四驅車前橋驅動半軸裝配角度調整工裝設計

2017-06-15 18:31:31錢仕德

制造業自動化 2017年5期

錢仕德

（北京奔馳汽車有限公司制造工程部，北京 100176）

四驅車前橋驅動半軸裝配角度調整工裝設計

錢仕德

（北京奔馳汽車有限公司制造工程部，北京 100176）

為了解決奔馳E系四驅車型前橋左、右驅動半軸裝配工藝瓶頸，提出了三種解決四驅車前橋驅動半軸裝配的方案，通過對三種方案分析和比較，確定了文中詳述的移動式制動盤升降控制方式，其通過控制制動盤高度調整來實現驅動半軸與中間軸的相對位置角度控制。在保證裝配質量的條件下，提升了裝配效率，最終解決了該裝配點的工藝瓶頸。

四驅；半軸裝配；制動盤舉升；角度調節

0 E系車4MATIC車前橋結構與裝配工藝介紹

奔馳E系車四驅結構沿用了奔馳越野鼻祖G系列四驅結構的基礎形式，四驅功能在一定程度上增加E車的安全性與動力在不同路況條件下的分配合理性。與非四驅車型一樣，發動機采用縱向布置形式，只是在非四驅車型的基礎上，在前橋增加了1套開放式差速器，并通?過電子輔助系統根據需要實現在不同路況條件下的動力分配。

E系四驅前橋驅動半軸是全浮式形式，包括前左半軸與前右半軸。左右驅動半軸在總裝前已裝到制動盤上，左側驅動半軸與中間軸配合，軸端為母軸。右驅動半軸與差速器孔配合，為公軸。左右半軸與制動盤連接處結構均相同，半軸外端延伸至制動盤蓋的外端，然后外端上的法蘭盤再與制動盤罩通過螺栓連接，半軸在圓錐滾子軸承上運動。前差速器通過四顆螺栓連接到發動機右側缸體上。前橋右半軸與差速器半軸齒輪連接；前橋中間軸裝配需取下左側中間軸安裝孔保護蓋板，對準中間定位齒與安裝孔中的定位槽，將中間軸插入安裝孔中，用特殊工裝將中間軸推到底，最后鎖緊夾箍安裝到鎖緊槽中。

通過多次產品試裝發現，前橋左、右驅動半軸的裝配是E系四驅車型裝配的瓶頸之一。一方面，半軸裝配需要兩個以上操作員相互協作才能完成，且單車平均裝配時間達到了270s，是生產節拍（90s）的三倍。另一方面，裝配時半軸軸線角度偏差造成了半軸密封圈的變形和移位，反復插裝還造成半軸表面漆的損壞，不能達到產品工藝質量要求。

圖1 左半軸與中間軸結合

1 前橋半軸裝配工藝要求

左半軸轉配：1）左半軸內端面通過花鍵與中間軸外端面配合傳遞驅動轉矩，在裝配過程中，操作員需在保持左半軸與中間軸平行（即確保半軸內端部分的軸水平）的狀態下，將半軸一次性推裝到位；2）禁止通過蠻力反復沖撞，在保證角度的條件下，適當的軸向推力將半軸推裝到位；3）密封圈損壞可能造成產品運行過程中漏油，第一次裝配不到位必須進行二次時，需對中間軸外端位置的密封圈進行檢查，確保完好后方能再次推入。

右半軸裝配：1）右半軸內軸通過花鍵與差速器中的半軸齒輪連接，在裝配過程中，在保持半軸與半軸齒輪嚙合孔軸線平行的狀態下，將半軸1次性推裝到位；2）禁止通過蠻力反復沖撞，在保證角度的條件下，適當的軸向推力即可將半軸推裝到位；3）裝配時為保護半軸花鍵軸頭處有彈性鋼絲圈，保證半軸與孔軸在同一條線上，將半軸花鍵對準半軸齒輪花鍵孔，在半軸軸線與齒輪軸線平行的條件下，手動推入差速器半軸齒輪中。

2 四驅前橋驅動半軸裝配角度控制

左、右半軸均由兩個萬向節和內軸、外軸、中間軸三部分構成。在實際路況條件下，三軸軸線之間的角度隨路面條件不斷變化。如何通過控制半軸上三條軸軸線之間的角度來確保操作能夠在保證工藝和裝配質量的前提下，快速輕便地完成半軸的裝配，即是本文需要解決的問題。

通過數模分析發現，左半軸中間軸、內軸與驅動中間軸、右半軸中間軸、內軸在同一軸線上。在實際狀態下，操作員通過調整車橋制動盤的Z向位置，即可調節半軸上三軸之間的角度。當軸線之間的角度為180°時，三軸成一條直線。此時，半軸亦與中間驅動軸和差速器中的半軸齒輪孔軸線共線。根據試裝發現：半軸上三軸共線是將左半軸裝配到中間軸、右半軸裝配到差速器的最佳條件。

裝配前橋左、右半軸時，要求半軸內軸必須與差速器中的半軸齒輪孔、中間驅動軸同軸線。本文中的E車前橋驅動半軸裝配角度控制解決方案以此工藝要求為基礎而設計。從理論上分析，半軸三軸之間的軸線夾角會隨制動盤的Z向高度變化而變化。基于此原理，能否將半軸角度變化轉化為制動盤Z向的位移變化？據此：提出了以下三種E車半軸裝配角度控制方案。

圖2 右半軸與差速器結合

2.1 方案1：合裝夾具改造

合裝夾具主要由基架、前浮動盤、后浮動盤、等主要組成。在合裝夾具上安裝制動盤高度調節機構。通過液壓桿或者純機械機構，由操作人員手動調節制動盤在Z向的位移。升降時使用電動扳手連到套筒上驅動軸旋轉以實現升降，或者通過手動驅動帶凸輪的軸旋轉180°實現升降。該方案的缺點：成本高；改造時間長（改造只能在周末或假日進行）；造成夾具維護成本增加。

2.2 方案2：左右制動盤自動升降控制

奔馳海外某總裝配車間，通過伺服電機驅動機構與合裝夾具上的制動盤升降機構配合來實現制動盤的Z向自動調節功能。該方案的優點在于，不占用工位工藝操作時間，位置調節準確。但缺點在于需要電力輸入，自動化要求高，成本高。本文的半軸裝配位于合裝系統的中部，在裝配過程中，底盤隨輸送鏈以不低于0.075m/s的速度持續移動。因而此方案實施難度大。

2.3 方案3：移動式制動盤升降控制工裝

圖3 前橋與半軸相對位置

受限于合裝夾具與輸送線結構等因素，同時從節約項目成本和項目時間的角度考慮，移動式制動盤升降工裝（液壓或機械）成為解決前橋驅動半軸裝配角度控制更適合方式。

圖4 夾具舉升機構

前橋舉升控制功能要求：要求設備能夠移動輕便；操作員在操作時，需要用雙手進行半軸位置調整并進行軸向推進，只能夠通過腳踏機構控制制動盤在Z向的位置變化；不同車型，半軸內軸水平時，制動盤Z向的最佳裝配位置不同，要求舉升行程可調；當半軸到達設定裝配高度時，制動盤在Z向能夠自行鎖止。

原理闡述：根據功能要求可知，剎車盤處需要設計支撐，且該支撐能夠托住剎車盤在Z向上下移動約140～160mm左右。該裝置需要從線外移動到板鏈線上，所以需四個輪子支撐。四個輪子與剎車盤之間需要通過框架連接，將剎車盤支撐與四個輪子連接起來。輪子與框架用螺栓連接，剎車盤支撐板與框架需通過導軌連接，為支撐板的上下起到導向作用。舉升通過腳來控制，需要設計踏板。自動Z向的運動阻力，需要設計杠桿機構來克服

1）整體框架設計。輪位布置：由于腳輪的位置與受力點的位置在豎直方向有一定距離，會導致整個工裝受傾覆力矩M，有可能導致工裝傾翻。框架決定舉升裝置的重量，由于使用時需要工人移動工裝，所以該框架在強度足夠的情況下應該盡量輕便，以便于工人輕松操作。根據經驗，該框架的型材使用截面尺寸為40×40×2.5mm的型材。腳輪型號的選擇：對于腳輪，直徑越大越便于工人移動。工業腳輪材質主要分為三類：橡膠、尼龍、聚氨酯，分別適用于輕載、重載、中等載荷，該工裝屬于輕載，選用橡膠材質的腳輪。選用常用品牌MISUMI，得出腳輪型號為：定向輪：ST-100 MISUMI，萬向輪：SK-100 MISUMI。

圖5 結構受力分析

2）制動盤支撐結構設計。剎車盤有突出臺階結構，該臺階可作為支撐板支撐點，但需要注意不要與剎車裝置干涉。剎車盤支撐塊選用較軟的聚氨酯材料，可以保護車身件不受損傷，較軟材料還可以增大與剎車盤摩擦力，防止使用過程中從剎車盤滑出。支撐結構主要有三部分組成。聚氨酯托塊支撐點加工成圓弧狀，能很好的與制動盤嚙合。墊片起到調節高度的作用。焊接件通過滑塊將支撐結構連接到主題框架上。

3）制動盤支撐板導向結構設計。制動盤支撐板在Z方向需要移動約150mm，以便將制動盤從低位提升到適當位置。支撐板的導向結構還要保證足夠的強度和剛度。根據經驗，選用常用的Bosch Rexroth牌導軌及滑塊裝置。對于一般使用工況，選用最常用的導軌：寬度=23mm，該導軌對應滑塊長度為86mm。導軌長度至少為：120+86=206mm，兩端留余量選導軌長度為230mm。由此可得出導軌型號為：R160520331_230。滑塊型號為：162229320。導軌與主體框架相連，滑塊與制動盤支撐相連，連接方式為螺栓連接。

4）制動盤支撐限位裝置。由于制動盤支撐在Z向可以移動，需要有限位裝置將該支撐限位，防止工人操縱不當導致支撐掉落砸傷人，也可視為安全裝置。該裝置應該具有緩沖及高度調節功能，通過連接件連到主體框架上。

5）制動盤支撐定位裝置。當制動盤支撐將制動盤舉升到適當高位時，支撐高度應該被頂絲，以便工人可以松開腳踏板，更加方便地裝入半軸。設計思路：在主體框架上裝一拔銷，支撐上打對應的孔，當支撐運動到高位時拔銷在彈簧力作用下插入孔內，將制動盤支撐位置限死。拔銷通過連接件與主體框架連接。

6）力的傳導機構。第一種技術方案是曲柄滑塊機構。該工裝的力輸入點為腳踏板，輸出點為制動盤支撐，兩點之間大概有800mm的距離，需要設計動力傳導機構，將輸入點與輸出點相連，以便實現將踏板上的力傳導制動盤支撐。制動盤支撐為Z向的直線運動，該運動可以通過曲柄滑塊機構實現。曲柄滑塊繞點A擺動可以實現滑塊C在Z向的往復直線運動。將該曲柄滑塊機構結合本工裝要求便可以得到連桿機構。由運動學可知，曲柄滑塊機構的運動屬于平面運動，力的傳導只能在同一平面內傳導，因此腳踏板的運動受到限制。腳踏板繞旋轉點A轉動，這種結構不是很利于工人操作。

圖6 第一種技術方案

第二種方案是齒輪齒條與雙連桿機構的結合機構。由于齒輪齒條機構可以將齒輪的旋轉運動轉化為齒條的直線運動，可以考慮將齒條與支撐連接，通過驅動齒輪旋轉來實現制動盤支撐在Z向的直線運動。由于制動盤支撐只在一定高度范圍內做往復的直線運動，所以齒輪并不需要做整周的旋轉運動。齒輪與腳踏板通過連桿相連。通過機構簡圖用CATIA設計建模得出設計結構。

圖7 第二種技術方案

力的傳導機構兩種技術方案的優缺點比較：在受力上，方案一的結構在力的傳導過程中損失較多。方案二通過齒輪把力傳導到齒條上，在齒輪旋轉時，齒條所受到的力為豎直方向上的力，基本沒有力的損失。在人機工程上，方案一踏板不便于工人操作，方案二踏板只有在豎直方向運動相對方案一更符合人機工程學。在靈活性上，方案一全部由連桿組成，由于沒有調節裝置，對連桿的尺寸設計要求較高。方案二齒輪與齒條在安裝時可以調節齒輪角度安裝，靈活性更好。綜上所述，方案二較方案一存在較多優點，方案一舍棄，選擇方案二進行詳細設計。

方案二的詳細設計：齒輪、齒條的常用模數有3、2.5、2、1，模數越大，齒輪輪齒越大，能承受力就越大。考慮到耐用性這里選擇齒輪、齒條模數為3，齒數為60，齒條長度選250mm。從MISUMI品牌中選擇，得型號為：齒條：RGEAL3.0HT-250-A30-B95-C95，齒輪：GEAHB3.0-60-30-A-25。連桿與連桿的鉸接點，齒輪與旋繞軸的連接均用自潤滑銅套，可以起到耐磨、潤滑的效果。連桿采用左旋螺紋與右旋螺紋結合，可以方便調節踏板高度，以便工人操作。

7）結構設計總結與實際效果驗證。當制動盤中心從267mm舉升到367mm時，前橋半軸與差速器半軸齒輪軸線的角度從30°左右減少到15°左右（兩個參數之間的關系未知）。事實上，當制動盤繼續上升到一定范圍時，半軸與半軸齒輪軸線的角度不斷向0°接近。實際裝配過程中，當中心制動盤舉升至423mm，半軸基本能夠與中間驅動軸、差速器半軸齒輪軸線在同一條線上。事實上，在裝配過程中，當軸線之間夾角小于5°時，操作員可通過手動微調右半軸與半軸齒輪孔軸線、左半軸與中間軸的軸線角度，輕松完成半軸的裝配。