发动机三槽气门锁夹压装技术分析

陆丹阳，肖 海，潘秀燕

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545007）

气门锁夹的压装是发动机装配过程中最关键的工序之一，传统直列发动机一般使用单槽气门锁夹，其压装方式大多是机械式直压入槽。为解决单槽气门烧蚀、积碳、偏磨、座圈磨损异常等问题新兴起来的三槽气门锁夹结构，因其气门杆三道沟槽无法直压锁夹的特殊性，压装操作麻烦，质量难以保证。目前各发动机生产厂家多采用进口的三槽气门锁夹压装机，用压缩空气把经过震动料斗排序的锁夹吹送至压头上进行压装，设备结构复杂，制造调试技术难度大。本文旨在对当前压装发动机三槽气门锁夹的一般技术进行浅析。

1　三槽气门锁夹压装的技术简介

1.1　三槽气门锁夹结构

如图1所示，区分于发动机单槽气门，气门杆顶部带有三道锁夹槽的气门称为三槽气门，对应带有三道突起环带锁紧气门的锁夹称为三槽气门锁夹。三槽气门结构具有受力分布均匀的优点，同时，也使在装配时锁夹和锁夹槽的相互对接不单靠夹紧气门杆，而是靠槽与锁夹的凸、凹缘之间的接触面支撑气门，从而使气门处于旋转的自由状态，而不受锁夹和锁帽组装的制约。这种“自由气门”凭借发动机工作时的振动，以及通过摇臂或凸轮顶杆传递的摩擦作用，使气门旋转[1]。在发动机工作时，气门旋转能有效地平衡气门各部分的温升，改善气门密封断面的工作情况，避免局部热变形引起的高温有害气体冲刷，减少热腐蚀和热疲劳；同时由于气门的旋转，在密封断面上产生轻微的摩擦，起到自洁作用，减少气门的磨损和积碳，避免气门烧蚀，从而提高发动机使用寿命[2]。

图1　发动机单槽气门结构与三槽气门结构

1.2　锁夹压装机的关键机构

三槽气门锁夹压装机一般由压装滑台、顶升翻转机构、上料系统及设备机身组成，不同厂商制造的设备都大同小异，不一样的地方在于其核心机构——压装头。不同于单槽气门结构压装锁夹时可使用机械式直压入槽，三槽气门结构压装锁夹时必须采用夹取锁夹到位后对合抱紧入槽的方式，压装头要具备保持弹簧座圈和锁夹、压装复位、精确对槽等复杂功能，且锁夹体积小、形状不规则，难于定向和夹持，这对于压装头的设计和加工精度要求极高。

1.2.1单槽锁夹压装头

单槽气门锁夹压装头采用的机械式直压入槽原理，如图2所示，外压头5内装有顶芯6及其导向套2，当压装头下压顶住弹簧座圈8，气门10，杆头部随着顶芯上升把锁夹9顶向两侧，被内压头7挡住并保持，气门杆继续上升至顶芯座1限位处即压头下止点，这时锁夹卡进锁夹槽对合抱紧，然后抬起压装头，锁夹慢慢滑入座圈锥形孔完成压装动作，顶芯复位弹簧3和内压头复位弹簧4保证压装头每次压装处于初始状态。

图2　单槽锁夹压装头结构

1.2.2三槽锁夹压装头

三槽气门锁夹压装头结构相对单槽来说要复杂得多，所以压装合格率难以得到百分百保证，压装过程受到各种因素影响。压装头保持弹簧座圈和锁夹的方式大致分为三种：真空吸附式、磁力吸附式和重力滑落式，各有其优缺点。

（1）真空吸附式

真空吸附式压装头压装三槽锁夹结构如图3所示，当进行压装时，真空发生器通过夹爪（2）和外压头（1）上的气路通道提供负压，当来料与通道贴合封闭时形成吸附力，牢牢保持住到位的三槽气门锁夹（5）和弹簧座圈（6），而后由小型夹紧气缸在夹爪两侧提供夹紧力F，使夹爪带着锁夹张开一个固定角度，这时压装头将气门弹簧下压，气门杆（4）随着芯轴（3）往上移动，当三道锁夹槽与锁夹三个凸起的环带到达匹配位置时，夹紧气缸松掉夹爪带着锁夹对合抱紧，最后断开真空发生器，慢慢提起压头，锁夹滑入弹簧座圈完成压装动作。真空吸附式压装头座圈和锁夹保持方法牢靠，真空发生器对吸附通道有自清洁作用，只要压装头机构加工达到设计精度，来料方式正确，气源气压稳定，合格率就可以得到保证；但如果生产线气压波动大或气压不足，真空吸附效果和真空检测传感器都会受到影响，从而影响压装合格率。

图3　真空吸附式三槽锁夹压装头结构

（2）磁力吸附式

磁力吸附式压装头压装三槽锁夹原理与真空吸附式原理类似，只是将保持弹簧座圈和气门锁夹的方式换为磁铁磁力吸附。磁力吸附式压装头优点为原理简单、造价便宜，不需要进行类似于真空通道细长孔的高精度加工；但其吸附点不能像真空吸附一样通过传感器随意控制，零件状态不能得到确切的防错保证，且磁铁长期使用锁夹易发生磁化现象，压装时粘连在压头上影响装配精度，导致合格率低，故若要选择吸附压头一般选真空吸附式。

（3）重力滑落式

重力滑落式压装头压装三槽锁夹结构如图4所示。压装头主要由内导向芯轴（1）和外压头（2）组成，当进行压装时，弹簧座圈（5）预先装在气门弹簧（6）上，工件到位后通过拉杆将压装头顶住弹簧座圈下压至下止点，然后锁夹（4）通过料道滑落，碰到气门杆（3）停止运动，此时锁夹位置略低于气门凹槽，做好合装准备；之后抬起压住弹簧座圈的压装头，气门保持不动，压装头和弹簧座圈一起往上运动，在外压头内侧锥面的作用下，锁夹被摆正，并顺利扣入气门杆凹槽，而外压头带有弹性装至，所以锁夹一直会被压住以避免脱开气门杆凹槽，知道外压头脱离锁夹，此时弹簧座圈的锥形孔刚好抱住锁夹，在弹簧的作用下，锁夹被扣牢，压装完成[3]。重力滑落式压装头结构简单，易于加工，但依靠重量仅0.3 g的锁夹无法保证其每次都精准掉落到位，受到来料清洁度影响较大，若防锈油等杂质过多易发生卡料故障。

图4　重力滑落式三槽锁夹压装头结构

1.2.3弹簧座圈及锁夹送料系统

作为影响三槽锁夹压装成功率及装配质量的关键性因素，弹簧座圈和锁夹的送料过程必须精准可控。送料系统从功能一般分为全自动、半自动和手动，虽然控制方式不同，但都需确保能够监测送料过程的稳定性。

全自动送料系统一般由振动盘料斗、排序料轨、仿形料管、分料机构等组成，员工将零件倒入振动盘料斗内，振动盘工作时在压电双晶片上施加交流电压使之弯曲振动，倾斜的弹簧片带动料斗绕其垂直轴做扭摆振动，料斗内零件由于受到这种振动而沿螺旋轨道上升，在上升的过程中经过一系列排序料轨进行筛选或改变姿态，使物料自动有序地定向排列整齐，经分料机构准确地输送到压装头[4]。送料过程一般有传感器进行监控，判断是否有缺料、断料、卡料等情况。如图5，为一种三槽锁夹全自动分料取料机构的结构简图。

图5　一种三槽锁夹全自动分料取料机构

半自动送料系统一般指需要人工进行物料放置和状态确认后，按下启动按钮，零件可通过由气缸、滑台、料轨等组成的送料机构送至压装头。送料过程多是通过人为控制，如目视检查等，效率不高且存在风险。

手动送料则更为简单方便，由操作工手持零件放入压装头内，但由于锁夹体积小，上料时不仅费时费力，且易掉落到其他地方存在质量风险。

1.3　兼容性方案

除了以上所述关键机构，压装机的兼容性也是一大技术难点。一般厂商为了节约成本，往往要求单台设备具有兼容多种机型生产的功能，如普通直列发动机，不同机型会有不同缸数、不同气门间距、不同气门角度、不同锁夹槽深度等区别，若要统统兼容生产，则要求压装机的兼容性方案柔性高且稳定可靠。兼容性方案一般会有压装头伺服变距、压装滑台伺服变深度、翻转机构伺服变角度、利用机器人搭配多台离线设备等来保证压装稳定性及柔性，方案各有优缺点，方案设计时需综合多方面因素进行考虑。

2　结束语

随着三槽气门锁夹结构在国内发动机厂家逐渐普及应用，对自动化三槽锁夹压装机的技术研究也越来越受到重视，很多设备制造商甚至已经研制出不逊于国外先进技术的压装设备。本文对当下发动机三槽气门锁夹的一般压装技术进行了浅析，简述了不同的压装头方案、不同的送料系统的基本原理，对锁夹压装技术的研究有一定参考价值。

参考文献：

[1]王文修，刘洪洛.气门锁夹槽[J].内燃机配件，1998（2）：6-14.

[2]缪红燕，荣 兵，骆 伟，等.发动机气门旋转运动的研究[C]//2010中国汽车工程学会年会论文集，2010：81-84.

[3]高毅华.发动机缸盖气门锁片压装方案优化[J].航空精密制造技术，2015（8）：56-59.

[4]苏 江.振动送料器的现状及发展趋势[J].机械设计与制造，2010（7）：244-246.