四驱车前桥驱动半轴装配角度调整工装设计

第39卷 第5期 2017-05 【59】四驱车前桥驱动半轴装配角度调整工装设计4wheeldrivefrontaxledriveshaftangleadjustmentandcontroljigdesigning钱仕德QIANShi-de（北京奔驰汽车有限公司制造工程部，北京100176）摘要：为了解决奔驰E系四驱车型前桥左、右驱动半轴装配工艺瓶颈，提出了三种解决四驱车前桥驱动半轴装配的方案，通过对三种方案分析和比较，确定了文中详述的移动式制动盘升降控制方式，其通过控制制动盘高度调整来实现驱动半轴与中间轴的相对位置角度控制。在保证装配质量的条件下，提升了装配效率，最终解决了该装配点的工艺瓶颈。关键词：四驱；半轴装配；制动盘举升；角度调节中图分类号：TH162.1文献标识码：A文章编号：1009-0134(2017)05-0059-04收稿日期：2016-07-28作者简介：钱仕德（1984-），男，硕士研究生，主要从事汽车装配工艺设备开发和项目管理工作。0E系车4MATIC车前桥结构与装配工艺介绍奔驰E系车四驱结构沿用了奔驰越野鼻祖G系列四驱结构的基础形式，四驱功能在一定程度上增加E车的安全性与动力在不同路况条件下的分配合理性。与非四驱车型一样，发动机采用纵向布置形式，只是在非四驱车型的基础上，在前桥增加了1套开放式差速器，并通过电子辅助系统根据需要实现在不同路况条件下的动力分配。E系四驱前桥驱动半轴是全浮式形式，包括前左半轴与前右半轴。左右驱动半轴在总装前已装到制动盘上，左侧驱动半轴与中间轴配合，轴端为母轴。右驱动半轴与差速器孔配合，为公轴。左右半轴与制动盘连接处结构均相同，半轴外端延伸至制动盘盖的外端，然后外端上的法兰盘再与制动盘罩通过螺栓连接，半轴在圆锥滚子轴承上运动。前差速器通过四颗螺栓连接到发动机右侧缸体上。前桥右半轴与差速器半轴齿轮连接；前桥中间轴装配需取下左侧中间轴安装孔保护盖板，对准中间定位齿与安装孔中的定位槽，将中间轴插入安装孔中，用特殊工装将中间轴推到底，最后锁紧夹箍安装到锁紧槽中。通过多次产品试装发现，前桥左、右驱动半轴的装配是E系四驱车型装配的瓶颈之一。一方面，半轴装配需要两个以上操作员相互协作才能完成，且单车平均装配时间达到了270s，是生产节拍（90s）的三倍。另一方面，装配时半轴轴线角度偏差造成了半轴密封圈的变形和移位，反复插装还造成半轴表面漆的损坏，不能达到产品工艺质量要求。图1左半轴与中间轴结合【60】 第39卷 第5期 2017-051前桥半轴装配工艺要求左半轴转配：1）左半轴内端面通过花键与中间轴外端面配合传递驱动转矩，在装配过程中，操作员需在保持左半轴与中间轴平行（即确保半轴内端部分的轴水平）的状态下，将半轴一次性推装到位；2）禁止通过蛮力反复冲撞，在保证角度的条件下，适当的轴向推力将半轴推装到位；3）密封圈损坏可能造成产品运行过程中漏油，第一次装配不到位必须进行二次时，需对中间轴外端位置的密封圈进行检查，确保完好后方能再次推入。右半轴装配：1）右半轴内轴通过花键与差速器中的半轴齿轮连接，在装配过程中，在保持半轴与半轴齿轮啮合孔轴线平行的状态下，将半轴1次性推装到位；2）禁止通过蛮力反复冲撞，在保证角度的条件下，适当的轴向推力即可将半轴推装到位；3）装配时为保护半轴花键轴头处有弹性钢丝圈，保证半轴与孔轴在同一条线上，将半轴花键对准半轴齿轮花键孔，在半轴轴线与齿轮轴线平行的条件下，手动推入差速器半轴齿轮中。2四驱前桥驱动半轴装配角度控制左、右半轴均由两个万向节和内轴、外轴、中间轴三部分构成。在实际路况条件下，三轴轴线之间的角度随路面条件不断变化。如何通过控制半轴上三条轴轴线之间的角度来确保操作能够在保证工艺和装配质量的前提下，快速轻便地完成半轴的装配，即是本文需要解决的问题。通过数模分析发现，左半轴中间轴、内轴与驱动中间轴、右半轴中间轴、内轴在同一轴线上。在实际状态下，操作员通过调整车桥制动盘的Z向位置，即可调节半轴上三轴之间的角度。当轴线之间的角度为180°时，三轴成一条直线。此时，半轴亦与中间驱动轴和差速器中的半轴齿轮孔轴线共线。根据试装发现：半轴上三轴共线是将左半轴装配到中间轴、右半轴装配到差速器的最佳条件。装配前桥左、右半轴时，要求半轴内轴必须与差速器中的半轴齿轮孔、中间驱动轴同轴线。本文中的E车前桥驱动半轴装配角度控制解决方案以此工艺要求为基础而设计。从理论上分析，半轴三轴之间的轴线夹角会随制动盘的Z向高度变化而变化。基于此原理，能否将半轴角度变化转化为制动盘Z向的位移变化？据此：提出了以下三种E车半轴装配角度控制方案。2.1方案1：合装夹具改造合装夹具主要由基架、前浮动盘、后浮动盘、等主要组成。在合装夹具上安装制动盘高度调节机构。通过液压杆或者纯机械机构，由操作人员手动调节制动盘在Z向的位移。升降时使用电动扳手连到套筒上驱动轴旋转以实现升降，或者通过手动驱动带凸轮的轴旋转180°实现升降。该方案的缺点：成本高；改造时间长（改造只能在周末或假日进行）；造成夹具维护成本增加。2.2方案2：左右制动盘自动升降控制奔驰海外某总装配车间，通过伺服电机驱动机构与合装夹具上的制动盘升降机构配合来实现制动盘的Z向自动调节功能。该方案的优点在于，不占用工位工艺操作时间，位置调节准确。但缺点在于需要电力输入，自动化要求高，成本高。本文的半轴装配位于合装系统的中部，在装配过程中，底盘随输送链以不低于0.075m/s的速度持续移动。因而此方案实施难度大。2.3方案3：移动式制动盘升降控制工装受限于合装夹具与输送线结构等因素，同时从节约图3前桥与半轴相对位置图2右半轴与差速器结合第39卷 第5期 2017-05 【61】项目成本和项目时间的角度考虑，移动式制动盘升降工装（液压或机械）成为解决前桥驱动半轴装配角度控制更适合方式。前桥举升控制功能要求：要求设备能够移动轻便；操作员在操作时，需要用双手进行半轴位置调整并进行轴向推进，只能够通过脚踏机构控制制动盘在Z向的位置变化；不同车型，半轴内轴水平时，制动盘Z向的最佳装配位置不同，要求举升行程可调；当半轴到达设定装配高度时，制动盘在Z向能够自行锁止。原理阐述：根据功能要求可知，刹车盘处需要设计支撑，且该支撑能够托住刹车盘在Z向上下移动约140～160mm左右。该装置需要从线外移动到板链线上，所以需四个轮子支撑。四个轮子与刹车盘之间需要通过框架连接，将刹车盘支撑与四个轮子连接起来。轮子与框架用螺栓连接，刹车盘支撑板与框架需通过导轨连接，为支撑板的上下起到导向作用。举升通过脚来控制，需要设计踏板。自动Z向的运动阻力，需要设计杠杆机构来克服1）整体框架设计。轮位布置：由于脚轮的位置与受力点的位置在竖直方向有一定距离，会导致整个工装受倾覆力矩M，有可能导致工装倾翻。框架决定举升装置的重量，由于使用时需要工人移动工装，所以该框架在强度足够的情况下应该尽量轻便，以便于工人轻松操作。根据经验，该框架的型材使用截面尺寸为40×40×2.5mm的型材。脚轮型号的选择：对于脚轮，直径越大越便于工人移动。工业脚轮材质主要分为三类：橡胶、尼龙、聚氨酯，分别适用于轻载、重载、中等载荷，该工装属于轻载，选用橡胶材质的脚轮。选用常用品牌MISUMI，得出脚轮型号为：定向轮：ST-100MISUMI，万向轮：SK-100MISUMI。图5结构受力分析2）制动盘支撑结构设计。刹车盘有突出台阶结构，该台阶可作为支撑板支撑点，但需要注意不要与刹车装置干涉。刹车盘支撑块选用较软的聚氨酯材料，可以保护车身件不受损伤，较软材料还可以增大与刹车盘摩擦力，防止使用过程中从刹车盘滑出。支撑结构主要有三部分组成。聚氨酯托块支撑点加工成圆弧状，能很好的与制动盘啮合。垫片起到调节高度的作用。焊接件通过滑块将支撑结构连接到主题框架上。3）制动盘支撑板导向结构设计。制动盘支撑板在Z方向需要移动约150mm，以便将制动盘从低位提升到适当位置。支撑板的导向结构还要保证足够的强度和刚度。根据经验，选用常用的BoschRexroth牌导轨及滑块装置。对于一般使用工况，选用最常用的导轨：宽度=23mm，该导轨对应滑块长度为86mm。导轨长度至少为：120+86=206mm，两端留余量选导轨长度为230mm。由此可得出导轨型号为：R160520331_230。滑块型号为：162229320。导轨与主体框架相连，滑块与制动盘支撑相连，连接方式为螺栓连接。4）制动盘支撑限位装置。由于制动盘支撑在Z向可以移动，需要有限位装置将该支撑限位，防止工人操纵不当导致支撑掉落砸伤人，也可视为安全装置。该装置应该具有缓冲及高度调节功能，通过连接件连到主体框架上。5）制动盘支撑定位装置。当制动盘支撑将制动盘举升到适当高位时，支撑高度应该被顶丝，以便工人可以松开脚踏板，更加方便地装入半轴。设计思路：在主体框架上装一拔销，支撑上打对应的孔，当支撑运动到高位时拔销在弹簧力作用下插入孔内，将制动盘支撑位置限死。拔销通过连接件与主体框架连接。6）力的传导机构。第一种技术方案是曲柄滑块机构。该工装的力输入点为脚踏板，输出点为制动盘支撑，两点之间大概有800mm的距离，需要设计动力传导机构，将输入点与输出点相连，以便实现将踏板上的力传导制动盘支撑。制动盘支撑为Z向的直线运动，该运动可以通过曲柄滑块机构实现。曲柄滑块绕点A摆动可以实现滑块C在Z向的往复直线运动。将该曲柄滑块机构结合本工装要求便可以得到连杆机构。由运动学可知，曲柄滑块机构的运动属于平面运动，力的传导只能在同一平面内传导，因此脚踏板的运动受到限制。脚踏板绕旋转点A转动，这种结构不是很利于工人操作。䐧Ⱀ㝭䐈⧦᷍ⰵ䇇⿍㌊&㑍ⶬ᷍ⰵ䇇O㤛⢛᷍ⰵ䇇O㿞䓋⮄$ㅦ㲅⟆䈌㤛⢛㑍ㅴ㑍ⶬㅦ㲅⟆图6第一种技术方案图4夹具举升机构【62】 第39卷 第5期 2017-05第二种方案是齿轮齿条与双连杆机构的结合机构。由于齿轮齿条机构可以将齿轮的旋转运动转化为齿条的直线运动，可以考虑将齿条与支撑连接，通过驱动齿轮旋转来实现制动盘支撑在Z向的直线运动。由于制动盘支撑只在一定高度范围内做往复的直线运动，所以齿轮并不需要做整周的旋转运动。齿轮与脚踏板通过连杆相连。通过机构简图用CATIA设计建模得出设计结构。㑍ⶬ㑍ⶬㅦ㲅⟆⧾㳖᷍㑍㔷咒䐈⧦⧾㔷图7第二种技术方案力的传导机构两种技术方案的优缺点比较：在受力上，方案一的结构在力的传导过程中损失较多。方案二通过齿轮把力传导到齿条上，在齿轮旋转时，齿条所受到的力为竖直方向上的力，基本没有力的损失。在人机工程上，方案一踏板不便于工人操作，方案二踏板只有在竖直方向运动相对方案一更符合人机工程学。在灵活性上，方案一全部由连杆组成，由于没有调节装置，对连杆的尺寸设计要求较高。方案二齿轮与齿条在安装时可以调节齿轮角度安装，灵活性更好。综上所述，方案二较方案一存在较多优点，方案一舍弃，选择方案二进行详细设计。方案二的详细设计：齿轮、齿条的常用模数有3、2.5、2、1，模数越大，齿轮轮齿越大，能承受力就越大。考虑到耐用性这里选择齿轮、齿条模数为3，齿数为60，齿条长度选250mm。从MISUMI品牌中选择，得型号为：齿条：RGEAL3.0HT-250-A30-B95-C95，齿轮：GEAHB3.0-60-30-A-25。连杆与连杆的铰接点，齿轮与旋绕轴的连接均用自润滑铜套，可以起到耐磨、润滑的效果。连杆采用左旋螺纹与右旋螺纹结合，可以方便调节踏板高度，以便工人操作。7）结构设计总结与实际效果验证。当制动盘中心从267mm举升到367mm时，前桥半轴与差速器半轴齿轮轴线的角度从30°左右减少到15°左右（两个参数之间的关系未知）。事实上，当制动盘继续上升到一定范围时，半轴与半轴齿轮轴线的角度不断向0°接近。实际装配过程中，当中心制动盘举升至423mm，半轴基本能够与中间驱动轴、差速器半轴齿轮轴线在同一条线上。事实上，在装配过程中，当轴线之间夹角小于5°时，操作员可通过手动微调右半轴与半轴齿轮孔轴线、左半轴与中间轴的轴线角度，轻松完成半轴的装配。䐧Ⱀ㝭䐈⧦ㆂ䐧Ⱀ㝭䐈⧦㻿㸜䓑䐧Ⱀ㝭䐈