传统发动机装配托盘设计优化

张 娇，陈 鹏，王小娟，裴 伟

（上汽通用五菱汽车股份有限公司宝骏基地发动机工厂，广西 柳州545007）

托盘作为发动机装配线辅助机具，用于发动机装配时旋转和定位。虽然国内很多学者提出了托盘旋转机构，如王远志提出气缸为驱动的齿轮齿条回转机构[1]，周建东提出油缸为驱动的曲柄连杆回转机构[2]，湛立明改进了电机驱动的回转机构[3]，杨宁设计了摩擦式托盘回转装置[4]等，但这些托盘或回旋机构存在结构复杂、旋转速度慢且不稳定、损坏易难维护等缺点。传统托盘的工件旋转是通过该工位工人对工件所在的托盘进行手动旋转、定位，其结构简单，成本低廉，广受中国车企欢迎，但也存在易于损坏问题，尤其是翻转发动机过程中，托盘结构若设计不当，则受力部位会出现磨损、断裂等问题，同时影响托盘的维修工时及维修费用。

本文将介绍如何对传统托盘进行设计改进，增加托盘定位可靠性及托盘耐用性。

1 现状

某公司自2012年来使用的一款发动机装配旋转托盘在长期运行后，出现手柄断裂、连接螺栓滑牙、接触部位磨损、零部件相对旋转失效、弹簧失效等失效模式，分析根本原因为托盘结构设计及材质的选择不恰当。

该款发动机托盘由底座、转台、立柱、翻转支架、锁紧机构、接油盘、手柄、托架构成，转台可以实现发动机绕Z轴360°旋转，翻转支架可以实现发动机绕X轴360°旋转，翻转支架和转台旋转到位后用锁紧机构进行锁止（见图1）。翻转发动机时，手柄、转台与锁止机构、翻转支架与锁紧机构承受多重交变载荷，部件及紧固螺栓容易断裂、磨损、疲劳断裂等失效，在设计时需考虑降低部件疲劳失效风险及失效后易快速修复功能。

图1 发动机托盘结构图

2 托盘设计优化

2.1 托盘底座

常见托盘底座材料为铝合金、碳钢，虽然铝合金材质特点为重量轻、塑性好，可以减少辊道对托盘的摩擦，但在长期运行后，由于铝合金材质过软，托盘与旋转手柄连接螺纹孔在长期受各种交变力后，螺纹孔滑牙严重，各零部件连接失效（见图2）。可进行如下设计优化：（1）改进底板材料，由铝换成碳钢，提高螺纹孔抗应力能力；（2）将连接螺栓由M10改成M12，提高螺栓连接强度；（3）改设计优化同步可应用在立柱上。

图2 托盘底座螺纹孔滑牙失效

发动机装配过程中需润滑，润滑残油滴落在托盘上。现有托盘表面粗糙度大，油渍难以擦拭、清理干净，油槽结构设计的初衷为避免托盘上的残油滴落地面，但此设计带来油槽边沿难以清洁的问题。设计优化时，为同时满足残油不滴落地面及托盘易于清洁维护，将托盘设计为光滑平板（见图3），取消托盘上的油槽结构，增加接油盘装置（见图4），油盘位于发动机正下方，且长宽与发动机相同，确保发动机上的残油滴入接油盘内部。

图3 托盘底座

图4 油槽改为接油盘图

2.2 转台锁紧机构

转台锁紧机构（见图5）对转台进行定位锁紧，防止转台旋转。由于发动机在装配过程或旋转托盘时，都会对锁紧机构定位块上的螺栓产生剪切力，螺栓长期受剪切力导致螺纹孔变大，锁紧失效。设计优化：为降低螺栓及螺纹孔承受的应力，在托盘底座锁紧机构的安装面加工一个凹槽（见图6），使锁紧块嵌入在托盘底座上。转台旋转产生的剪切力作用在底座凹槽侧面，螺纹孔不受剪切力，从而避免螺栓连接失效。

图5 转台锁紧机构结构图

图6 底座上的锁紧机构安装面

转台锁紧机构依靠弹簧完成锁紧，弹簧在长期交替应力作用下，容易产生形变、断裂等失效，从而导致托盘定位定位功能降低或失效。根据力的相互作用性，锁紧机构受剪切力的同时，转台也受到反作用力，对转台定位孔造成磨损，更换整个旋转台困难、成本高。设计优化：可在弹簧中部增加了弹簧导向杆，转台定位部分设计为单独部件并进行硬度处理（见图7），减少弹簧弯曲变形，增加弹簧使用寿命，对比生产现场增加导向杆前后，弹簧使用寿命明显提高（见图8），降低转台磨损，减少托盘维护工作。

图7 弹簧内增加导向杆

图8 现场增加导向杆前后弹簧对比图

2.3 手柄设计

托盘旋转手柄及支架翻转手柄为易损件，其结构带螺纹的杆身连接托盘底座和球头，常见损坏方式为：（1）螺杆上的螺纹连接位置断裂（如图红圈1～4号位置）；（2）位置4的螺栓断裂后，位于立柱内的残余螺杆难取出；（3）杆身与凸台结合处（位置5）易受剪切力而断裂（如图9中5号位置）。设计优化：（1）加大螺杆直径，提高螺栓抗剪切力；（2）将4号位置由螺栓连接更改为螺栓+螺母连接，避免螺栓断裂在立柱内部难取处（如图10）；（3）手柄安装凸台上开沉孔，使手柄杆嵌入凸台（见图11），当扳动手柄时产生的剪切力作用于沉孔部位的手柄杆身上，减少螺杆的部分受剪切力而断裂。

图9 手柄易损位置图

图10 手柄设计优化前后对比图

图11 手柄结构优化图

2.4 翻转支架

翻转支架定位销为圆锥销时，定位销与翻转支架配合面为线接触，定位销易磨损。设计优化时，可将圆柱销改为梯形销，定位销与翻转支架由线接触变为面接触，增加接触面积时，单位面积的接触面受力减少，可减少翻转支架的磨损，见图12.

图12 翻转支架定位销更改前后图

排气侧翻转支架由两部分组成，夹爪与发动连接，发动机旋转时，带动支撑杆自旋转，两部分的连接方式为2圆柱销+3螺栓，圆柱销为独立部件，与支撑杆和卡爪为过赢配合，发动机翻转时易掉出，造成两部分相对旋转，导致定位失效；设计优化：将翻转支架连接方式更改为方形销+3螺栓连接方式（如图13），方形销与支撑杆一体，且方形销的接触面积大于圆柱销，避免定位销松脱，同时减少定位销磨损.

图13 排气侧翻转支架更改前后图

进气测翻转支架支撑杆上的定位槽用于固定发动机，翻转支架结构为两部分支撑杆+夹爪，在发动机翻转过程中受交替载荷，定位槽易磨损，磨损后需要更换整个支撑杆，更换成本大。设计优化：将翻转支架由两大部件组成改为三大部件组成（见图14），撑杆定位盘+杆身+夹爪，当定位槽磨损后，仅需要更换支撑杆定位盘，避免磨损后更换成本高。

图14 进气侧翻转支架更改前后图

3 结束语

本文对传统的托盘结构及材料进行设计优化，已在装配线上实际实施及测试（改进后的托盘实物如图15所示），实践证明优化后的托盘定位可靠性及托盘耐用性大大的提升，托盘季度维护数量下降9套，维护成本降低1872元/季度。这些改善降低了运行维护成本，减少了维修工的维修强度，制作工艺简单，制造成本低廉等优点，特别适合于在自动化装配线中推广应用，其市场前景十分广阔。

图15 托盘及翻转支架改进后实物图