屈 創(chuàng)，王 琪

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼四軸螺栓擰緊機(jī)的設(shè)計(jì)

屈 創(chuàng)，王 琪

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

針對企業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼多使用單軸或雙軸擰緊機(jī)進(jìn)行擰緊，用于裝配線上大批量生產(chǎn)時(shí)效率相對較低的問題，設(shè)計(jì)了一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼螺栓聯(lián)接的四軸擰緊機(jī)，采用絲桿螺母機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過四個(gè)擰緊軸前后、左右、上下移動(dòng)，同時(shí)同一部分上的兩擰緊軸一個(gè)可相對于另一個(gè)固定的擰緊軸移動(dòng)，能同時(shí)擰緊四個(gè)不同間距和不同中心距的螺栓組。用ANSYS Workbench對擰緊軸底板進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明其強(qiáng)度和變形都滿足設(shè)計(jì)要求。該擰緊機(jī)用于發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼裝配線工作范圍大，生產(chǎn)效率高，擰緊質(zhì)量可靠，能很好的保證油底殼良好的密封性能。

發(fā)動(dòng)機(jī);油底殼;螺栓擰緊機(jī)

0 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)由成百上千的零部件組成，作為汽車的“心臟”，其制造技術(shù)是整車制造技術(shù)的集中體現(xiàn)。能否保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的性能，實(shí)現(xiàn)可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)，很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程的關(guān)鍵工序——裝配[1]。螺紋聯(lián)接是發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中廣泛采用的一種方法，70%的發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)接為螺紋聯(lián)接[2]。

油底殼是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分。油底殼也是曲軸箱的下半部，又稱為下曲軸箱。作用是封閉曲軸箱作為貯油槽的外殼，防止雜質(zhì)進(jìn)入，并收集和儲(chǔ)存由柴油機(jī)各摩擦表面流回的潤滑油，散去部分熱量，防止?jié)櫥脱趸?，所以其密封性能是極其重要的[3]。而油底殼是用螺栓將其與曲軸箱的上半部擰緊聯(lián)接的，因此螺栓的擰緊質(zhì)量對油底殼的密封性能有重要影響。

傳統(tǒng)擰緊工具都容易受到操作力大小和速度、視覺誤差等因素的影響，擰緊機(jī)的出現(xiàn)使擰緊技術(shù)得到了有效地控制[4]。擰緊機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中是不可缺少的一部分，它決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，也是發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的保障[5]。

國外在螺紋擰緊技術(shù)方面的研究起步較早[6]，90年代末，國外的裝配作業(yè)線上的裝配工具已經(jīng)逐步從手動(dòng)、電動(dòng)工具向低能耗、低噪聲、控制精度等可控制擰緊設(shè)備發(fā)展[7]。而且國外的擰緊機(jī)設(shè)計(jì)注重人機(jī)工程學(xué)，對可靠性、擰緊精度及安全性要求苛刻[8]，產(chǎn)品質(zhì)量高，但價(jià)格昂貴。國內(nèi)最初是通過引進(jìn)消化吸收國外設(shè)備來進(jìn)行研究，現(xiàn)在一些企業(yè)已經(jīng)能自行設(shè)計(jì)和開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的擰緊機(jī)。但目前企業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼上螺栓的擰緊多使用單軸或雙軸擰緊機(jī)進(jìn)行擰緊，由于發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼上螺栓數(shù)目多，用于裝配線上大批量生產(chǎn)時(shí)效率相對較低。為此，本文設(shè)計(jì)了一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼螺栓聯(lián)接的四軸擰緊機(jī)，可同時(shí)擰緊四個(gè)螺栓，能提高生產(chǎn)效率，而且工作范圍大，擰緊質(zhì)量可靠，能很好的保證油底殼良好的密封性能。發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼在裝配線上一次裝夾定位后，可將其與曲軸箱的上半部聯(lián)接的螺栓全部擰緊，用于發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼裝配生產(chǎn)線能提高自動(dòng)化程度和效率。

1 擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)及各部分功能

該發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼四軸螺栓擰緊機(jī)由左右相同的兩部分結(jié)構(gòu)和底座組成，每一部分結(jié)構(gòu)都由立柱、下部移動(dòng)組件、上部移動(dòng)組件及擰緊軸組件組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 擰緊機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

該擰緊機(jī)采用絲桿螺母機(jī)構(gòu)和滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，下部移動(dòng)組件可前后移動(dòng)，上部移動(dòng)組件可左右移動(dòng)，同時(shí)上部移動(dòng)組件中的擰緊軸組件可上下移動(dòng)對發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼螺栓進(jìn)行擰緊。擰緊軸組件中的一個(gè)擰緊軸可相對于另一個(gè)移動(dòng)，便于同時(shí)擰緊同一方向 (前后方向)上不同中心距的兩個(gè)螺栓。

1.1 下部移動(dòng)組件結(jié)構(gòu)及功能

下部移動(dòng)組件通過螺栓安裝在立柱上的水平架上。它主要由安裝板、伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、絲桿、螺母、浮動(dòng)塊、直線導(dǎo)軌、滑塊、止動(dòng)片及傳感器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.軸承蓋 2.前軸承座 3.止動(dòng)片 4.導(dǎo)軌 5.安裝板 6.滑塊 7.伺服電機(jī) 8.聯(lián)軸器 9.電機(jī)連接座 10.后軸承座 11.傳感器 12.浮動(dòng)塊 13.螺母 14.絲桿

圖2 下部移動(dòng)組件

下部移動(dòng)組件由伺服電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿再帶動(dòng)螺母移動(dòng)，從而使得與螺母固定安裝在一起的浮動(dòng)塊前后移動(dòng)，最后浮動(dòng)塊帶動(dòng)與其和四個(gè)滑塊固定連接在一起的上部移動(dòng)組件前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與上部移動(dòng)組件安裝在一起的擰緊軸組件前后移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)螺栓不同位置的前后方向定位。

1.2 上部移動(dòng)組件結(jié)構(gòu)及功能

上部移動(dòng)組件通過水平滑動(dòng)板安裝在下部移動(dòng)組件中的浮動(dòng)塊和四個(gè)滑塊上。它主要由水平滑動(dòng)板、安裝角板、上下滑動(dòng)板、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲桿螺母機(jī)構(gòu)、氣缸驅(qū)動(dòng)上下移動(dòng)的滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)及傳感器組成。安裝角板相互垂直的兩個(gè)面上分別有兩個(gè)用螺栓聯(lián)接的導(dǎo)軌。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

上部移動(dòng)組件水平方向(左右方向)驅(qū)動(dòng)原理與下部移動(dòng)組件前后方向驅(qū)動(dòng)原理相同，都是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿螺母機(jī)構(gòu)最后帶動(dòng)滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)移動(dòng)，唯一不同點(diǎn)是后者最后帶動(dòng)的是滑塊相對于導(dǎo)軌移動(dòng)，而前者則相反。上部移動(dòng)組件水平方向(左右方向)的移動(dòng)和下部移動(dòng)組件前后方向的移動(dòng)保證了擰緊軸組件對多個(gè)螺栓不同位置的平面坐標(biāo)定位。

1.傳感器 2.滑塊 3.導(dǎo)軌 4.絲桿 5.水平滑動(dòng)板 6.浮動(dòng)塊 7.軸承座 8.電機(jī)連接座 9.伺服電機(jī) 10.安裝角板 11.導(dǎo)軌 12.滑塊 13.上下滑動(dòng)板 14.傳感器 15.氣缸

圖3 上部移動(dòng)組件

上部移動(dòng)組件垂直方向是由氣缸驅(qū)動(dòng)安裝有滑塊的上下滑動(dòng)板移動(dòng)，從而帶動(dòng)安裝在上下滑動(dòng)板上的擰緊軸組件上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)擰緊軸的升降功能。

1.3 擰緊軸組件結(jié)構(gòu)及功能

擰緊軸組件通過螺栓安裝在上部移動(dòng)組件的上下滑動(dòng)板上。它主要由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲桿螺母機(jī)構(gòu)、滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、擰緊軸及擰緊軸安裝座等組成。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.擰緊軸 2.滑動(dòng)擰緊軸安裝座 3.絲桿 4.軸承座 5. 伺服電機(jī) 6.導(dǎo)軌 7.擰緊軸底板 8.固定擰緊軸安裝座

圖4 擰緊軸組件

擰緊軸組件右邊的擰緊軸固定在擰緊軸底板上，左邊的擰緊軸安裝座后裝有滑塊，可以在導(dǎo)軌上移動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)原理與下部移動(dòng)組件前后方向驅(qū)動(dòng)原理相同。這樣一個(gè)擰緊軸可相對于另一個(gè)擰緊軸移動(dòng)，便于同時(shí)擰緊同一方向(前后方向)上不同中心距的兩個(gè)螺栓。擰緊機(jī)左右相同的兩部分結(jié)構(gòu)可同時(shí)擰緊四個(gè)螺栓，效率高。

1.4 擰緊軸的選擇

作為螺栓擰緊，實(shí)際上就是要使兩被聯(lián)接體間具備足夠的壓緊力，反映到螺栓上就是它的軸向預(yù)緊力。而不論是兩被聯(lián)接體間的壓緊力還是螺栓上的軸向預(yù)緊力，在工作現(xiàn)場均很難檢測，也就很難予以直接控制，并且發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中的油底殼對扭矩精度要求相對不高，所以，可采取扭矩控制法進(jìn)行間接控制[9]。

擰緊軸是擰緊機(jī)用來擰緊螺栓的執(zhí)行件，是擰緊機(jī)中非常重要的部分。在擰緊螺栓時(shí)，其擰緊扭矩T需要克服被旋合螺紋間的摩擦力矩和螺栓與被連接件(或墊圈)支撐面間的摩擦力矩，并使聯(lián)接產(chǎn)生預(yù)緊力F，它們的關(guān)系為[10]：

T=K·d·F×10-3

其中：T是擰緊力矩(N·m)；F是螺栓軸向預(yù)緊力(N)；K是擰緊扭矩系數(shù)；d是螺紋的公稱直徑(mm)。擰緊扭矩系數(shù)K一般在0.1～0.3之間變化。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，擰緊扭矩系數(shù)一般取0.2[10]。

通過以上公式計(jì)算，擰緊軸需要輸出的扭矩為30 N·m，采用擰緊過程伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶有觸摸屏顯示的電動(dòng)伺服擰緊軸，其前端伸縮軸伸縮量為50mm。擰緊軸如圖4擰緊軸組件中安裝的兩根。

2 擰緊軸底板有限元分析

擰緊軸底板上的擰緊軸在擰緊發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼上的螺栓時(shí)所產(chǎn)生的力可能會(huì)破壞擰緊軸底板的強(qiáng)度，因此有必要對擰緊軸底板進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析及強(qiáng)度校核。

2.1 定義材料屬性

利用 Solidworks 與 ANSYS 14.0 的數(shù)據(jù)接口將擰緊軸底板模型導(dǎo)入 ANSYS Workbench 中，進(jìn)入機(jī)構(gòu)靜力分析Static Structure 模塊，設(shè)置單位為kg、mm、s；定義擰緊軸底板模型的材料屬性，具體參數(shù)如表1所示。

表1 擰緊軸底板材料及其參數(shù)

2.2 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對計(jì)算結(jié)果有很大影響，進(jìn)入 Model 環(huán)境，對簡化后的模型(忽略螺紋和倒角特征)進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，并設(shè)置Body Sizing下的Element Size為10mm，擰緊軸底板模型被劃分為18025個(gè)單元和31921個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分圖

2.3 邊界與載荷的約束

采用 Fixed support 方法對擰緊軸底板背面兩個(gè)連接處進(jìn)行固定約束，如圖6所示；載荷采用合力Force的方式施加在擰緊軸底板正面的相關(guān)聯(lián)接件的端面上，如圖7所示，合力大小為3900N，方向沿Y軸負(fù)向，此力為擰緊軸擰緊發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼上的螺栓時(shí)對擰緊軸底板產(chǎn)生的力，實(shí)際力小于3900 N，此處留有安全余量。

圖6 載荷約束圖 圖7 載荷約束圖

2.4 后處理及結(jié)果分析

進(jìn)入Solution對擰緊軸底板的等效應(yīng)力和全位移進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖8為應(yīng)力云圖，圖9為位移云圖。

圖8 應(yīng)力云圖

圖9 位移云圖

強(qiáng)度校核條件[11]：

[σ]=σlim/[S]>σcamax

式中,[σ]—材料的許用應(yīng)力；σlim—材料的屈服應(yīng)力；[S] —材料的安全系數(shù)，取1.2；σca max—實(shí)際計(jì)算出來的最大應(yīng)力。

由圖8知通過有限元分析得到擰緊軸底板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應(yīng)力σcamax為31.223MPa；[σ]=σlim/[S]=195.83MPa，從強(qiáng)度計(jì)算可知σcamax< [σ]，擰緊軸底板強(qiáng)度滿足要求。

圖9中擰緊軸底板的最大變形量為0.10557mm,可知在材料允許的彈性變形范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks設(shè)計(jì)了一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼螺栓聯(lián)接的四軸擰緊機(jī)，四個(gè)擰緊軸可前后、左右、上下移動(dòng)，能同時(shí)擰緊四個(gè)不同間距和不同中心距的螺栓組。用ANSYS Workbench對擰緊軸底板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)有限元分析，其強(qiáng)度和變形量都滿足設(shè)計(jì)要求。該四軸擰緊機(jī)用于發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼裝配線工作范圍大，效率高，擰緊質(zhì)量可靠，能很好的保證油底殼良好的密封性能。

[1] 張小林. 淺析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線規(guī)劃設(shè)計(jì)[J]. 裝備制造技術(shù)，2008 (12):151-152.

[2] 初泰安. 螺栓擰緊方法及預(yù)緊力控制[J]. 石化技術(shù)，2004,11(3):42-45.

[3] 馬富銀，黃新良,吳偉蔚,等. 柴油機(jī)油底殼動(dòng)態(tài)密封性能改進(jìn)[J]. 潤滑與密封，2012,37(3):98-101.

[4] 馮德富，黃躍進(jìn). 擰緊機(jī)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用[A]. 中國汽車工程學(xué)會(huì).面向未來的汽車與交通—2013中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集精選[C].北京: 中國汽車工程學(xué)會(huì)，2013.

[5] 張繼，王德權(quán)，楊林. 發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線的擰緊機(jī)設(shè)計(jì)及質(zhì)量數(shù)據(jù)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2012,29(1):80-83.

[6] 鄭勁松. 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓擰緊工藝與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 上海:上海交通大學(xué)，2008.

[7] 衛(wèi)道柱.螺紋自動(dòng)擰緊機(jī)的研制[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2004.

[8] Michael J Brezonick．FURTHERING FLEXIBILITY AND SAFETY: New Sauer-Danfoss Automotive Control technology designed to address machine operating, safety issues[J]．Diesel progress: International Edition，2010，29(2).

[9] 馮德富. 汽車裝配的螺栓擰緊[J]. 現(xiàn)代零部件，2009(12):45-47.

[10] 黃恭偉. 螺紋擰緊技術(shù)研究及擰緊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[11] 張?jiān)鲋? 耐磨高錳鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

(編輯 李秀敏)

Design of Four Axis Bolt Tightening Machine for Engine Oil Pan

QU Chuang，WANG Qi

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003,China)

Engine oil pans of the enterprise are tightening by uniaxial or biaxial tightening machine. Efficiency of assembly line mass production is relatively low. A four axis tightening machine is designed for the bolt connection of engine oil pan. Using the design of screw nut mechanism and rail slide mechanism, it makes four screw shaft move up and down, left and right sides, before and after. At the same time, the same part of the two axis of the shaft can be moved with respect to another fixed tightening shaft. It can also tighten the bolt group with four different distance and different center distance. ANSYS Workbench is used to carry out the finite element analysis of the structure of the shaft bottom plate. The results show that the intensity and deformation meet the design requirements. The tightening machine is used for the assembly line of engine oil pan. With the large working range, high production efficiency and the reliable tighten quality, it can ensure good sealing performance of oil pan.

engine; oil pan; bolt tightening machine

1001-2265(2016)12-0141-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.038

2016-01-05;

2016-02-26

屈創(chuàng)(1989—)，男，陜西咸陽人，江蘇科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造，(E-mail)1104488967@qq.com。

TH122；TG65

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