变速箱装配线工装设计

侯 瑞

（上海汽车变速器有限公司，上海 201807）

1 背景

工装，即工艺装备，在装配线上起着举足轻重的作用。它直接影响着装配线上工件的装配质量、装配精度、装配效率和装配成本。设计、维护和管理现场工装，是保证装配线平稳运行的条件之一[1]。

按照功能划分，变速箱装配线工装可分为限制自由度型、辅助装配型、取放零件/总成型、bypass（旁路功能）型和返修型，见图1。其中，bypass 型和返修型属于非易损工装，仅用于人工替代设备装配的情况和总成返修拆解的情况；而其他3 种类型，以不同的功能分布于整条装配线的各个工位。

图1 变速箱装配线工装

2 现场情况

变速箱装配线工装的使用范围很大，除自动工位外，其他工位均配有各自的工装。由于每个工位的装配内容、工作量和工作节拍不同，工装的使用情况也不同。因此，按照使用和设计情况，工装又可划分为3 种（表1）。其中，工厂自制工装是由工程师根据现场使用情况，结合节拍、功能、人机工程等，综合设计的实用型工装。不同于供应商简单的设计目的，这类工装更贴合实际使用情况，更多的关注工装的实用性、轻量化、安全性等。

3 自制工装设计要点

为了提升生产效率、改善劳动条件、保证生产质量，工厂会根据情况设计并自制工装。工厂自制工装在设计方法上需要注意，一是便于快速设计和制造，二是便于维护与管理，保证装配线的平稳运行。

表1 现场工装分类

3.1 功能性

功能性是工装设计的最根本也是最重要的目的。丧失了使用功能，或不能有效发挥作用，那就是严重违背了设计初衷，这样的工装等同于废品。因此，设计工装时，首先应针对其使用环境进行评估，全面考虑其所应发挥的功效，避免发生干涉、碰撞零件的情况。

3.2 强度

强度是评估工装可靠性的第一指标。影响强度的因素除了所用材料，主要是结构的合理性。部分工装采用薄壁式或悬臂式，在长期的载荷作用下，极易发生破裂、变形等问题，影响工装的使用效果和使用周期。因此，该类型工装在设计完成后，需要进行受力分析。例如应用ANSYS 有限元分析软件，可以模拟实际情况，对工装施加载荷进行受力分析，获得应力云图和屈曲点，帮助设计者对原结构进行优化和改进[2]。

3.3 轻量化

保证工装强度前提下的轻量化设计，是将设计推向更高一层水平的方式。过沉的重量、过大的尺寸、过于复杂的设计，不仅浪费成本，还增加设备或操作工的劳动负荷。目前，轻量化已成为机械领域的重点结构优化目标，甚至汽车轻量化被认为是实现节能减排的重要措施之一，对汽车工业的可持续发展具有重要意义[3]。例如电机吊具，繁琐而沉重的结构使操作工使用起来吃力而缓慢，对其结构进行优化，保留其功能性和强度，实现了轻量化改进，见图2。

3.4 安全性

在机械制造生产过程中，保证生产安全、重视安全问题、关心操作人员生命安全是企业的首要任务[4]。因此，工装设计应充分考虑使用过程中可能存在的安全隐患。安全性除了针对人员，还包括对生产过程中的工件的保护，具体情况见表2。

图2 电机吊具轻量化前后

表2 工装安全设计措施

3.5 低成本

在保证功能、强度、结构合理性和安全性的前提下，控制工装的加工成本是设计的最后一项工作。控制成本不仅是减少不必要的浪费，更体现了科学的设计理念。在工装设计中，控制成本不仅是在保证强度下采用低价格材料，还包括加工方式的选择。例如制作薄壁工装，可通过折弯或铣削两种方式加工（图3），但铣削浪费的材料将是折弯的数倍，在不需要过高精度的情况下，应采用折弯加工方式。

图3 折弯与铣削加工

4 结语

对变速箱装配线工装设计进行总结与分析，根据工装的实际使用情况，归纳设计注意事项。针对工装设计，得出如下结论：

（1）工装的设计应保证其功能性、强度、轻量化、安全性和低成本。其中，功能性是工装的必要特征，是设计的最根本目标。其次，在强度、轻量化等方面对其进行结构优化。最终，以安全为保证，以最低成本加工制作。

（2）运用各种手段，实现工装结构的优化。通过运用Ansys等软件，对工装强度进行校核，优化结构性能和使用寿命；采用合理的结构和加工方式，降低加工成本。