傳統發動機裝配托盤設計優化

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動機工廠，廣西 柳州545007）

托盤作為發動機裝配線輔助機具，用于發動機裝配時旋轉和定位。雖然國內很多學者提出了托盤旋轉機構，如王遠志提出氣缸為驅動的齒輪齒條回轉機構[1]，周建東提出油缸為驅動的曲柄連桿回轉機構[2]，湛立明改進了電機驅動的回轉機構[3]，楊寧設計了摩擦式托盤回轉裝置[4]等，但這些托盤或回旋機構存在結構復雜、旋轉速度慢且不穩定、損壞易難維護等缺點。傳統托盤的工件旋轉是通過該工位工人對工件所在的托盤進行手動旋轉、定位，其結構簡單，成本低廉，廣受中國車企歡迎，但也存在易于損壞問題，尤其是翻轉發動機過程中，托盤結構若設計不當，則受力部位會出現磨損、斷裂等問題，同時影響托盤的維修工時及維修費用。

本文將介紹如何對傳統托盤進行設計改進，增加托盤定位可靠性及托盤耐用性。

1 現狀

某公司自2012年來使用的一款發動機裝配旋轉托盤在長期運行后，出現手柄斷裂、連接螺栓滑牙、接觸部位磨損、零部件相對旋轉失效、彈簧失效等失效模式，分析根本原因為托盤結構設計及材質的選擇不恰當。

該款發動機托盤由底座、轉臺、立柱、翻轉支架、鎖緊機構、接油盤、手柄、托架構成，轉臺可以實現發動機繞Z軸360°旋轉，翻轉支架可以實現發動機繞X軸360°旋轉，翻轉支架和轉臺旋轉到位后用鎖緊機構進行鎖止（見圖1）。翻轉發動機時，手柄、轉臺與鎖止機構、翻轉支架與鎖緊機構承受多重交變載荷，部件及緊固螺栓容易斷裂、磨損、疲勞斷裂等失效，在設計時需考慮降低部件疲勞失效風險及失效后易快速修復功能。

圖1 發動機托盤結構圖

2 托盤設計優化

2.1 托盤底座

常見托盤底座材料為鋁合金、碳鋼，雖然鋁合金材質特點為重量輕、塑性好，可以減少輥道對托盤的摩擦，但在長期運行后，由于鋁合金材質過軟，托盤與旋轉手柄連接螺紋孔在長期受各種交變力后，螺紋孔滑牙嚴重，各零部件連接失效（見圖2）。可進行如下設計優化：（1）改進底板材料，由鋁換成碳鋼，提高螺紋孔抗應力能力；（2）將連接螺栓由M10改成M12，提高螺栓連接強度；（3）改設計優化同步可應用在立柱上。

圖2 托盤底座螺紋孔滑牙失效

發動機裝配過程中需潤滑，潤滑殘油滴落在托盤上?，F有托盤表面粗糙度大，油漬難以擦拭、清理干凈，油槽結構設計的初衷為避免托盤上的殘油滴落地面，但此設計帶來油槽邊沿難以清潔的問題。設計優化時，為同時滿足殘油不滴落地面及托盤易于清潔維護，將托盤設計為光滑平板（見圖3），取消托盤上的油槽結構，增加接油盤裝置（見圖4），油盤位于發動機正下方，且長寬與發動機相同，確保發動機上的殘油滴入接油盤內部。

圖3 托盤底座

圖4 油槽改為接油盤圖

2.2 轉臺鎖緊機構

轉臺鎖緊機構（見圖5）對轉臺進行定位鎖緊，防止轉臺旋轉。由于發動機在裝配過程或旋轉托盤時，都會對鎖緊機構定位塊上的螺栓產生剪切力，螺栓長期受剪切力導致螺紋孔變大，鎖緊失效。設計優化：為降低螺栓及螺紋孔承受的應力，在托盤底座鎖緊機構的安裝面加工一個凹槽（見圖6），使鎖緊塊嵌入在托盤底座上。轉臺旋轉產生的剪切力作用在底座凹槽側面，螺紋孔不受剪切力，從而避免螺栓連接失效。

圖5 轉臺鎖緊機構結構圖

圖6 底座上的鎖緊機構安裝面

轉臺鎖緊機構依靠彈簧完成鎖緊，彈簧在長期交替應力作用下，容易產生形變、斷裂等失效，從而導致托盤定位定位功能降低或失效。根據力的相互作用性，鎖緊機構受剪切力的同時，轉臺也受到反作用力，對轉臺定位孔造成磨損，更換整個旋轉臺困難、成本高。設計優化：可在彈簧中部增加了彈簧導向桿，轉臺定位部分設計為單獨部件并進行硬度處理（見圖7），減少彈簧彎曲變形，增加彈簧使用壽命，對比生產現場增加導向桿前后，彈簧使用壽命明顯提高（見圖8），降低轉臺磨損，減少托盤維護工作。

圖7 彈簧內增加導向桿

圖8 現場增加導向桿前后彈簧對比圖

2.3 手柄設計

托盤旋轉手柄及支架翻轉手柄為易損件，其結構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號位置）；（2）位置4的螺栓斷裂后，位于立柱內的殘余螺桿難取出；（3）桿身與凸臺結合處（位置5）易受剪切力而斷裂（如圖9中5號位置）。設計優化：（1）加大螺桿直徑，提高螺栓抗剪切力；（2）將4號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部難取處（如圖10）；（3）手柄安裝凸臺上開沉孔，使手柄桿嵌入凸臺（見圖11），當扳動手柄時產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 手柄設計優化前后對比圖

圖11 手柄結構優化圖

2.4 翻轉支架

翻轉支架定位銷為圓錐銷時，定位銷與翻轉支架配合面為線接觸，定位銷易磨損。設計優化時，可將圓柱銷改為梯形銷，定位銷與翻轉支架由線接觸變為面接觸，增加接觸面積時，單位面積的接觸面受力減少，可減少翻轉支架的磨損，見圖12.

圖12 翻轉支架定位銷更改前后圖

排氣側翻轉支架由兩部分組成，夾爪與發動連接，發動機旋轉時，帶動支撐桿自旋轉，兩部分的連接方式為2圓柱銷+3螺栓，圓柱銷為獨立部件，與支撐桿和卡爪為過贏配合，發動機翻轉時易掉出，造成兩部分相對旋轉，導致定位失效；設計優化：將翻轉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，同時減少定位銷磨損.

圖13 排氣側翻轉支架更改前后圖

進氣測翻轉支架支撐桿上的定位槽用于固定發動機，翻轉支架結構為兩部分支撐桿+夾爪，在發動機翻轉過程中受交替載荷，定位槽易磨損，磨損后需要更換整個支撐桿，更換成本大。設計優化：將翻轉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 進氣側翻轉支架更改前后圖

3 結束語

本文對傳統的托盤結構及材料進行設計優化，已在裝配線上實際實施及測試（改進后的托盤實物如圖15所示），實踐證明優化后的托盤定位可靠性及托盤耐用性大大的提升，托盤季度維護數量下降9套，維護成本降低1872元/季度。這些改善降低了運行維護成本，減少了維修工的維修強度，制作工藝簡單，制造成本低廉等優點，特別適合于在自動化裝配線中推廣應用，其市場前景十分廣闊。

圖15 托盤及翻轉支架改進后實物圖