装配变速器冠轮抓取失效的问题分析

李怀习，麦承贤，黄祖思，梁甲

1.柳州孔辉汽车科技有限公司 广西柳州 545005 2.柳州上汽汽车变速器有限公司柳东分公司 广西柳州 545005

在前驱汽车变速器中，冠轮是连接在差速器上与中间齿轮之间的重要传动部件，主要起降速增扭的作用［1］。冠轮与差速器的装配直接影响到变速器内部的清洁度，以及冠轮与中间轴齿轮的啮合情况；同时，对齿轮的NVH性能也会有影响，影响驾驶员的驾驶体验与乘客的乘坐感受。

现有某变速器差速器装配线的装配工艺存在以下问题。

1）在冠轮压装过程中，卡爪夹持冠轮工件随压柱下移，冠轮掉落。

2）冠轮压到位后，压头上抬时，卡爪将冠轮带出，或将差速器与冠轮一起带出。

系统结构及工艺流程

现有某产品的差速器，差速器壳体与冠轮的设计配合为偏过盈的过渡配合，即差速器壳体与冠轮的配合会存在间隙配合的情况。同时，卡爪与冠轮不是硬性连接，为避免零件被带出或者零件掉落的问题，卡爪力需要满足一定的要求。

1.系统结构

如图1所示，冠轮压装的系统主要由基座、弹簧、卡爪、卡爪安装座、弹簧调节螺杆锁紧螺母、弹簧调节螺杆、限位螺钉、卡爪轴、压头、冠轮及差速器壳体组成。

图1 工位结构示意

以基座作为依托，卡爪安装座通过螺栓连接安装在基座下方，卡爪通过卡爪轴安装在卡爪安装座内，形成一个铰链结构。弹簧调节螺杆、限位螺钉也安装在卡爪安装座内，并在螺杆上装上弹簧，为卡爪提供了一个反向的抓取力，限位螺钉对卡爪的张开起到了一个限位的作用，这些部件形成了一组卡爪机构。在基座下方一共分布着3组卡爪机构，将冠轮放置上去时，将冠轮抓住。差速器壳体放置在托盘上，位于冠轮的正下方。

2.工作原理

冠轮放置在基座下方，向上推压，卡爪张开放置限位面后，因弹簧力的作用将冠轮卡在工装上，同时控制设备下压，将冠轮压到差速器壳体上，保压时间过后，压头与基座向上撤回，这时冠轮与差速器已经结合，将冠轮松开。

3.装配工艺过程

冠轮安装的装配工艺流程如图2所示，按照该工艺流程，现场反馈：在第2步出现过冠轮掉落的情况，且多次放置后，仍然掉落；在第4步出现过差速器及冠轮被带出的问题。两者均需返工调整，严重影响产线的节拍［2］。

图2 冠轮产线工艺流程

卡爪力分析过程

1.卡爪弹簧夹持力要求计算

卡爪受力状态如图3所示。

图3 卡爪受力示意

为防止冠轮掉落，应有弹簧力矩大于冠轮质量的重力矩，即

为防止冠轮掉落，应有弹簧力矩小于冠轮与差壳质量和的重力矩，即

式中Fk——弹簧力（N）；

Fg1——冠轮传递的重力（N）；

Fg2——冠轮加差速器传递的重力（N）；

X1——弹簧力的力臂长度（mm）；

X2——零件重力的力臂长度（mm）。

根据产品要求及实际测量尺寸：Fg1冠轮传递的重力约为21.6N，Fg2冠轮和差速器传递的重力约为62.5N，弹簧力的力臂长度X1为23.5mm，零件重力的力臂长度X2为13.4mm。代入式（2）、式（3）计算可得弹簧力：4.115N＜Fk＜11.879N。

2.卡爪弹簧夹持力实际测量计算

卡爪位移关系如图4所示。无工件状态下，在卡爪上施力F，产生位移S，计算相应弹簧力Fk，S0为卡爪调定原始位置，计算当卡爪恰好能让工件通过时位置Sa的弹簧力Fka。

图4 卡爪位移关系示意

1）卡爪对应的弹簧力、弹簧压缩位移、弹簧刚度计算。卡爪张开S时，卡爪夹持力与对应弹簧力的关系为

卡爪张开S时，根据几何关系，有卡爪位移与对应弹簧压缩量关系，即

卡爪对应弹簧的弹簧刚度k的计算：

式中X3——测量点的力臂长度（mm）；

Sk——弹簧压缩量（mm）；

ΔFk——弹簧力之差（N）；

ΔSk——弹簧压缩量之差（mm）。

由于设备空间条件有限，3组卡爪只测量了2组卡爪的推力以及位移，每组测6个数值，取平均值，得卡爪推力、卡爪位移测量值见表1。

表1 卡爪推力、卡爪位移测量值

将表1中的测量数值带人式（3）、式（4）、式（5）中，可得表2 中的弹簧力、弹簧压缩位移、弹簧刚度计算值。

表2 弹簧力、弹簧压缩位移、弹簧刚度计算值

2）工件刚通过卡爪时的弹簧力。根据图样，测量可得卡爪恰好能让工件通过时的弹簧压缩量Ska=1.175mm，将Ska、Fk2、Sk2、k带入式（5）有：Fka1=10.38N、Fka2=10.07N。

通过以上验证计算可知正常工作状态下，现有调节好的卡爪弹簧力Fk满足在4.11～11.87 N的理论要求。

3.卡爪弹簧夹持力实际测量计算

冠轮与差速器壳压装后结合力Fj要求：结合力Fj大于差壳的重力，即

结合力Fj对卡爪产生的推力力矩大于弹簧力矩，即

根据前面测量计算及差速器的重量4.17kg，带入式（6）、式（7）有：Fgc=40.85 N；Fk2X1=214.46 N.mm；综合得：Fj＞48.8502 N。理论上，当结合力大于48.85N时，冠轮不会被带起来。

优化策略

保持现有工装不作改动，定期对夹具检修、更换，规范卡爪力值的更合理调整范围。当弹簧力衰减到产线零件夹持不住时，需要调节卡爪力；当出现间隙过大被带出时，手动放置冠轮，手打螺栓。制作卡爪备件，当卡爪磨损到一定程度时，更换卡爪，按规范调节卡爪力。

结语

通过数据分析与现场测算相结合，分析冠轮在各个压装状态下，卡爪抓取力使用的边界条件，为生产工艺的优化及产线效率提高提供了理论依据。同时，这种方法为装配变速器冠轮时，抓取失效问题分析提供了一个思路，提高了解决此类问题的工作效率。