发动机设计环节产品可装配性问题分析

张阳，李江南，李丹

发动机设计环节产品可装配性问题分析

张阳，李江南，李丹

（潍柴动力股份有限公司 发动机技术研究院，山东 潍坊 261061）

一款新型发动机的开发过程需要经过非常多的步骤，包括发动机模型设计阶段、样件制作阶段、首台样机装配、性能样机装配、道路试验等等环节。在发动机模型设计阶段，可能因为设计问题导致零件尺寸设计错误、紧固件选取错误、装配空间狭小、发动机可维修性差等问题。文章通过对发动机设计环节常见装配类问题系统分析及查核，能够有效减少问题流入到实物装配环节，大幅的缩减发动机首台样机装配时的周期，同时减少了问题样件的制作成本浪费，提高发动机的可靠性。

发动机装配；设计问题查核

引言

一款新型的发动机设计，是从无到有，从零到整的过程。发动机的基本参数、结构都是在经过无数次的讨论后制定的，每一种零件都需要进行重新的设计、选取。故发动机的设计是一项工作量巨大且极其严谨的工作。产品设计的发展趋势是采用并行设计。而并行设计的实施，要求设计初期综合考虑产品生命周期中的工艺规划、制造、装配、测试、维护、可靠性等环节的影响。在这众多的影响中，装配是影响产品设计的重要因素之一[1]。

一款成熟的发动机要有良好的装配性、可维修性以及可靠性。加强面向装配环节的产品设计有效性分析和查核研究具有重要的现实意义。

1 面向装配的产品设计

发动机产品设计阶段全面确定整个产品的结构和规格，是决定产品总成本的重要阶段。面向装配的产品设计是一种兼顾产品实物装配的设计方法，总体需要考虑以下影响因素：（1）装配时各零部件干涉问题；零部件在装配时的操作空间是否充足；（2）尽量减少使用专用的工具、工装；（3）容易装错的零部件是否具有防错设计；（4）设计的零部件是否符合相关的设计标准；（5）发动机使用过程中的日常维护、保养是否方便；（6）选用的零部件是否符合工作环境的使用要求；（7）产品的设计方案应当与现有的工艺水平、制造能力相一致。

对产品的可装配性分析是产品设计的关键环节，它能有效减少后期开发工作中的装配成本，缩短开发周期，提高产品成功率。本文在发动机设计环节针对后期装配工作需要提前考虑的影响因素，研究制订了问题查核方法。

2 装配性问题查核方法研究

装配性问题主要包括零部件干涉问题、零件装配空间小装配困难、选取的螺栓对应的工具为非标工具、同一工序螺栓种类过多、零部件设计尺寸不符合规定、较重零件无吊装位置。

2.1 零部件干涉问题

零部件干涉问题主要分为三类：

造成此类干涉有两方面原因：设计环节两个零件已发生干涉；零件加工尺寸不符合设计要求。如发动机两根油管在装配环节时发生干涉。该类问题在发动机设计阶段较容易发现。可根据发动机的装配流程对各个系统进行查核，能够有效避免该类问题的发生。当日后续可以借用更先进的虚拟装配技术，在发动机的设计环节就模拟进行装配，提前将此类问题暴露。

（2）零件在最终装配位置的动态干涉

图1 零部件动态干涉

动态干涉即曲轴等运动零部件在运转过程中与其他零件存在干涉。该类问题在最终装配环节无问题，但零件在装配过程或者运转过程会与其它零件干涉。此类问题在发动机设计阶段不易发现，可重点关注零件在安装行程或者周围的零部件是否存在距离较近的情况，利用三维软件模拟零部件的安装，确认是否存在干涉问题。案例：某机器滤清器上两个卡套式弯通管接头需旋转安装，但因两个安装孔设计距离太近，在一个卡套式弯通管接头安装后，另一个管接头因空间不足而无法安装，如图1。

（3）铸造类零件与整机上其他零件间未预留足够间隙

因铸造零件的零件公差较大，若设计阶段预留间隙不足，零件制作过程时则易造成干涉问题。发动机该类零件进行设计布置时，应注意预留较大间隙，必要时增加机加工尺寸控制，如图2。

图2 铸造零部件干涉

2.2 装配效率类问题

该类问题不影响发动机的装配及试验，但是该类问题若不进行优化流入到生产，则会增加发动机的装配节拍，影响发动机的装配效率。

（4）不全流产宫腔残留也是较为常见的妇产科疾病，其声像图表现多样，和残留物内容、多少以及残留时间等有关。如果残留时间长，会发生机化，使得宫腔内部出现不规则高回声团。本研究中有10例在注入造影剂后，病灶出现明显、快速的整体增强。倘若病灶中有机化或者血凝块，则增强不均匀。

装配效率类问题主要分为三类：

（1）同一工序螺栓种类较多

发动机的装配效率体现在很多方面，若发动机装配某一零件时，使用的螺栓种类过多，造成发动机批量生产时要使用多种不同的套筒，操作人员要来回更换装配用的套筒，影响发动机的装配效率。

如某一型号的发动机飞轮壳需用五种螺栓安装，其中有两种螺栓（包含一种）的对边尺寸为15mm，其余的另外三种螺栓均为M10（长度不一）的标准螺栓（Q184），其对边尺寸为13mm，造成装配飞轮壳时需使用两种规格的套筒。若将其余三种M10的螺栓更换为Q186标准的螺栓，则对边全部同一为15mm，即套筒规格统一，减少了飞轮壳装配的时间，提高了装配效率。

该问题的查核方法为，着重查看安装螺栓较多的零件，如：飞轮壳、齿轮室、前端盖等零件，查看装配该类零件的螺栓对边尺寸在不更改等级强度的基础上尽量统一。

（2）选取的螺栓需使用非常规工具

该问题为部分螺栓选取时未使用标准螺栓，导致螺栓对边即套筒尺寸为非标工具，若未提前采购相关套筒等工具，造成发动机装机时无工具可用，耽误装机进展。

该类问题查核方法为根据整机BOM筛选出非标螺栓，着重查核非标螺栓的对边尺寸，对照套筒的标准规格，查核是否存在选取的螺栓对边需使用非标套筒的情况。如当选取某一M12的螺栓时，应选择对边为18mm的螺栓，尽量不能选取对边为19mm、20mm的螺栓。

（3）装配空间过小影响装配效率

装配空间过小问题，即发动机在零部件装配过程中工具或者工装无法放入及空间不满足工具最小的转动行程，导致零部件难装配或无法装配。如图3中，因螺栓的装配空间过小，造成套筒无法放入。

该问题的查核方法为利用装配工具、工装的三维，模拟各零部件的装配过程，查核是否存在因空间过小造成零部件无法装配。

图3 装配空间过小

2.3 发动机可靠性问题

发动机零部件的可靠性问题主要体现在零部件是否符合该零件规定的工作环境，零部件是否可靠耐用以及某一零件的选取、设计是否符合设计规范及要求。

发动机的可靠性问题主要分为四类：

（1）关键零件的力矩无法控制问题

图4 无法控制力矩

螺纹连接是发动机中最重要的联接方式之一，螺纹联接的质量直接关系着发动机的动力性、安全性和各联接部位的泄漏情况[2]。发动机的一些关键螺栓及零件，如：主轴承螺栓、飞轮螺栓、排气管螺栓、高压油管等，该类零件在装配时都有特殊的安装要求，若装配环节未按照相关的装配要求进行控制，发动机运行过程极易出现重大的安全事故。该类问题在发动机设计环节，应借用工具的三维模型，提前验证关键零件的力矩能否使用力矩扳手把紧。如图4中，高压油管螺母处空间较小，无法用力矩扳手装配。

（2）零件不能满足工作环境的问题

该类问题主要集中在发动机运转过程时的高温区域、过油区域的零部件。如发动机排气管螺栓、增压器安装螺栓螺母是否为耐高温零件，油路中的O型橡胶密封圈是否耐油，排气管等高温零部件周围是否有不耐高温的塑料零部件等。

（3）选取的零件不符合设计规范

该类问题主要集中在螺栓、胶圈、垫圈等通用零件。该类零件选取时需符合相关的设计规范，如组合密封垫圈金属圈的压紧部分是否大于2/3金属圈总面积。该类零件选取若不合适，则可能造成螺栓断裂、垫圈密封失效等问题。如图5中，螺塞压紧在组合密封垫圈金属圈部分远小于规范要求2/3。

图5 密封垫圈选取不符合规范

3 结束语

目前，机械行业的产品设计软件愈来愈趋向虚拟化和智能化，发动机在设计环节时若能够利用有效工具，通过空间精准建模，基于产品整体零部件间的相关装配关系分析，系统的对发动机各系统布置结构查核，则能够大大减少问题流入到实物装配环节。不仅能够节省研发费用，也能进一步缩短研发周期，提高产品开发成功率。

[1] 赵勇,徐诚.产品装配设计的干涉检查[J].机械科学与技术.1998.

[2] 林湖.发动机关键螺栓紧固理论与实验研究[D].2002.

Analysis of Common Assembly Problems in Engine Design

Zhang Yang, Li Jiangnan, Li Dan

( Weichai Power Co., Ltd. Engine Technology Research Institute, Shandong Weifang 261061 )

The development process of a new engine needs to go through many steps, including engine model design stage, samples making, first prototype assembly, performance prototype assembly, road test and so on. In the stage of engine model design, design problems may lead to problems such as parts size design error, wrong choice of fasteners, narrow assembly space and poor maintainability of the engine. This paper introduces the systematic analysis and check of common assembly problems in engine design, which can effectively avoid the occurrence of engine assembly, greatly reduce the assembly cycle of the first prototype engine, and reduce the production cost waste of problem samples.

Engine assembly; Design problem checking

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.046

U466

B

1671-7988(2021)02-143-03

U466

B

1671-7988(2021)02-143-03

张阳（1990-），男，山东大学人，本科，工程师，就职于潍柴动力股份有限公司发动机技术研究院。