发动机油底壳四轴螺栓拧紧机的设计

屈 创，王 琪

(江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212003)

发动机油底壳四轴螺栓拧紧机的设计

屈 创，王 琪

(江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212003)

针对企业发动机油底壳多使用单轴或双轴拧紧机进行拧紧，用于装配线上大批量生产时效率相对较低的问题，设计了一种用于发动机油底壳螺栓联接的四轴拧紧机，采用丝杆螺母机构和导轨滑块机构设计，通过四个拧紧轴前后、左右、上下移动，同时同一部分上的两拧紧轴一个可相对于另一个固定的拧紧轴移动，能同时拧紧四个不同间距和不同中心距的螺栓组。用ANSYS Workbench对拧紧轴底板进行了有限元分析，结果表明其强度和变形都满足设计要求。该拧紧机用于发动机油底壳装配线工作范围大，生产效率高，拧紧质量可靠，能很好的保证油底壳良好的密封性能。

发动机;油底壳;螺栓拧紧机

0 引言

汽车发动机由成百上千的零部件组成，作为汽车的“心脏”，其制造技术是整车制造技术的集中体现。能否保证发动机具有良好的性能，实现可靠地运转，很大程度上取决于发动机制造过程的关键工序——装配[1]。螺纹联接是发动机装配中广泛采用的一种方法，70%的发动机联接为螺纹联接[2]。

油底壳是发动机的重要组成部分。油底壳也是曲轴箱的下半部，又称为下曲轴箱。作用是封闭曲轴箱作为贮油槽的外壳，防止杂质进入，并收集和储存由柴油机各摩擦表面流回的润滑油，散去部分热量，防止润滑油氧化，所以其密封性能是极其重要的[3]。而油底壳是用螺栓将其与曲轴箱的上半部拧紧联接的，因此螺栓的拧紧质量对油底壳的密封性能有重要影响。

传统拧紧工具都容易受到操作力大小和速度、视觉误差等因素的影响，拧紧机的出现使拧紧技术得到了有效地控制[4]。拧紧机在发动机装配过程中是不可缺少的一部分，它决定着发动机的使用寿命，也是发动机安全运转的保障[5]。

国外在螺纹拧紧技术方面的研究起步较早[6]，90年代末，国外的装配作业线上的装配工具已经逐步从手动、电动工具向低能耗、低噪声、控制精度等可控制拧紧设备发展[7]。而且国外的拧紧机设计注重人机工程学，对可靠性、拧紧精度及安全性要求苛刻[8]，产品质量高，但价格昂贵。国内最初是通过引进消化吸收国外设备来进行研究，现在一些企业已经能自行设计和开发具有自主知识产权的拧紧机。但目前企业发动机油底壳上螺栓的拧紧多使用单轴或双轴拧紧机进行拧紧，由于发动机油底壳上螺栓数目多，用于装配线上大批量生产时效率相对较低。为此，本文设计了一种用于发动机油底壳螺栓联接的四轴拧紧机，可同时拧紧四个螺栓，能提高生产效率，而且工作范围大，拧紧质量可靠，能很好的保证油底壳良好的密封性能。发动机油底壳在装配线上一次装夹定位后，可将其与曲轴箱的上半部联接的螺栓全部拧紧，用于发动机油底壳装配生产线能提高自动化程度和效率。

1 拧紧机结构及各部分功能

该发动机油底壳四轴螺栓拧紧机由左右相同的两部分结构和底座组成，每一部分结构都由立柱、下部移动组件、上部移动组件及拧紧轴组件组成，其整体结构如图1所示。

图1 拧紧机整体结构图

该拧紧机采用丝杆螺母机构和滑块导轨机构设计，下部移动组件可前后移动，上部移动组件可左右移动，同时上部移动组件中的拧紧轴组件可上下移动对发动机油底壳螺栓进行拧紧。拧紧轴组件中的一个拧紧轴可相对于另一个移动，便于同时拧紧同一方向 (前后方向)上不同中心距的两个螺栓。

1.1 下部移动组件结构及功能

下部移动组件通过螺栓安装在立柱上的水平架上。它主要由安装板、伺服电机、联轴器、丝杆、螺母、浮动块、直线导轨、滑块、止动片及传感器等组成，其结构如图2所示。

1.轴承盖 2.前轴承座 3.止动片 4.导轨 5.安装板 6.滑块 7.伺服电机 8.联轴器 9.电机连接座 10.后轴承座 11.传感器 12.浮动块 13.螺母 14.丝杆

图2 下部移动组件

下部移动组件由伺服电机提供动力驱动丝杆转动，丝杆再带动螺母移动，从而使得与螺母固定安装在一起的浮动块前后移动，最后浮动块带动与其和四个滑块固定连接在一起的上部移动组件前后移动，实现与上部移动组件安装在一起的拧紧轴组件前后移动，从而实现多个螺栓不同位置的前后方向定位。

1.2 上部移动组件结构及功能

上部移动组件通过水平滑动板安装在下部移动组件中的浮动块和四个滑块上。它主要由水平滑动板、安装角板、上下滑动板、伺服电机驱动的丝杆螺母机构、气缸驱动上下移动的滑块导轨机构及传感器组成。安装角板相互垂直的两个面上分别有两个用螺栓联接的导轨。其结构如图3所示。

上部移动组件水平方向(左右方向)驱动原理与下部移动组件前后方向驱动原理相同，都是伺服电机驱动丝杆螺母机构最后带动滑块导轨机构移动，唯一不同点是后者最后带动的是滑块相对于导轨移动，而前者则相反。上部移动组件水平方向(左右方向)的移动和下部移动组件前后方向的移动保证了拧紧轴组件对多个螺栓不同位置的平面坐标定位。

1.传感器 2.滑块 3.导轨 4.丝杆 5.水平滑动板 6.浮动块 7.轴承座 8.电机连接座 9.伺服电机 10.安装角板 11.导轨 12.滑块 13.上下滑动板 14.传感器 15.气缸

图3 上部移动组件

上部移动组件垂直方向是由气缸驱动安装有滑块的上下滑动板移动，从而带动安装在上下滑动板上的拧紧轴组件上下移动，实现拧紧轴的升降功能。

1.3 拧紧轴组件结构及功能

拧紧轴组件通过螺栓安装在上部移动组件的上下滑动板上。它主要由伺服电机驱动的丝杆螺母机构、滑块导轨机构、拧紧轴及拧紧轴安装座等组成。其结构如图4所示。

1.拧紧轴 2.滑动拧紧轴安装座 3.丝杆 4.轴承座 5. 伺服电机 6.导轨 7.拧紧轴底板 8.固定拧紧轴安装座

图4 拧紧轴组件

拧紧轴组件右边的拧紧轴固定在拧紧轴底板上，左边的拧紧轴安装座后装有滑块，可以在导轨上移动，其驱动原理与下部移动组件前后方向驱动原理相同。这样一个拧紧轴可相对于另一个拧紧轴移动，便于同时拧紧同一方向(前后方向)上不同中心距的两个螺栓。拧紧机左右相同的两部分结构可同时拧紧四个螺栓，效率高。

1.4 拧紧轴的选择

作为螺栓拧紧，实际上就是要使两被联接体间具备足够的压紧力，反映到螺栓上就是它的轴向预紧力。而不论是两被联接体间的压紧力还是螺栓上的轴向预紧力，在工作现场均很难检测，也就很难予以直接控制，并且发动机装配中的油底壳对扭矩精度要求相对不高，所以，可采取扭矩控制法进行间接控制[9]。

拧紧轴是拧紧机用来拧紧螺栓的执行件，是拧紧机中非常重要的部分。在拧紧螺栓时，其拧紧扭矩T需要克服被旋合螺纹间的摩擦力矩和螺栓与被连接件(或垫圈)支撑面间的摩擦力矩，并使联接产生预紧力F，它们的关系为[10]：

T=K·d·F×10-3

其中：T是拧紧力矩(N·m)；F是螺栓轴向预紧力(N)；K是拧紧扭矩系数；d是螺纹的公称直径(mm)。拧紧扭矩系数K一般在0.1～0.3之间变化。经验设计中，拧紧扭矩系数一般取0.2[10]。

通过以上公式计算，拧紧轴需要输出的扭矩为30 N·m，采用拧紧过程伺服电机驱动，带有触摸屏显示的电动伺服拧紧轴，其前端伸缩轴伸缩量为50mm。拧紧轴如图4拧紧轴组件中安装的两根。

2 拧紧轴底板有限元分析

拧紧轴底板上的拧紧轴在拧紧发动机油底壳上的螺栓时所产生的力可能会破坏拧紧轴底板的强度，因此有必要对拧紧轴底板进行静力学有限元分析及强度校核。

2.1 定义材料属性

利用 Solidworks 与 ANSYS 14.0 的数据接口将拧紧轴底板模型导入 ANSYS Workbench 中，进入机构静力分析Static Structure 模块，设置单位为kg、mm、s；定义拧紧轴底板模型的材料属性，具体参数如表1所示。

表1 拧紧轴底板材料及其参数

2.2 网格的划分

网格划分的质量对计算结果有很大影响，进入 Model 环境，对简化后的模型(忽略螺纹和倒角特征)进行自动网格划分，并设置Body Sizing下的Element Size为10mm，拧紧轴底板模型被划分为18025个单元和31921个节点，如图5所示。

图5 网格划分图

2.3 边界与载荷的约束

采用 Fixed support 方法对拧紧轴底板背面两个连接处进行固定约束，如图6所示；载荷采用合力Force的方式施加在拧紧轴底板正面的相关联接件的端面上，如图7所示，合力大小为3900N，方向沿Y轴负向，此力为拧紧轴拧紧发动机油底壳上的螺栓时对拧紧轴底板产生的力，实际力小于3900 N，此处留有安全余量。

图6 载荷约束图 图7 载荷约束图

2.4 后处理及结果分析

进入Solution对拧紧轴底板的等效应力和全位移进行分析，分析结果如图8为应力云图，图9为位移云图。

图8 应力云图

图9 位移云图

强度校核条件[11]：

[σ]=σlim/[S]>σcamax

式中,[σ]—材料的许用应力；σlim—材料的屈服应力；[S] —材料的安全系数，取1.2；σca max—实际计算出来的最大应力。

由图8知通过有限元分析得到拧紧轴底板结构产生的最大应力σcamax为31.223MPa；[σ]=σlim/[S]=195.83MPa，从强度计算可知σcamax< [σ]，拧紧轴底板强度满足要求。

图9中拧紧轴底板的最大变形量为0.10557mm,可知在材料允许的弹性变形范围内，符合设计要求。

3 结论

用三维设计软件Solidworks设计了一种用于发动机油底壳螺栓联接的四轴拧紧机，四个拧紧轴可前后、左右、上下移动，能同时拧紧四个不同间距和不同中心距的螺栓组。用ANSYS Workbench对拧紧轴底板进行了结构有限元分析，其强度和变形量都满足设计要求。该四轴拧紧机用于发动机油底壳装配线工作范围大，效率高，拧紧质量可靠，能很好的保证油底壳良好的密封性能。

[1] 张小林. 浅析汽车发动机装配线规划设计[J]. 装备制造技术，2008 (12):151-152.

[2] 初泰安. 螺栓拧紧方法及预紧力控制[J]. 石化技术，2004,11(3):42-45.

[3] 马富银，黄新良,吴伟蔚,等. 柴油机油底壳动态密封性能改进[J]. 润滑与密封，2012,37(3):98-101.

[4] 冯德富，黄跃进. 拧紧机在汽车发动机制造中的应用[A]. 中国汽车工程学会.面向未来的汽车与交通—2013中国汽车工程学会年会论文集精选[C].北京: 中国汽车工程学会，2013.

[5] 张继，王德权，杨林. 发动机生产线的拧紧机设计及质量数据分析[J]. 机械设计，2012,29(1):80-83.

[6] 郑劲松. 发动机缸盖螺栓拧紧工艺与实验研究[D]. 上海:上海交通大学，2008.

[7] 卫道柱.螺纹自动拧紧机的研制[D]. 合肥:合肥工业大学，2004.

[8] Michael J Brezonick．FURTHERING FLEXIBILITY AND SAFETY: New Sauer-Danfoss Automotive Control technology designed to address machine operating, safety issues[J]．Diesel progress: International Edition，2010，29(2).

[9] 冯德富. 汽车装配的螺栓拧紧[J]. 现代零部件，2009(12):45-47.

[10] 黄恭伟. 螺纹拧紧技术研究及拧紧控制系统设计[D]. 合肥:合肥工业大学，2007.

[11] 张增志. 耐磨高锰钢[M].北京:冶金工业出版社，2002.

(编辑 李秀敏)

Design of Four Axis Bolt Tightening Machine for Engine Oil Pan

QU Chuang，WANG Qi

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003,China)

Engine oil pans of the enterprise are tightening by uniaxial or biaxial tightening machine. Efficiency of assembly line mass production is relatively low. A four axis tightening machine is designed for the bolt connection of engine oil pan. Using the design of screw nut mechanism and rail slide mechanism, it makes four screw shaft move up and down, left and right sides, before and after. At the same time, the same part of the two axis of the shaft can be moved with respect to another fixed tightening shaft. It can also tighten the bolt group with four different distance and different center distance. ANSYS Workbench is used to carry out the finite element analysis of the structure of the shaft bottom plate. The results show that the intensity and deformation meet the design requirements. The tightening machine is used for the assembly line of engine oil pan. With the large working range, high production efficiency and the reliable tighten quality, it can ensure good sealing performance of oil pan.

engine; oil pan; bolt tightening machine

1001-2265(2016)12-0141-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.038

2016-01-05;

2016-02-26

屈创(1989—)，男，陕西咸阳人，江苏科技大学硕士研究生，研究方向为数字化设计与制造，(E-mail)1104488967@qq.com。

TH122；TG65

A