況，利用三維軟件模擬零部件的安裝，確認(rèn)是否存在干涉問(wèn)題。案例：某機(jī)器濾清器上兩個(gè)卡套式彎通管接頭需旋轉(zhuǎn)安裝，但因兩個(gè)安裝孔設(shè)計(jì)距離太近，在一個(gè)卡套式彎通管接頭安裝后，另一個(gè)管接頭因空間不足而無(wú)法安裝，如圖1。

（3）鑄造類(lèi)零件與整機(jī)上其他零件間未預(yù)留足夠間隙

因鑄造零件的零件公差較大，若設(shè)計(jì)階段預(yù)留間隙不足，零件制作過(guò)程時(shí)則易造成干涉問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)該類(lèi)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)布置時(shí)，應(yīng)注意預(yù)留較大間隙，必要時(shí)增加機(jī)加工尺寸控制，如圖2。

圖2 鑄造零部件干涉

2.2 裝配效率類(lèi)問(wèn)題

該類(lèi)問(wèn)題不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配及試驗(yàn)，但是該類(lèi)問(wèn)題若不進(jìn)行優(yōu)化流入到生產(chǎn)，則會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配節(jié)拍，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配效率。

（4）不全流產(chǎn)宮腔殘留也是較為常見(jiàn)的婦產(chǎn)科疾病，其聲像圖表現(xiàn)多樣，和殘留物內(nèi)容、多少以及殘留時(shí)間等有關(guān)。如果殘留時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)發(fā)生機(jī)化，使得宮腔內(nèi)部出現(xiàn)不規(guī)則高回聲團(tuán)。本研究中有10例在注入造影劑后，病灶出現(xiàn)明顯、快速的整體增強(qiáng)。倘若病灶中有機(jī)化或者血凝塊，則增強(qiáng)不均勻。

裝配效率類(lèi)問(wèn)題主要分為三類(lèi)：

（1）同一工序螺栓種類(lèi)較多

發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配效率體現(xiàn)在很多方面，若發(fā)動(dòng)機(jī)裝配某一零件時(shí)，使用的螺栓種類(lèi)過(guò)多，造成發(fā)動(dòng)機(jī)批量生產(chǎn)時(shí)要使用多種不同的套筒，操作人員要來(lái)回更換裝配用的套筒，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配效率。

如某一型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼需用五種螺栓安裝，其中有兩種螺栓（包含一種）的對(duì)邊尺寸為15mm，其余的另外三種螺栓均為M10（長(zhǎng)度不一）的標(biāo)準(zhǔn)螺栓（Q184），其對(duì)邊尺寸為13mm，造成裝配飛輪殼時(shí)需使用兩種規(guī)格的套筒。若將其余三種M10的螺栓更換為Q186標(biāo)準(zhǔn)的螺栓，則對(duì)邊全部同一為15mm，即套筒規(guī)格統(tǒng)一，減少了飛輪殼裝配的時(shí)間，提高了裝配效率。

該問(wèn)題的查核方法為，著重查看安裝螺栓較多的零件，如：飛輪殼、齒輪室、前端蓋等零件，查看裝配該類(lèi)零件的螺栓對(duì)邊尺寸在不更改等級(jí)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量統(tǒng)一。

（2）選取的螺栓需使用非常規(guī)工具

該問(wèn)題為部分螺栓選取時(shí)未使用標(biāo)準(zhǔn)螺栓，導(dǎo)致螺栓對(duì)邊即套筒尺寸為非標(biāo)工具，若未提前采購(gòu)相關(guān)套筒等工具，造成發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)時(shí)無(wú)工具可用，耽誤裝機(jī)進(jìn)展。

該類(lèi)問(wèn)題查核方法為根據(jù)整機(jī)BOM篩選出非標(biāo)螺栓，著重查核非標(biāo)螺栓的對(duì)邊尺寸，對(duì)照套筒的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，查核是否存在選取的螺栓對(duì)邊需使用非標(biāo)套筒的情況。如當(dāng)選取某一M12的螺栓時(shí)，應(yīng)選擇對(duì)邊為18mm的螺栓，盡量不能選取對(duì)邊為19mm、20mm的螺栓。

（3）裝配空間過(guò)小影響裝配效率

裝配空間過(guò)小問(wèn)題，即發(fā)動(dòng)機(jī)在零部件裝配過(guò)程中工具或者工裝無(wú)法放入及空間不滿(mǎn)足工具最小的轉(zhuǎn)動(dòng)行程，導(dǎo)致零部件難裝配或無(wú)法裝配。如圖3中，因螺栓的裝配空間過(guò)小，造成套筒無(wú)法放入。

該問(wèn)題的查核方法為利用裝配工具、工裝的三維，模擬各零部件的裝配過(guò)程，查核是否存在因空間過(guò)小造成零部件無(wú)法裝配。

圖3 裝配空間過(guò)小

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性問(wèn)題

發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的可靠性問(wèn)題主要體現(xiàn)在零部件是否符合該零件規(guī)定的工作環(huán)境，零部件是否可靠耐用以及某一零件的選取、設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范及要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性問(wèn)題主要分為四類(lèi)：

（1）關(guān)鍵零件的力矩?zé)o法控制問(wèn)題

圖4 無(wú)法控制力矩

螺紋連接是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的聯(lián)接方式之一，螺紋聯(lián)接的質(zhì)量直接關(guān)系著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、安全性和各聯(lián)接部位的泄漏情況[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)的一些關(guān)鍵螺栓及零件，如：主軸承螺栓、飛輪螺栓、排氣管螺栓、高壓油管等，該類(lèi)零件在裝配時(shí)都有特殊的安裝要求，若裝配環(huán)節(jié)未按照相關(guān)的裝配要求進(jìn)行控制，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程極易出現(xiàn)重大的安全事故。該類(lèi)問(wèn)題在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)借用工具的三維模型，提前驗(yàn)證關(guān)鍵零件的力矩能否使用力矩扳手把緊。如圖4中，高壓油管螺母處空間較小，無(wú)法用力矩扳手裝配。

（2）零件不能滿(mǎn)足工作環(huán)境的問(wèn)題

該類(lèi)問(wèn)題主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程時(shí)的高溫區(qū)域、過(guò)油區(qū)域的零部件。如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管螺栓、增壓器安裝螺栓螺母是否為耐高溫零件，油路中的O型橡膠密封圈是否耐油，排氣管等高溫零部件周?chē)欠裼胁荒透邷氐乃芰狭悴考取?/p>

（3）選取的零件不符合設(shè)計(jì)規(guī)范

該類(lèi)問(wèn)題主要集中在螺栓、膠圈、墊圈等通用零件。該類(lèi)零件選取時(shí)需符合相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，如組合密封墊圈金屬圈的壓緊部分是否大于2/3金屬圈總面積。該類(lèi)零件選取若不合適，則可能造成螺栓斷裂、墊圈密封失效等問(wèn)題。如圖5中，螺塞壓緊在組合密封墊圈金屬圈部分遠(yuǎn)小于規(guī)范要求2/3。

圖5 密封墊圈選取不符合規(guī)范

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，機(jī)械行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件愈來(lái)愈趨向虛擬化和智能化，發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)時(shí)若能夠利用有效工具，通過(guò)空間精準(zhǔn)建模，基于產(chǎn)品整體零部件間的相關(guān)裝配關(guān)系分析，系統(tǒng)的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)查核，則能夠大大減少問(wèn)題流入到實(shí)物裝配環(huán)節(jié)。不僅能夠節(jié)省研發(fā)費(fèi)用，也能進(jìn)一步縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成功率。

[1] 趙勇,徐誠(chéng).產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)的干涉檢查[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù).1998.

[2] 林湖.發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵螺栓緊固理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].2002.

Analysis of Common Assembly Problems in Engine Design

Zhang Yang, Li Jiangnan, Li Dan

( Weichai Power Co., Ltd. Engine Technology Research Institute, Shandong Weifang 261061 )

The development process of a new engine needs to go through many steps, including engine model design stage, samples making, first prototype assembly, performance prototype assembly, road test and so on. In the stage of engine model design, design problems may lead to problems such as parts size design error, wrong choice of fasteners, narrow assembly space and poor maintainability of the engine. This paper introduces the systematic analysis and check of common assembly problems in engine design, which can effectively avoid the occurrence of engine assembly, greatly reduce the assembly cycle of the first prototype engine, and reduce the production cost waste of problem samples.

Engine assembly; Design problem checking

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.046

U466

B

1671-7988(2021)02-143-03

U466

B

1671-7988(2021)02-143-03

張陽(yáng)（1990-），男，山東大學(xué)人，本科，工程師，就職于濰柴動(dòng)力股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究院。