發(fā)動機活塞油環(huán)刮片自動裝配機的研制

吳嘉明

(南京工程學院康尼機電產業(yè)技術研究院，南京 211167)

0 引言

活塞是汽油發(fā)動機中的重要部件，工作時活塞由曲軸帶動在氣缸孔內作往復運動，配以氣門相應動作完成進氣、壓縮、做功、排氣循環(huán)，使發(fā)動機得以實現(xiàn)將燃料燃燒產生的熱能轉化為機械能?；钊c氣缸孔之間并非直接而是靠活塞環(huán)接觸，通常活塞環(huán)由兩道氣環(huán)和三片式油環(huán)組成，其中氣環(huán)承擔與氣缸壁之間的密封，防止燃燒室漏氣而動力不足，同時起到支撐與導熱作用，油環(huán)則阻隔潤滑油竄入燃燒室，防止產生燒機油現(xiàn)象[1]。

活塞環(huán)的正確安裝是其功能正常發(fā)揮的保證，人工安裝刮片效率低，刮片撐開后變形不可控且易刮傷活塞表面。已有一種自動裝配裝置將一組刮片疊放套在變徑筒上由伺服驅動撥叉步進送料，這種方法一次只能裝一片，需經兩個工位操作才能完成上下刮片安裝，而且刮片變形會明顯影響裝配合格率，因此需要開發(fā)能同時安裝兩刮片的自動裝配機來解決效率和質量問題[2-4]。

1 裝配要求分析

(1)裝配工序

1.活塞 2.刮片 3.隔環(huán) 4.刮片 5.氣環(huán) 6.氣環(huán)圖1 活塞環(huán)局部圖

活塞環(huán)裝配工序按順序包括油環(huán)隔環(huán)、上、下刮片、氣環(huán)1、2這5個環(huán)節(jié)，如圖1所示。油環(huán)采用3片組合式，中間一片起支撐作用的隔環(huán)已在活塞槽內先行裝好，再上下各裝一片刮片。刮片是不銹鋼材質帶缺口的圓環(huán)片，厚度0.4 mm、截面寬2 mm，裝配完成后刮片在槽內可以自如平移，此時的刮片外徑大于缸孔直徑，后續(xù)再用工裝正常裝入缸孔，更換與活塞尺寸相關的零件可以復制出適應不同規(guī)格活塞環(huán)的裝配機。

根據(jù)其阻隔潤滑油的功能需要上下刮片缺口朝向呈180°方向[5]，在裝配過程中刮片缺口需周向定位；活塞放入方向也需用活塞頂部形狀周向定位，以保證刮片開口與活塞的角度[6]。

(2)難點分析

活塞環(huán)氣環(huán)為耐磨鑄鐵材料，厚度1.2 mm左右，漲開時不易產生扭曲，實現(xiàn)自動裝配難度較小[7]；相比而言油環(huán)刮片厚度薄，漲開后會產生彈性變形扭曲，使得刮片平面度由正常狀態(tài)的0.04 mm增大到0.4～0.5 mm，遠大于油環(huán)槽0.05 mm的裝配間隙，刮片回彈時無法準確卡進油環(huán)槽內，裝配可靠性難以保證，因此控制刮片變形問題是實現(xiàn)自動裝配的關鍵所在，定位模塊的設置很好地解決這個問題。

(3)尺寸分析

分別從活塞軸向、徑向和周向3個方向分析：

圖2 油環(huán)尺寸精度

2)兩刮片由同一安裝模塊的漲爪撐開，撐開前刮片在送料最終位置應上下一致保持同軸，在送料過程中動作保持平穩(wěn)，不能有前后竄動現(xiàn)象。

3)根據(jù)要求上下刮片缺口方向需相差180°，兩刮片需從相對方向同時送至安裝位置，在送料過程中保持姿態(tài)不變。

2 設備總體方案及模塊配置

(1)裝配條件

已裝好隔環(huán)的待裝活塞間隔放置在周轉工位上，由人工手動裝料；刮片以500片為一個供貨單位整齊疊套在紙筒上，刮片缺口方向一致，方便人工快速放入帶刮片缺口定位長鍵的左右料筒，可供連續(xù)裝配500件活塞之用。工作時刮片采用氣動自動送料，實現(xiàn)刮片環(huán)的自動裝配。裝配機工作節(jié)拍7 s/件，每小時可裝514套活塞，供128套發(fā)動機用，能滿足用戶生產綱領需求。

(2)工作循環(huán)

開始時(從取走上個活塞起)刮片料筒上最下面刮片與送料工作面接觸并處于送料位，前后定位模塊由氣缸沿直線導軌推至工作位，左右送料氣缸將刮片從料筒推送進定位模塊軌道，安裝模塊用氣缸升起，左右送料模塊退回原位，四點氣爪同時漲開上下刮片讓出活塞位置，人工按要求方向放入活塞，安裝模塊氣爪回縮并下沉使刮片收縮滑進油環(huán)槽內，定位模塊后退，取出活塞進入下一循環(huán)。所有動作均由位置開關發(fā)信號，保證整套動作準確有序[9-10]。

(3)模塊配置

轉配機主要模塊如圖3所示。

1.工作臺底板 2.料筒 3.送料模塊 4.安裝模塊 5.定位模塊

1)料筒：上下刮片分左右料筒裝料，料筒形狀和刮片供貨用紙筒相仿，具備刮片缺口定向功能，保證刮片能快速疊放，根據(jù)刮片的形狀特點，設計了結構較為復雜的裝料料筒，使刮片能準確順暢落至送料位置，并匹配送料模塊的精度要求。

2)送料模塊：送料模塊由左右推塊、直線導軌、送料氣缸等組成，經過精密裝配后的左右推塊送料高度相差1.45±0.02，與其在活塞環(huán)槽內的安裝高度嚴格一致；推送上刮片的左推塊托片厚度僅1 mm，采用了經精密加工的高剛性特殊鋼材。

3)定位模塊：定位模塊由前后定位塊、導軌及驅動氣缸組成，其功能是保證左右刮片送至裝料位置的同時兩側部位進入到兩道與活塞油環(huán)槽高度等高的直槽內，在裝進活塞環(huán)槽前保證刮片始終處于其定位軌道里。

4)安裝模塊：安裝模塊由氣爪、升降氣缸、漲爪組成，氣爪安裝在升降氣缸上，氣爪的中心與送料和定位模塊的中心一致。當刮片就位后升降氣缸、氣爪帶動漲爪順序動作漲開刮片至活塞可以安放的尺寸(由定制限位圓環(huán)控制)，人工放入活塞，兩刮片即自動收縮進入活塞油環(huán)槽內。

5)工作臺及控制部分：工作臺板是各模塊的安裝基準，由鋁合金型材框架支撐，上部除操作面外由型材和有機玻璃板封閉，氣控系統(tǒng)包括閥島及磁性開關采用FESTO產品，電氣控制采用西門子PLC及人機界面，可靠性好、易維護。

3 刮片移動過程控制及變形控制

(1)刮片輸送高度控制

1.料筒 2.刮片 3.待送刮片 4.推塊圖4 刮片送料狀態(tài)

(2)刮片穩(wěn)定進入定位槽

定位模塊前后定位塊的上下定位槽經修配后高度嚴格一致并分別與左右推塊面等高，保證上下刮片兩側部位被推塊平滑送進前后定位模塊槽內如圖5所示。此時刮片被中間推塊、兩側定位槽托著，刮片實現(xiàn)軸向定位；刮片到位位置與安裝模塊漲爪同心，徑向定位；刮片缺口方向未變，周向定位。

1.前定位塊 2.上刮片 3.下刮片 4.漲爪 5.后定位塊

(3)刮片控制在定位槽內

1.刮片 2.漲爪 3.定位槽 4.活塞 5.活塞定位面圖6 定位槽貼合活塞 狀態(tài)

定位模塊采用氣動復位式單作用氣缸驅動，由于彈簧力的作用在氣爪漲開、收縮過程中前后定位模塊隨動進退始終與漲爪接觸，刮片始終在定位槽內，漲爪漲開行程根據(jù)所放活塞外徑大小用圓環(huán)限位，定位槽端面設計成與活塞外圓吻合的圓弧形狀，并讓出漲爪張開位置空間，控制定位槽與活塞間0.2mm的安裝距離，如圖6所示。

(4)刮片變形控制

1.上定位槽 2.下定位槽 3.下刮片 4.上刮片 5.上活塞槽 6.隔環(huán) 7.下活塞槽圖7 刮片卡進油 環(huán)槽狀態(tài)

若使刮片能裝入活塞槽內，刮片需徑向擴張3.5 mm，漲開時會產生明顯扭曲變形，定位槽的應用消除了刮片變形，使刮片始終被約束在0.45 mm高度空間內，在定位槽和活塞油環(huán)槽之間構成一個一體的移動導軌空間，待漲爪自動收縮下沉時，刮片能順暢縮進活塞槽內，如圖7所示。

4 結束語

油環(huán)刮片自動裝配機是活塞裝配工段中的一個工位，通過合理的結構設計解決了各模塊間在動作空間和時間上的配合與銜接。實際應用中裝配合格率高，效率高，節(jié)拍達到7 s/件，設備結構緊湊，動作性能可靠、操作方便，較好地滿足了設計要求，為同類型設備的設計提供了一定的借鑒作用。