基于Tecnomatix的手动拧紧发动机凸轮轴承盖螺栓的人机工程仿真分析

王体金 陈浩 张贺 刘毅 石刚

摘 要：本文以某四缸汽油发动机装配线上的手动拧紧凸轮轴承盖螺栓工位作为研究对象，通过对3D数模的处理和格式转换，导入Tecnomatix_仿真软件中进行3D建模、运动学定义和仿真模拟分析，对不同身高的操作者在手动拧紧凸轮轴承盖螺栓时的可达性、可见性、关节姿态（OWAS）和肌肉疲劳强度（FATIGUER）四个维度进行人机工程仿真分析。根据人机工程仿真分析结果，识别手动操作过程中存在的风险，采取相应的解决措施，优化工艺方案，避免对人体造成伤害，保证了方案实施的安全性和合理性。

关键词：凸轮轴承盖 螺栓 安全性 合理性

Abstract：In this paper， the manual tightening of cam bearing cap bolts on a four-cylinder gasoline engine assembly line is taken as the research object. After 3D digital analog processing and format conversion， it is imported into Tecnomatix simulation software for 3D modeling， kinematic definition and simulation analysis. The accessibility， visibility， and the ergonomic simulation analysis is carried out in four dimensions of joint posture （Owas） and muscle fatigue strength （fatiguer）. According to the results of ergonomic simulation analysis， the risks in manual operation are identified to avoid harm to human body. The process scheme is optimized to ensure the safety and rationality of the implementation of the scheme.

Key words：cam bearing cover， bolt， security， rationality， Tecnomatix， OWAS， FATIGUER

1 引言

发动机通过凸轮轴上的凸轮来控制气门的关闭和开启，而气门关闭和开启的时刻、间隔、开启时长及开度大小，一方面由凸轮的形状决定，另一方面也受凸轮轴承的影响。而凸轮轴承位于发动机润滑系统的末端，发动机润滑系统可以自动、及时的为凸轮轴承补充润滑剂，使凸轮轴承能得到充分的润滑。

凸轮轴承盖由盖体和锁紧螺栓组成；盖体的底面设置有与凸轮轴承的形状和大小相匹配的凹槽，另外，盖体的底面设置有与锁紧螺栓的形状和大小相匹配的螺孔。

将盖体扣装在凸轮轴承的侧面，并通过拧紧锁紧螺栓来进行加固。发动机工作时，发动机润滑系统将润滑油由轴承螺栓内设的润滑油道泵进入凹槽内，然后经凹槽挤入凸轮轴承外圈和凸轮轴承之间的缝隙内，从而实现对凸轮轴承进行自动润滑。通过发动机的润滑系统对凸轮轴承进行润滑，既减轻了凸轮轴承的磨损，又避免了人工润滑的麻烦。因此，对锁紧螺栓的加固非常重要，它将影响到对凸轮轴承润滑的效率和性能。

为满足对凸轮轴承盖螺栓拧紧的工艺要求，通过Tecnomatix仿真工具，实现在软件层面对手动拧紧工艺的人机工程分析，获得最优的手动拧紧工艺方案，并且可以在现场实际作业之前，识别作业过程中对人体存在伤害的风险，及时采取优化措施，为评估手动拧紧凸轮轴承盖作业的合理性和安全性提供了重要的理论数据支持和评判依据。

2 仿真模型搭建

2.1 凸轮轴承盖手动拧紧工位模型搭建

凸轮轴承盖螺栓手动拧紧工位主要是通过工人手持拧紧枪拧紧凸轮轴承盖上预装的17颗螺栓。本工位从CATIA三维软件中获得工位框架、输送辊道、托盘、适配器料架、踏台、工人和产品等3D数模，将数模保存成Step或3dxml格式，将数模转换成jt格式，导入到Tecnomatix软件中，根据工位布局图摆放对应位置的设备模型。

2.2 输送托盘工装运动学定义

在输送原位和顺时针旋转90°的状态下对手动拧紧操作进行仿真分析验证，故需要对输送托盘进行运动学定义，使其可以在仿真环境下模拟现场实际托盘的旋转。

2.3 工人属性设置

为了更真实的反应现场实际工作状况，同时考虑到东西方人以及男女之间体质的不同，在工人模型库中，在仿真工人模型库中，可根据需求选择对应国籍和性别的工人模型。根据本工位研究对象，考虑实际情况，选择中国籍男性，身高分别为165cm、170cm和175cm的工人模型进行人机工程仿真分析，见图3。

3 载荷及边界条件输入

手动拧紧凸轮轴承盖螺栓时，双手持拧紧枪，且双手对拧紧枪均需要施加一定的压力，才能满足拧紧要求。根据工艺要求，拧紧头端需施加的压力为20N，另一端（即辅助手持端）需施加的压力为5N。

4 仿真过程分析

凸轮轴承盖手动拧紧工位，在托盘顺时针旋转90°和托盘不旋转的情况下，从可达性、可见性、OWAS关节姿态和FATIGUER疲勞强度四个维度进行人机工程仿真分析验证。

4.1 可达性分析

即分析目标物体是否在抓取工具或人手可以触及到的范围内。

验证拧紧距离工人最远处的螺栓时，是否满足可达性要求即可。通过验证在在托盘顺时针旋转90°和不旋转的情况下，均满足可达性要求。

4.2 可见性分析

分析目标是否在视线范围内。

验证拧紧距离工人最远处和特殊位置（比如遮挡或凹槽内）的螺栓时，是否满足可见性要求即可。在托盘顺时针旋转90°和不旋转的情况下，均无法看到凹槽内的螺栓，故不满足可见性要求。

4.3 关节姿态分析

OWAS（ovako working-posture analyzing system）关节姿态表分析了包括人的头部（Head），胳膊（Arms），背部（Back），腿部（Legs）和负重（Load）五个对关节疲劳度有关的因素，从中得出总的疲劳等级值（Category）。

疲劳等级分类如下表2所示。

在托盘顺时针旋转90°时，由OWAS分析报告可以看出，关节姿态的综合疲劳等级为1级，可以接受。

在托盘不旋转时，由OWAS分析报告可以看出，Action_Category列代表五个参数的综合疲劳等级达到了2级，属于轻微伤害。

4.4 FATIGUER疲劳强度分析

即疲劳和恢复分析，可以帮助评估足够的恢复时间是否可用于给定的工作周期，以避免工人疲劳。该工具可计算出循环所需的恢复时间，并将其与可用的休息时间比较。如果在工作周期中没有足够的休息时间来适应恢复时间，则认为工人有疲劳的风险。

在托盘顺时针旋转90°和不旋转的情况下，由FATIGUE分析报告可以看出，整个工作过程中，不存在肌肉扭伤，即不需要额外的恢复时间，故该情况下不存在因肌肉扭伤带来的疲劳伤害。

5 结论及优化

5.1 人机工程仿真分析汇总表

5.2 结论

通过以上人机工程仿真分析汇总，得出以下论：

（1）在托盘顺时针旋转90°的情况下并不能解决不可见的问题。

（2） 在托盘不旋转的情况下，身高170cm的工人存在關节轻微伤害，不满足人机工程要求。

5.3 优化建议

建议：采用自动拧紧方式，改造现有GEP3拧紧设备为四轴柔性拧紧系统。

6 结语

（1）本文通过Tecnomatix仿真软件以发动机装配线凸轮轴承盖螺栓手动拧紧工位为研究对象，采用人机工程仿真分析的技术，在满足工艺输入要求的前提下，验证是否满足人机工程的要求。规避了人身伤害，优化了工艺方案，为前期工艺方案规划及后需改造提供了重要数据支持。

（2）随着人机工程仿真技术在发动机工艺、变速器工艺和生产线设备等领域的应用越来越广泛，更方便，精确的识别工艺规划方案中潜在的风险。对于降低设计成本、缩短规划周期、减少物理实验、避免人身伤害等方面提供了新的工作方向。

参考文献：

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