李雷

（華晨寶馬汽車有限公司，沈陽 110000）

1 前言

某種縱置發(fā)動(dòng)機(jī)總裝吊具主要應(yīng)用于汽車裝配中，用于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱以及前橋總成零件的吊裝。目前，各汽車裝配工廠發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝工藝總成零件運(yùn)載轉(zhuǎn)運(yùn)受限于安裝工藝復(fù)雜以及體積大、質(zhì)量大等問題，限制產(chǎn)能提升，尤其是豪華大型燃油車的動(dòng)力總成體積大、質(zhì)量高、零件多且工藝復(fù)雜，大部分整車工廠受限于工藝設(shè)計(jì)和集成吊具無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能提升和人機(jī)改善。發(fā)動(dòng)機(jī)總裝集成吊具，用于輔助安裝動(dòng)力總成上的外圍零部件，解決零部件安裝的工藝問題和人機(jī)工程問題，通過集中吊具與自動(dòng)運(yùn)載吊具的結(jié)合實(shí)現(xiàn)動(dòng)力總成零件在裝配線體間的運(yùn)載和轉(zhuǎn)接。概述了總裝車間發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝工藝過程，闡明了汽車裝配工藝的組成以及發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝工藝流程和主要零部件；通過產(chǎn)品信息以及產(chǎn)能規(guī)劃，概述了發(fā)動(dòng)機(jī)線工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì)流程和實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝工藝應(yīng)用的主要設(shè)備；通過對(duì)縱置發(fā)動(dòng)機(jī)總裝吊具進(jìn)行研究，闡明吊具的設(shè)計(jì)功能和工藝應(yīng)用理念，在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝線實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、前橋總成部件的集成吊裝運(yùn)載，確保外圍零部件工藝裝配的合理性，改善發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝線操作人機(jī)問題。吊具在開發(fā)設(shè)計(jì)加工過程中通過研究和試驗(yàn)徹底解決了影響吊具的實(shí)用功能和安全的瓶頸問題，文中對(duì)吊具的核心零部件設(shè)計(jì)加工過程中復(fù)雜問題的解決也做了詳細(xì)闡述。

2 總裝車間發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝工藝

2.1 汽車裝配工藝

汽車裝配在總裝車間完成，主要工藝過程是通過輸送線運(yùn)載車身到自動(dòng)化流水線上并通過一系列工藝安裝設(shè)備、特殊夾具以及擰緊工具完成汽車零部件的安裝，特點(diǎn)是自動(dòng)化輸送線載運(yùn)車身，零部件多達(dá)上萬個(gè)，勞動(dòng)密集。每個(gè)工位由若干操作者獨(dú)立完成。近年來，汽車總裝大部分采用零件模塊化工藝裝配，降低了裝配工藝的復(fù)雜程度，提高了主機(jī)廠裝配車間的產(chǎn)量。為提高汽車裝配的生產(chǎn)效率，合理的總裝線體規(guī)劃也非常關(guān)鍵，目前，總裝車間線體規(guī)劃主要分為以下部分：

a. 主線：內(nèi)飾線1 線、內(nèi)飾2 線、翻轉(zhuǎn)線、滑板線、合裝線、高工位底盤線、低工位底盤線、完成線、終檢線。

b. 預(yù)裝線：發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝線、門預(yù)裝線、前保險(xiǎn)杠預(yù)裝線、儀表板預(yù)裝線。

主要介紹總裝車間發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝線的工藝。

2.2 總裝車間發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝線工藝

總裝車間發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝工藝是將發(fā)動(dòng)機(jī)工廠生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)總成在總裝車間與變速箱進(jìn)行裝配，并且在預(yù)裝線上完成發(fā)動(dòng)機(jī)外圍功能部件的裝配。

發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝線上安裝的主要零部件包括：發(fā)動(dòng)機(jī)總成、變速箱總成、發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)線束、起動(dòng)機(jī)線束、分動(dòng)器、輸出半軸、氧傳感器、變速箱線束、發(fā)動(dòng)機(jī)隔音墊、水泵、壓縮機(jī)、油管和水管等，如圖1 所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)線預(yù)裝零件

為了在線安裝以上外圍零部件，需要根據(jù)縱置發(fā)動(dòng)機(jī)的形式設(shè)計(jì)一種集成吊具，將發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱總成懸吊起來，輸送線吊具與集成吊具聯(lián)接后，通過輸送線吊具將動(dòng)力總成吊裝在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝線上運(yùn)行，方便操作人員完成零件裝配工作。

2.3 總裝車間發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝線規(guī)劃

發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝線規(guī)劃一般差異性較大，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝工藝的復(fù)雜程度和產(chǎn)量需要確定預(yù)裝線體規(guī)劃方案，以某車型發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝線規(guī)劃方案為例，表1 列出了15～60 JPH 發(fā)動(dòng)機(jī)線操作工位和緩存工位建議數(shù)量[1]。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)線工位規(guī)劃方案參考

工藝工程師需要結(jié)合線體規(guī)劃零件裝配流程，而裝配流程需要考慮各個(gè)零部件的配合關(guān)系、安裝順序以及工藝設(shè)備的位置，以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)線體為例做預(yù)裝線工藝規(guī)劃介紹，產(chǎn)品信息如下。

產(chǎn)能：20 JPH 混線生產(chǎn)；動(dòng)力總成：發(fā)動(dòng)機(jī)縱置后驅(qū)/電動(dòng)車電機(jī)；發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量：300 kg；變速箱質(zhì)量：120 kg；電機(jī)質(zhì)量：260 kg；零件裝配位置：四周和上下等外圍；預(yù)裝線線體形式：旋轉(zhuǎn)托盤小推車和輕載吊具。

燃油車預(yù)裝零部件如下：發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、分動(dòng)器、壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)、皮帶、起動(dòng)機(jī)、接地線、水管、水泵、半軸等。

預(yù)裝零部件如下：電動(dòng)機(jī)、電機(jī)支架、電機(jī)蓋板、緩沖模塊、電機(jī)控制單元、高壓線束、接地線等。

根據(jù)以上產(chǎn)品信息和產(chǎn)能要求，為確保效益最大化，采用手推車小環(huán)線和輕載吊具結(jié)合的形式完成所有零件的預(yù)裝配。

為實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)總成和電動(dòng)動(dòng)力總成混線裝配，提高設(shè)備利用率，手動(dòng)小推車環(huán)線工藝流程規(guī)劃如下[2]：

a. 05001 工位：發(fā)動(dòng)機(jī)總成吊裝到載運(yùn)小車上、電動(dòng)機(jī)總成吊裝到載運(yùn)小車上。

b.05002 工位：變速箱總成吊裝并安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上。

c.05003 工位：預(yù)裝電動(dòng)機(jī)蓋板、擰緊軸承座、擰緊電機(jī)側(cè)支架。

d. 05004～05005 工位：將預(yù)裝后的電機(jī)蓋板安裝到電機(jī)并擰緊。

e.05006 工位：將電機(jī)控制單元擰緊到電機(jī)上蓋板。

f.05007 工位：將動(dòng)力總成冷卻模塊安裝到動(dòng)力總成。

g.05008 工位：在環(huán)線預(yù)裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)交接給輕載吊具完成后續(xù)預(yù)裝。

為了能夠方便操作和裝配，運(yùn)載小車上的托盤需要實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。而托盤每旋轉(zhuǎn)90°就可實(shí)現(xiàn)鎖定，旋轉(zhuǎn)托盤則需要先推解鎖桿釋放，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)載旋轉(zhuǎn)托盤

將旋轉(zhuǎn)托盤緊固在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)載小車上實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)裝配，既方便運(yùn)載，又能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，如圖3、圖4 所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)支撐錐體落在旋轉(zhuǎn)托盤上

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)總成運(yùn)載小車

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成在運(yùn)載小車預(yù)裝后需要將發(fā)動(dòng)機(jī)總成交接到運(yùn)載吊具上完成發(fā)動(dòng)機(jī)外圍和底部零件的安裝。自動(dòng)運(yùn)載吊具主要采用可自動(dòng)升降并行走的運(yùn)載吊具，吊具沿軌道在環(huán)線上運(yùn)行，通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制啟停和調(diào)節(jié)吊具高度以及運(yùn)行速度。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)總成吊具部件功能

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)總成吊具與運(yùn)載吊具配合結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)吊具作為吊裝發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和前橋總成的特殊工裝，一般通過前后4 顆螺栓將吊具固定板緊固在運(yùn)載吊具下方支臂上。吊具質(zhì)量約為200 kg，零件總成質(zhì)量不高于500 kg，一般運(yùn)載吊具的額定質(zhì)量為850 kg，圖5 為發(fā)動(dòng)機(jī)吊具吊裝發(fā)動(dòng)機(jī)總成在運(yùn)載吊具上運(yùn)行示意。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)總成吊裝運(yùn)載示意

發(fā)動(dòng)機(jī)吊具上方的橫向連接板用于將吊具固定在運(yùn)載吊具上，前后2 個(gè)連接板上各連接4 顆螺栓。為了保證吊具在運(yùn)載吊具上的安裝精度和一致性，前安裝板中間設(shè)有定位菱形銷，后安裝板中間設(shè)有定位圓銷。將吊具與運(yùn)載吊具連接時(shí)先將定位菱形銷和定位圓柱銷插入運(yùn)載吊具連接板中，再用螺栓連接緊固，如圖6 所示。

圖6 吊具安裝板結(jié)構(gòu)

運(yùn)載吊具通過發(fā)動(dòng)機(jī)吊具將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成懸掛在運(yùn)行軌道上通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輪行走，還可以通過電氣系統(tǒng)控制運(yùn)載吊具的啟停和運(yùn)行位置高度。在保證合適裝配高度和安全的情況下，吊具運(yùn)行的最低高度為工件距離地面0.5 m，最高高度為工件距離地面4.8 m。吊具運(yùn)行速度一般為10～20 cm/s。運(yùn)載吊具上的讀碼頭通過讀取軌道上的碼帶控制運(yùn)載吊具在預(yù)裝環(huán)線軌道位置和運(yùn)載吊具的停止位，一般精度為小于5 mm[3]，運(yùn)載吊具工作示意如圖7 所示。

圖7 運(yùn)載吊具運(yùn)行示意

發(fā)動(dòng)機(jī)吊具的作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線的整個(gè)裝配過程中運(yùn)輸發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱單元，并移交給動(dòng)力總成線體。吊具在運(yùn)載發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱過程中要求保證吊裝安全以及吊具與發(fā)動(dòng)機(jī)連接點(diǎn)的連接穩(wěn)定。吊裝發(fā)動(dòng)機(jī)后如果重心不在中心，需要在Y方向上調(diào)節(jié)吊具上的掛點(diǎn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)總成吊具主要包括：主結(jié)構(gòu)框架、前部主鉤系統(tǒng)、后部安全鉤系統(tǒng)、變速箱吊鉤系統(tǒng)、前橋吊鉤和兩側(cè)天鵝頸吊鉤。吊具示意如圖8、圖9所示。

圖8 吊具總成前主視圖

圖9 吊具總成后主視圖

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)吊具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及主要功能

不同形式的發(fā)動(dòng)機(jī)吊具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是根據(jù)不同環(huán)境而定的。本研究中的發(fā)動(dòng)機(jī)總成吊具是一種集成發(fā)動(dòng)機(jī)吊裝，集成了變速箱吊裝和前橋吊裝。吊具固定在運(yùn)載吊具下方，根據(jù)某品牌不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過橫向調(diào)整吊具主鉤系統(tǒng)，確保所有類型的發(fā)動(dòng)機(jī)吊起后，其重心都在運(yùn)載吊具中心；同時(shí)確保運(yùn)載吊具沿軌道平穩(wěn)運(yùn)行，避免由于重心偏導(dǎo)致的運(yùn)載吊具傾斜，造成驅(qū)動(dòng)輪磨損進(jìn)而損壞吊具；另外，發(fā)動(dòng)機(jī)在吊具上懸吊后保持水平也保證發(fā)動(dòng)機(jī)在交接工位與托盤、前橋以及合裝托盤順利交接，無偏置和剮蹭，如圖10所示。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)吊具吊裝

發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱以及前橋總成集成吊具由前主鉤系統(tǒng)、安全鉤系統(tǒng)、變速箱夾鉤系統(tǒng)、兩側(cè)天鵝頸吊鉤系統(tǒng)構(gòu)成，各部分的功能及使用優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)如下：

a. 前主鉤系統(tǒng)作為吊具最重要的部分，其承受發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分質(zhì)量。主鉤系統(tǒng)位于吊具的前部，通過螺栓固定在吊具框架上。主鉤系統(tǒng)主要由主鉤、受力鏈條、安全鏈條、回位彈簧、鏈條連接板、直線導(dǎo)軌、齒條和調(diào)節(jié)桿組成，操作者通過下拉調(diào)整桿可在Y方向沿直線導(dǎo)軌調(diào)整主鉤位置，使發(fā)動(dòng)機(jī)重心與吊具重心一致，釋放調(diào)整桿后齒條鎖定Y方向位置。將主鉤下拉掛到發(fā)動(dòng)機(jī)前部孔中，主鉤上鎖片起到防脫作用。在吊具將發(fā)動(dòng)機(jī)總成懸掛后，主鉤上外部3條鏈條張緊受力，內(nèi)側(cè)各鏈條保持松弛，作為安全鏈條，一旦外鉤長期磨損斷裂，內(nèi)部的安全鏈條起到保護(hù)作用[4]，如圖11、圖12所示。

圖11 主鉤系統(tǒng)主視圖

圖12 主鉤系統(tǒng)正視圖

b. 后安全吊鉤正常情況下不受力，一旦前部主鉤失效，安全鉤起保護(hù)作用。安全鉤系統(tǒng)包括了多種發(fā)動(dòng)機(jī)用鉤，其通過螺栓固定在吊具框架上。另外，安全鉤系統(tǒng)可沿滑軌自由滑動(dòng)，以適用不同的機(jī)型。安全鉤系統(tǒng)主要包括直線滑軌、滑塊、安全鏈條安全鉤以及放置板，如圖13 所示。

圖13 安全鉤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

c. 變速箱夾緊模塊主要承受變速箱的質(zhì)量。為方便操作者夾取吊裝變速箱，一般變速箱夾爪采用剪刀叉鎖止結(jié)構(gòu)。吊裝孔在變速箱兩側(cè)，夾緊過程中兩側(cè)同步夾緊并鎖止。變速箱夾緊系統(tǒng)由主夾、擋塊、調(diào)節(jié)旋鈕、鋸齒調(diào)節(jié)擋塊、滑軌、彈簧、夾緊銷、釋放拉手組成，如圖14 所示。

圖14 變速箱夾緊模塊結(jié)構(gòu)

通過調(diào)節(jié)擋位旋鈕可適用不同車型。主夾可上下滑動(dòng)并可沿上部軸承旋轉(zhuǎn)，確保夾緊范圍覆蓋多種機(jī)型。推動(dòng)主夾可夾緊，拉動(dòng)釋放拉手夾子打開。架子夾緊變速箱后，由于變速箱自重夾子受力更緊，在這種情況下即使拉動(dòng)釋放拉手，夾子也不會(huì)打開。夾子兩側(cè)夾緊和打開角度一樣，如圖15 所示。

圖15 變速箱夾工作示意

d. 吊具兩側(cè)天鵝頸吊鉤系統(tǒng)將前橋總成吊具與發(fā)動(dòng)機(jī)吊具集成。其中，吊鉤掛在前橋天鵝頸上。一般由吊鉤、推桿、氣彈簧、折合關(guān)節(jié)、限位塊、放置盒組成。吊具設(shè)計(jì)充分考慮了人機(jī)工程，當(dāng)下拉力超過氣彈簧回收力，氣彈簧會(huì)張開進(jìn)而自動(dòng)打開折合關(guān)節(jié)，操作者將掛鉤掛在前橋天鵝頸上后用力推動(dòng)推桿，張緊吊裝鐵鏈和掛鉤。吊鉤不使用時(shí)需放到收納盒中，用力推動(dòng)氣彈簧，關(guān)節(jié)自動(dòng)折合收回，折合開關(guān)回收到一定角度后空氣彈簧收緊，回收折合關(guān)節(jié)，將關(guān)節(jié)推入鎖片中，如圖16 所示。

圖16 變速箱夾開合齒板

4 發(fā)動(dòng)機(jī)集成吊具優(yōu)化案例

4.1 主鉤常見問題及解決方法

主鉤是整個(gè)吊具的主要受力點(diǎn)。吊具主鉤在設(shè)計(jì)、選材、加工制造方面要求非常高，以避免在長期使用后出現(xiàn)疲勞磨損，導(dǎo)致主鉤斷裂失效，發(fā)生安全事故。由于主鉤使用頻繁、受力大，主鉤材料一般選擇42CrMo，開模具鍛造成型后拋光處理。主鉤裝配結(jié)構(gòu)如圖17 所示。

圖17 主鉤結(jié)構(gòu)

常見問題為主鉤卡板松弛。主鉤卡板分為前后2 個(gè)夾塊，前后夾塊通過2 個(gè)螺栓連接，夾塊內(nèi)加工成方形，鉤子頸部被夾部位磨成方面，通過夾塊內(nèi)方面和頸部方面壓緊進(jìn)而將夾塊和主鉤裝配到一起。因主鉤是開模鍛造件，公差控制較困難，一旦頸部方面尺寸小于14 mm，在后續(xù)打磨拋光后，部分主鉤頸部尺寸會(huì)小于14 mm，在夾塊裝配到主鉤后會(huì)出現(xiàn)間隙配合，導(dǎo)致夾塊和擋片相對(duì)于主鉤轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖18 所示。

圖18 主鉤頸部尺寸

解決方案：首先保證主鉤在開模鍛造和拋光打磨后頸部2 個(gè)方面間距尺寸不小于14 mm，然后將夾塊尺寸由14 mm 改為13 mm，使夾塊和主鉤頸部過盈配合，并通過螺栓連接緊固，如圖19 所示。

圖19 主鉤頸部夾塊尺寸

4.2 變速箱夾子常見問題及解決方法

變速箱夾子作為發(fā)動(dòng)機(jī)總成吊具的一部分，起到承受變速箱質(zhì)量的作用。變速箱夾子需要頻繁夾緊和釋放工件，因此，如果變速箱夾子存在卡滯、頓挫、夾不緊會(huì)影響生產(chǎn)，導(dǎo)致安全問題。

變速箱夾爪中鋸齒卡板的主要作用是控制夾子打開和關(guān)閉的角度。如果齒板尺寸有問題，會(huì)導(dǎo)致在操作夾子打開和關(guān)閉過程中出現(xiàn)頓挫和卡滯?？ò迕總€(gè)臺(tái)階代表夾子在不同角度中軸的位置，臺(tái)階越多，夾子擋位越多，可實(shí)現(xiàn)夾子抓取角度的精確控制，如圖20 所示。

圖20 變速箱夾開合齒板

解決方案：通過對(duì)變速箱主夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解、分析后得出，要精確控制主夾的開合角度，需要對(duì)齒板尺寸經(jīng)行優(yōu)化。齒板的橫向尺寸控制每個(gè)位置夾子的自由活動(dòng)量和縱向尺寸控制角度的變動(dòng)量，經(jīng)過多次設(shè)計(jì)優(yōu)化驗(yàn)證后，優(yōu)化后的齒板尺寸如圖21 所示。

圖21 變速箱夾開合齒板優(yōu)化后尺寸

5 結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)總成吊具是在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝工藝過程中的新型吊具，其將發(fā)動(dòng)機(jī)吊裝、變速箱吊裝以及前橋總成吊裝集成，通過主鉤和變速箱夾將發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱吊裝，安全鉤在主鉤失效情況下起保護(hù)作用，可將前橋系統(tǒng)與動(dòng)力總成的連接預(yù)裝同時(shí)集成在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)裝線，減小主線生產(chǎn)壓力。在將前橋總成緊固到發(fā)動(dòng)機(jī)下端后，通過兩側(cè)天鵝頸系統(tǒng)可將前橋一起懸掛在吊具下方，運(yùn)載吊具將前橋系統(tǒng)集成，在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱總成完成預(yù)裝后運(yùn)送到動(dòng)力總成合裝線后返回，循環(huán)工作。

文中介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)集成吊具的結(jié)構(gòu)形式和主要功能，這種新形式的集成吊具可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工藝環(huán)境下工件的吊裝，并且吊具可以實(shí)現(xiàn)多中型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)載吊裝。該生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)集成吊具具有多功能性、生產(chǎn)柔性大、操作方便、安全耐用的特點(diǎn)，最后介紹了一些吊具常見問題和解決方法。