轿车油底壳放油螺栓组件自动装配设备的研究

钟 毅

（广州东昇机械有限公司，广州 510800）

油底壳是轿车发动机的必备部件。因为车企的上市车型多采用同款发动机平台开发，所以油底壳的产量非常大。传统的油底壳冲压件与放油螺栓组件装配多采用人工装配，人员手工使用扭力扳手装配一个螺栓，长期作业容易造成手腕疲劳，且生产效率较慢。同时，螺栓装配有严格的扭矩要求，必须依靠定扭扳手作业。作业手法不规范，容易造成品质不良。本文简述企业为实现减员增效，降低生产成本，自主研发了放油螺栓自动装配设备，以代替人工作业，实现多款油底壳系列产品的柔性化生产。

1 工艺分析

1.1 产品介绍

油底壳总成位于发动机曲轴箱的下半部，又称为下曲轴箱，作用是封闭曲轴箱作为贮油槽的外壳，防止杂质进入，并收集和储存由发动机各摩擦表面流回的润滑油，散去部分热量，防止润滑油氧化[1]。当车辆更换机油时，需要拧下放油螺栓组件，将旧机油排出。放油螺栓组件由铜垫片和放油螺栓组成，在车辆正常使用保养期间，需要反复被旋转拆装，保证密封性，不出现漏机油现象。油底壳总成安装图，如图1所示。

图1 油底壳总成安装图

1.2 品质要求

油底壳冲压件与放油螺栓组件装配时，放油螺栓螺纹规格为M12，装配扭矩最大值达到29.4～39.2 N·m。放油螺栓组件安装后，螺纹无损伤，铜垫片和放油螺栓根部贴合，满足气密设备检测要求，确保正常拆装无漏油现象。

2 设备简述

2.1 工作流程

设备的大致工作流程：手动放置油底壳冲压件→将放油螺栓组件（铜垫片+放油螺栓）手动旋入1～2圈→启动开关→夹头压紧工件、旋转台旋转→伺服电控螺栓枪自动拧紧螺栓→旋转台转出、夹头松开工件→手动取下完成品[2]。人工上料和预拧螺栓与设备自动拧紧螺栓同步进行。

2.2 重要品质指标

螺栓拧紧后，扭矩应为34 N·m，扭矩偏差量不大于4%，不能出现螺纹损伤。铜垫片和放油螺栓贴合，100%保证气密检测合格。

2.3 重要功能需求

设备工作过程中，单个循环生产节拍应不大于15 s，同时满足多种系列产品的切换生产，区分相似件的混入，并预留未来产品的扩展功能。设备拧紧时，要检测扭矩异常。设备自动复位停止时，启动声光报警，等待管理人员使用权限密码解除报警后，才能松开夹头取出异常零件。作业区应全封闭，阻止人员进入。装件区应确保人员安全，当设备运行时，如作业员误闯装件区，设备必须主动识别并停止，避免造成人员伤害。每个零件完成扭紧后，设备生成记录。记录内容包括生产时间、生成批次、扭矩数值、是否合格以及单批次的零件合格数和不合格数[3]。

2.4 工作原理

作业员在装件区站立，先安装工件，将放油螺栓组件手动预拧入油底壳的螺母孔（1～2圈），启动设备，夹头压紧工件，转盘将工件转入作业区。伺服电控螺栓枪沿轨道平移（不旋转）前进，实施分段旋转装配，初期快速旋转拧入。接近螺栓拧紧区间时，旋进速度减缓。达到规定扭矩时，伺服系统感应停止，自动反馈扭矩值。此时，螺栓枪沿轨道平移（不旋转）后退，转盘将工件转回装件区，夹头松开，作业员取下工件，完成一个循环[4]。双工位转盘可以实现设备拧螺栓时作业员同时装件，提高了生产效率。设备结构图如图2所示。

图2 设备结构图

2.5 功能和结构设计

（1）设备想要满足多种系列产品的生产，需要切换对应的夹具。旋转盘设计了共用的垫板和快速定位装置，可缩短夹具安装时间。

（2）作业员将油底壳冲压件安装到夹具上，预拧螺栓，按下启动开关。正常情况下，夹头会翻下压紧工件。如遇到油底壳冲压件相似件错误混入，作业员忘记预拧放油螺栓组件或油底壳冲压件未放到位等异常情况，夹具上的感应器会触发异常信号，此时夹头不会翻下，设备启动声光报警，呼叫管理人员。

（3）为保证未来产品生产的可拓展性，伺服电控螺栓枪的枪头除可安装现有M12螺栓拧紧接口外，还可切换M10和M16螺栓拧紧接口[5]。

（4）为提高每次旋转的重复精度，旋转盘的驱动器选用了国内知名的分割器品牌。旋转盘到位后，设计浮动定位销，运用电控和机械双重方式，确保重复定位精度不大于0.5°。

（5）因工件旋转轨迹与螺栓枪装配位置干涉，螺栓枪需要依靠直线轨道做往复移动。为提高螺栓枪每次平移的重复精度，选用HIWIN品牌直线导轨，并设计了防尘罩。

（6）为确保扭矩100%符合产品要求，同时不伤害螺纹，选用伺服电控螺栓枪。此外，螺栓枪头接口也做了特殊的缓冲设计，在装配过程中采用分段变速扭紧。

（7）为保证作业安全，配置4级安全光幕和围栏。当人员非正常进入设备工作区域时，设备启动声光报警，并停止生产。

（8）为保证品质的异常追溯，设备配置触摸屏、存储器和RS232通信口，用于生产批次、扭矩数值、异常记录以及良品数和不良品数的记录和导出。所有记录可以以EXCEL格式导出，最多可保存3个月。超出时间段的数据将被新数据覆盖。

3 结语

轿车油底壳放油螺栓组自动装配设备的研究投入，规避了传统人工作业的缺点，减少了人员投入，同时摆脱了品质对人员作业熟练度和规范度的依赖，实现了人工装配线向自动化装配线的全面升级。从功能和结构角度出发，充分考虑到产品核心的品质要求，在结构互换性设计、防呆感应器的布置、关键元器件的选用、装配程序的设定和数据的追溯性等方面，集思广益，反复研讨，最终实现全部的预定目标。

相比人工拧螺栓工艺，自动拧螺栓工艺生产效率提升了20%。螺栓拧入扭矩值稳定，螺纹抽样检测均符合要求，达到了100%无损伤，产品制程能力指数不小于1.33，后续气密检测结果100%合格，无不良漏油产生。

本项目的投入具有良好的通用性，可实现后续项目相近系列产品的柔性切换，减少了重复投入，提高了生产效率和品质保证度，提升了企业核心竞争力，对企业的长足发展具有深远的意义。