汽车变速箱自动化装配技术的实现

董辉 余涛

摘要：变速箱的零件制造和装配都是影响变速箱工作质量的重要因素，本文以汽车变速箱的装配工艺作为研究目标，介绍变速器装配生产线的技术组成以及制造目标，并以此为依据研究自动化装配流水线需要解决的关键技术，分析自动化装配技术的未来发展趋势，为实际变速箱装配工作提供理论性参考。

Abstract： Gearbox parts manufacturing and assembly are important factors that affect the working quality of the gearbox. This paper takes the assembly process of automobile gearbox as the research objective， introduces the technical composition and manufacturing objectives of the transmission assembly line， and studies the key technologies to be solved in the automatic assembly line based on this， and analyzes the future development trend of automatic assembly technology The gearbox assembly work provides theoretical reference.

关键词：变速箱;装配工艺;技术组成;制造目标;自动化装配

Key words： gearbox;assembly process;technical composition;manufacturing target;automatic assembly

中图分类号：TG61;TG156                           文献标识码：A                                       文章编号：1674-957X（2020）20-0039-02

0  引言

汽车传动系统总成是汽车驾驶舒适性和稳定性的重要影响机构，装配质量不佳的变速箱往往会出现换挡不顺畅齿轮卡死等问题，这些问题不仅减少汽车传动系统的使用寿命，而且严重影响驾驶员的驾驶安全。所以变速箱零件的加工质量以及总成的装配质量成为评价变速箱总成质量的重要衡量标准，在装配过程中不仅要精确控制每个部件的装配间距公差，而且还要调整输入输出轴的预紧力矩，传统的变速箱装配流水线是采用人工装配的，采用人工装配具有容易产生装配误差、工作效率低下、产品合格率低等缺点。外资汽车生产企业对于自动化装配技术的相关研究起步较早，所以知名汽车企业的装配流水线均设置为自动化，国内汽车厂商也逐渐意识到自动化装配带来的好处和利益，将国际先进的自动化装配技术引入国内，在降低汽车生产成本的同时提高了变速箱的装配质量。

1  变速箱装配技术概述

汽车变速箱主要用于以内燃机作为动力来源的交通工具上[1]，内燃机自身无法改变输出的转速和转矩，在最早生产的汽车上自己将内燃机的输出轴连接到车轮上，驾驶过程具有极大的危险性。为了使汽车能够适应各种复杂的环境输出不同的转矩和转速，变速箱发挥着重大的作用。变速箱主要有以下三点功能：第一，改变汽车的传动比，使汽车能够适应上坡、加速、起步等各种工作环境;第二，使汽车倒退行驶且不改变汽车内部结构;第三，中断发動机的动力输出，利用变速箱的空档实现汽车怠速运行和起动。变速箱的分类方法有多种，按操纵方式可以分为手动式和自动式，按照传动比变化方式可以分为有级式、无级式和综合式，按照轮系形式可以分为轴线固定式和轴线旋转式。

1.1 技术组成

变速箱的装配过程中，最核心的装配工作主要包括输入轴输出轴以及差速器总成的装配，这几个零部件的装配质量直接影响汽车驾驶的舒适度与安全性，在装配过程中需要合理调整齿轮轴的预紧力矩，太大的预紧力矩会造成轴承的过度磨损，太小的预紧力矩会导致装配误差过大，进而导致各级齿轮啮合度不佳，在实际工作过程中会造成打齿、换挡失败、噪声等问题。由于发动机的输出功率是非常大的，为了使变速箱能够承受发动机的输出功率而不产生结构变形，在总体结构上要求输入输出轴具有较大的支承刚度。

以输出轴为例，为了保证结构上的支承刚度[2]，采用了跨置式支承的形式，将两个大端相同的圆锥滚子轴承安装在输入轴总成的两端，轴承的外圈安装在变速器壳体和离合器壳体上，输入轴两端由深沟球轴承支承并安装在变速器壳体和离合器壳体的座孔中。在装配过程中，为了避免齿轮在传动过程中产生的轴向力使传动轴产生轴向位移影响变速箱的正常工作，需要消除轴承间隙并施加一定的压紧力，压紧力是通过改变变速箱壳体与轴承之间的垫片来实现，增加垫片厚度则会增加压紧力，过大的压紧力会使传动效率降低加速磨损，过小的压紧力有无法起到消除轴向位移的要求，所以压紧力需要合理设置。

1.2 装配线制造目标

变速箱的装配线不仅仅只包含设备装配这一个部分，还有质量检测和物流运输。其中设备装配涉及的技术包括压装技术、拆解技术、喷涂技术、螺栓连接技术等等，在变速箱装配完成后并不能立刻入库，在装配过程中不可避免的会产生人为或者非人为的误差，这就需要质量检测部门对装配过程中的半成品和装配完成的成品进行实时监控和检测，对于质量检测部门涉及的技术包括在线检测技术、智能纠错技术、泄漏检查技术等等，对于检查合格的产品才能够储存入库并进行电脑记录，在需要出库运输时再查询设备储存情况，物流运输涉及的技术有库存管理技术、代码打印和识别技术等等。

从上面的介绍可以看出变速箱的装配线涉及到的技術非常繁杂，主要涉及机械、电气、信息管理、物流运输等领域的专业知识，对于如何协调好装配线中各个部门的职能以及工作分配，这是影响变速箱装配效率和产品质量的最关键因素。现代的汽车零部件制造企业将装配工作发展得更加细致化和专业化，确保每一个工位上的设备只需要进行专职的工作，减少产生非人为误差的概率。装配线的制造目标是使生产线更加智能和高效率，及时发现装配过程中出现的误差，保证最终生产的产品规格统一且质量稳定，尽可能地减少操作人员的工作强度。

2  自动化装配关键技术

自动化装配生产线是工业化生产必然要达成的目标，这不仅可以降低用人成本，而且能够保证高效率地生产规格统一的产品，而且现在的自动化生产线并不仅仅只生产单一的产品，如果生产一种产品就需要建立一条自动化生产线，这将导致投入的资金成本远远大于收益，所以现在很多工业制造企业采用柔性化自动生产线，所谓柔性化生产即对于同一类不同规格的产品，通过改变生产线少数几个设备即可实现不同规格产品的生产，这也为企业的多样化生产提供了可行性方案，下面就变速箱的自动化装配分析需要实现的关键技术。

2.1 实时过程检验技术

实时过程检验技术是保证变速箱装配质量的关键技术，该技术主要包含三个子技术：纠错技术、在线检验技术、功能测试技术。纠错技术的工作原理主要是借助机器视觉光电技术等手段实现识别装配过程中出现的错误并发出警报，再由操作人员及时纠正错误。通常在装配过程中可能出现的错误有以下几种：零件漏装或者错装、螺栓未拧紧或者拧紧顺序错误、托盘放置位置错误或者与工件不匹配等等，该技术可以通过电子摄像头、光电传感器、条形码识别系统、限位开关等设备实现。在线检验技术是通过相关检测设备对变速箱的装配公差以及压紧力进行检测。主要检查的项目有轴向位移和压紧力的测试、齿轮的啮合度和换挡平顺性的检验、变速箱的气密性检验。功能测试技术是在变速箱完成装配工作后进行的模拟真实工作环境的测试，通过变速箱实验台架，检验在频繁换挡过程中是否出现卡顿或者换挡失败等问题，运行过程中是否产生异响或异常振动等等。

2.2 智能机器人技术

智能机器人主要包括有两类，一类是专门用于零部件装配的工业机器人，另一类是用于搬运流转零部件的桁架机器人[3]，第一类机器人已经广泛应用于工业制造领域，主要用于零部件的组装、焊接、拆卸等工作，根据其运动形式可以分为平面关节型[4]、垂直多关节型、直角坐标型这三类，其中平面关节型工业机器人采用两个回转关节加上一个移动关节的结构形式，移动关节实现上下移动，两个回转关节则实现前后左右的移动，该类型工业机器人的最大特点是可实现高精度控制并且运动速度较快;垂直多关节型工业机器人相较于平面关节具有更大的自由度，可以实现多个平面加工的复杂环境，所以运动速度比平面关节型稍慢;直角坐标型工业机器人是采用线性导轨和伺服电机使工作机构在单一平面内作水平或竖直方向运动并完成装配工作，该类型机器人的制造成本远低于上述两种，可以适应工作内容较为简单的环境，现在应用最为广泛的是SCARA平面关节型机器人，该类型的工业机器人不仅可以完成基本的装配工作，而且具有柔性工装机构，可以自由改变装配工具以及运动轨迹，实现多种产品混合装配的要求，极大地减少了设置自动化装配生产线的设备成本。而且现在为了提升装配效率已经开始研发双臂工业机器人，双臂工业机器人的技术壁垒在于如何能够在同一个系统中精确控制两条机械臂，使它们之间不产生运动干涉。除此之外，对于双臂如何协调工作使其如同人类的双手一般这也是一个研究重点。

桁架机器人的工作要求远低于工业机器人，只需要实现各种零部件在生产线上的流转即可，需要注意的是，对于桁架机器人的手臂力矩也有一定要求，力矩不能过大否则会使零部件产生变形影响装配质量，力矩过小则容易在运输过程中使零部件脱落对操作人员造成严重的人身威胁。所以在桁架机器人的运转路线上需要设置防护设施用以保障操作人员的人身安全。

2.3 总线控制技术

总线控制技术是保障自动化装配线正常运转的核心技术，这也是绝大多数工业生产采用的控制技术，采用该技术的最大优势是可以实现集中化控制有利于电气系统故障的排查，但是这与传统的集中控制技术有所差异，总线控制系统可以分为总控系统和分控系统，分控系统控制单一独立的自动化装配设备，分控系统再由传感器与执行机构通过电缆和总控系统连接，总控系统只需要控制所有的分控系统，而分控系统再去控制具体的设备，这样就实现了分级控制的目的，采用总线控制系统不仅可以减少大量线缆的布置，而且有效提高系统控制的精确性，故障的排查效率也可以大幅度提升，不再需要像传统的集中控制系统检查每一个插线接口，可以只检查故障设备相关分控系统出现的问题。

2.4 信息管理技术

信息管理技术不仅在工业制造领域，在其它领域也可以起到优化管理的作用，在变速箱的自动化装配线上，零件、耗材的取用，成品的入库，不合格产品的处理，设备的使用时间和检修时间等等信息，如果采用人工记录的方式不仅很容易产生记录错误，而且工作效率低下信息记录也不便保存，采用电子化信息储存的方式将生产线所有的运转信息集中在一个信息平台上处理，并定期上传到云端，可以有效保证信息记录的统一性和完整性，企业也可以利用这些记录作为未来企业规划的重要参考依据，对经济效益低下的产品进行减产，科学组织产品生产，降低企业运行成本，间接提升企业综合竞争力。

参考文献：

[1]吴文轩，张纪平，马维金，王俊元.汽车变速箱的振动特性与模态联合分析研究[J].机械传动，2017，41（08）：137-140.

[2]尚振国，武力波，宋若冰.耦合支承刚度的齿轮有限元接触分析[J].机械设计与制造，2015（12）：234-236.

[3]刘林山，李建永，郝铭.一种数控机床自动上下料桁架机器人控制系统设计与实现[J].制造业自动化，2019，41（09）：108-110，138.