乘用车转向灯气密性检测设备设计与分析

2022-05-12曹先雷胡习之

机电工程技术 2022年3期

曹先雷，胡习之

（1.广州维思车用部件有限公司，广州 510460；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510641）

0 引言

转向灯是乘用车的重要配置，但是受转向灯的原材料特性、零件合格率、焊接精度与可靠性等因素影响，使少数转向灯存在泄漏现象。转向灯的密封性不良会引起灯内出现起雾、积水、换气效果变差等现象，这些都影响到转向灯发光强度、外观效果、使用寿命以及驾驶安全[1-2]。因此，近年来，随着产品质量要求的提高，密封性检测技术逐渐成为行业内研究重点。国内，王勇、阎秋生等[3-4]分析了气泡法、涂抹法、流量法、差压法等气密性检测方法的特点，研究了差压法在发动机零部件检测中的应用，具有较高的实用价值。吴春龙等[5]进行了气泡图像检测法研究，但是该系统不能检测直径为4 mm以下的气泡。钟晓玲等[6]对线束产品的密封结构进行了设计分析，但是没有对线束产品的密封性检测提出研究。严荣等[7]对线束连接器密封性失效案例进行了水密性验证，但是对于适于批量生产的气密性检测方法没有进行探讨。目前，国内鲜有查到关于线束产品的气密性检测报道。

综上所述研究方法分析，针对乘用车转向灯在装配及振动摩擦焊接过程中出现的线束密封垫与灯壳配合不良漏气、灯壳与灯罩虚焊及焊接破裂、线束连接器插孔漏气等综合性问题，本研究设计了乘用车转向灯差压法气密性检测设备。运用参数化设计方法[8]构建了三维模型，采用差压式检漏法与逻辑控制方法完成了整个气密性检测流程，有效地检出了带线束的乘用车转向灯气密性不良品。采用差压式检漏法进行产品质量管控，可以提高企业产品的市场竞争力，适宜进行大面积推广运用。

1 方案设计

1.1 转向灯产品介绍

一款带线束连接器的转向灯如图1所示。

图1 转向灯总成

1.2 转向灯泄漏风险分析

由于线束内部由多根细铜线构成，线束内部无密封，当从灯壳插孔向转向灯内部充气时，灯内压缩空气会通过线束内部的间隙泄漏至大气中，因此在进行气密性检测时，需使用平面橡胶垫密封线束连接器插孔。当灯壳与灯罩焊接不良时，当线束密封垫与灯壳装配不良时，当线束连接器尾端与线束密封不良时，存在泄漏现象，这种不良品需要剔除。

1.3 设计方案

经过综合分析，选择差压法，拟定以下方案。

上下料由人工完成、气密性检测由机器自动完成。根据生产节拍要求，左、右转向灯需同时检测；也可单独检测。因此使用2台差压式气密性检测仪同时对左、右转向灯进行气密性检测；设计一套气密性检测工装，选择灯壳相对规则的特征作为转向灯的定位基准面，采用气缸夹紧灯壳。由于气密性检测时，灯罩内会存在一定压力，出于安全性的考虑，设计一个直线往复传送装置将气密性检测工装及转向灯移送至保护罩内进行气密性检测，将检测区域与人工操作区域隔断，确保作业安全。采用灯壳插孔密封装置密封灯壳插孔，采用线束连接器密封装置密封线束连接器插孔，气密性检测仪通过灯壳插孔充入压缩空气进行气密性检测。由于质量管控、追溯原因，需对合格品与不良品作区分；因此设计1个气动刻点装置，对于合格品在其灯壳上刻印1个标识点，表示该产品气密性检测合格；如果检测不合格，则不刻点；以便于人工目测追溯。

设备采用PLC[9-11]进行电气控制，采用触摸屏作为人机交互界面。

2 差压法气密性检测原理分析

被测转向灯内腔相当于1个容器，差压式检漏法通过测量转向灯内的气体压力降可以推导出转向灯实际泄漏的气体流量，以达到检测气体泄漏量的目的[12-13]。其检测原理如图2所示。标准容器是1个无泄漏的工件或者使用相同容积设置。测试用气管采用尼龙材质硬管，将被检测件容器与气密性检测仪测试端连接，标准容器与气密性检测仪基准端连接。被测件容器与标准容器由气密性检测仪提供一个稳定的测试气压，由高精度电容差动式压力传感器[14-15]检测被测件容器与标准容器的压力差。其利用传感器电路板监控测试压力，并检测出压力变化，与微处理器连接运算得出1个精确的压力衰减数值并由显示器件显示出来。

图2 差压式检漏法检测原理

差压式气密性检测仪的测试步骤分为充气、稳压、测试和排气4个阶段。

3 结构设计

3.1 总体结构设计

气密性检测设备总成如图3所示，由气密性检测仪、气密性检测工装、直线往复传送装置及机架组成。气密性检测工装固定在直线往复传送装置上。机架包括下机架与保护罩。下机架包括PLC控制系统、气路控制系统。

图3 气密性检测设备总成

3.2 关键部件设计

3.2.1 气密性检测仪选型

根据左、右转向灯灯内容积大小，结合后续新产品检测的通用性要求，选用2台法国ATEQ公司制造的差压式气密性检测仪，其型号为F620，其技术参数如表1所示。

表1 F620技术参数

3.2.2 气密性检测工装设计

气密性检测工装主要定位、夹紧转向灯并且密封转向灯，对检测合格件刻印标识点。气密性检测工装如图4所示，包括左灯检测工装1、右灯检测工装12、电气连接装置7、锁紧旋钮2、定位套9、底板13等零部件。左灯检测工装1包括定位装置11、气动夹紧机构4、5、6；灯壳插孔密封装置3、线束连接器密封装置10、气动刻点装置8等零部件。转向灯装夹定位精度设计为X、Y方向小于或等于±0.2 mm。

图4 气密性检测工装结构

（1）灯壳插孔密封装置

灯壳插孔密封装置主要密封灯壳插孔部位，并提供一个进气口，要求密封良好。灯壳插孔密封装置如图5所示，包括气缸、气管接头、气缸固定座、密封件固定座、中空密封件等零部件。

图5 灯壳插孔密封装置结构

由于灯壳与灯罩焊接后存在正常变形，平面密封垫对灯壳变形的适应性差，会造成差压泄漏值变大。因此中空密封件与灯壳的接触部位设计为半圆形结构，当灯壳正常变形时，其半圆形结构始终能有1个圆弧面与灯壳均匀接触，以保证密封良好。中空密封件材料选用硅橡胶，其硬度为邵氏30°。

当气缸活塞杆伸出时，中空密封件上移压紧灯壳插孔处密封好，同时密封件固定座与2个机械限位柱接触，以保证中空密封件压缩量恒定，使密封腔体的容积不变，从而控制负压值。中空密封件压紧力通过减压阀控制。气密性检测时，由于灯壳在力的作用下发生变形与倾斜，灯壳底面的平面度在0.3 mm以内，倾斜角在±1°以内能正常测试。

（2）线束连接器密封装置

线束连接器密封装置主要封堵线束连接器插孔。线束连接器密封装置如图6所示，包括气缸、气缸固定板、导向座、密封垫固定座、平面密封垫、密封垫压板、线束连接器定位板。线束连接器定位板用于定位线束连接器，当气缸活塞杆伸出时，平面密封垫上移封堵线束连接器插孔，平面密封垫压紧力通过减压阀控制，以使用较小的压紧力密封线束连接器插孔，从而提高平面密封垫的使用寿命。

图6 线束连接器密封装置结构

4 控制系统设计

4.1 逻辑控制流程

系统软件逻辑控制流程如图7所示。由PLC控制电磁阀驱动气缸动作，以实现各执行机构的运动。由气密性检测仪进行气密性检测。当过程状态检测不良或者气密性检测不良时，设备报警；由人工处理后，方可进行下一步工作。

图7 系统软件逻辑控制流程

4.2 控制系统硬件设计

设备采用欧姆龙CP1H系列PLC进行系统控制，其控制稳定；编程简单，易于调试，维修方便；I∕O接口模块丰富，具有通信联网功能。PLC通过I∕O接口与现场设备连接。

4.3 控制系统软件设计

整个控制系统软件设计包括PLC控制程序设计与气密性检测程序设计。PLC控制程序设计包括手动控制程序设计、自动控制程序设计、初始化程序设计、报警程序设计等。

5 实验及结果分析

根据上述方法，制造完成了1台新设备，进行了相关实验，达到了设计要求。其总节拍时间为27 s，人工取放料及目视检查时间为6 s，其自动化程度实现率为78%。以下实验选取右转向灯进行实验。

5.1 线束连接器漏气验证

使用实验室认定合格的1个右转向灯样件进行设备标定，只密封灯壳插孔时，发现泄漏量偏大，达到89 Pa。采用排除法验证出漏气位置。制作了1套水密性验证工装验证漏气位置，要求工件装夹时，灯壳插孔向上，以便于观察。将工装放入水中测试，其水密性验证工装检测如图8所示。

图8 水密性验证工装检测

水密性测试1：灯壳密封气缸活塞杆下移密封灯壳插孔，再进行充气，观察到线束连接器插孔大约每秒冒出1个直径约φ3~4 mm小泡。中空密封件与灯壳插孔密封处无冒泡现象。

水密性测试2：灯壳密封气缸活塞杆下移密封灯壳插孔，同时封堵气缸活塞杆上移封堵线束连接器插孔，再进行充气，观察到无冒泡现象。

将右转向灯通过气密性检测设备进行气密性检测验证。验证步骤1：灯壳密封气缸活塞杆上移密封灯壳插孔，再进行气密性检测，一共检测5次；验证步骤2：灯壳密封气缸活塞杆上移密封灯壳插孔，同时封堵气缸活塞杆上移封堵线束连接器插孔，再进行气密性检测，一共检测5次。其漏气验证曲线如图9所示。通过对比测试可以确认线束连接器插孔存在漏气现象。单独测试平面密封垫封堵线束连接器插孔时泄漏差压值在3 Pa以内。