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汽车主减总成装配线关键技术的研究 摘要 主减速器是汽车驱动桥的关键部件，它的主要功用是将输入的扭矩增大并 相应降低转速，是汽车传动系的重要部件之一，其总成的装配精度直接影响和 决定汽车驱动桥的精度。本文在分析大量专业书籍和文献资料的基础上，参考 国内外先进的装配线应用成果，对汽车的主减速器总成进行了装配线设计，并 对其关键技术进行了研究。 论文首先介绍了目前国内外汽车部件装配线的现状和发展趋势。然后对主 减速器的结构进行了分析，由于该装配线要完成多品种的混流装配，首先要合 理的安排多品种的装配工序，然后参照装配工序设计了一种非同步式的柔性混 流装配线，提出了三环的总体设计方案。然后针对该装配线的实际特点对其中 的重要关键技术问题，诸如混流装配线的平衡和产品的投产排序等问题进行了 研究；采用有限元分析方法对所设计的装配线线体的静态强度进行了分析，并 分别用单因素法和正交试验法对装配线线体的强度和动态刚度进行优化：同时 对装配线线体的三维模块化设计进行了系统的研究，提高了设计的效率a 本设计方案通过在现场的试装配和实地运行，证明所用工艺和技术能大幅 度地提高了汽车主减速器总成的装配效率和质量以及驱动桥的整体性能。 关键词：主减速器关键技术装配线有限元分析正交试验 r e s e a r c ho nk e y t e c h n o l o g i e si na s s e m b l yl i n eo f a u t o m a i nr e d u c i n gg e a r b o x a b s t r a c t m a i nr e d u c i n gg e a r b o xi sak e yp a r to ft h ea u t od r i v i n ga x l ea n dt h ea u t o d r i v i n gs y s t e m i t sm a i nf u n c t i o ni st oi n c r e a s et h ei n p u tt o r q u ea n dd e c r e a s et h e s p e e do fr o t a t i o n ， a n di t sa s s e m b l yp r e c i s i o nw i l ld i r e c t l yi n f l u e n c eo rd e c i d et h e p r e c i s i o no ft h ed r i v i n ga x l e b a s e do na n a l y z i n gl o t so fs p e c i a l i z e db o o k sa n d l i t e r a t u r ed a t a ，t h ea s s e m b l yl i n eo f t h ea u t om a i nr e d u c i n gg e a r b o xw a sd e s i g n e d a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sw e r es t u d i e dr e f e r r i n gt ot h ea d v a n c e da s s e m b l yl i n eh o m e a n da b r o a di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h ea c t u a l i t ya n d t h ed e v e l o p m e n to f t h ea u t oa s s e m b l yl i n eh o m ea n d a b r o a dw e r ei n t r o d u c e d t h e nt h es t r u c t u r eo ft h em a i nr e d u c i n gg e a r b o xw a s a n a l y z e d f o r t h i s a s s e m b l y l i n em u s t c o m p l e t e d m i x e df l o wa s s e m b l yo f m u l t i - v a r i e t y ，s ot h ea s s e m b l yp r o c e d u r eo fm u l t i v a r i e t ym u s tb ea p p r o p r i a t e l y a r r a n g e da tf i r s t r e f e r r i n gt oa s s e m b l yp r o c e d u r e ， a na s y n c h r o n o u sf l e x i b l ef l o w - m i x e da s s e m b l yl i n ew a sd e s i g n e d ，a n dt h et h r e e - a n n u l a rg e n e r a ld e s i g np r o p o s a l w a sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lp e c u l i a r i t yo ft h ea s s e m b l yl i n e ，s o m e i m p o r t a n tk e yt e c h n o l o g i e sw e r es t u d i e d ，s u c ha st h er e s e a r c ho ne q u a l i z a t i o no f f l o w - m i x e da s s e m b l yl i n e p l a na n dt h es e q u e n c eo f p r o d u c t i o n n es t a t i ci n t e n s i t y o fa s s e m b l yl i n ei sa n a l y z e db yu s i n gf e a t h es t a t i ci n t e n s i t ya n dt h ed y n a m i c r i g i d i t yo fa s s e m b l yl i n ew e r eo p t i m i z e db ym e a n so ft h es i n g l e e l e m e n ta n dt h e o r t h o g o n a lt e s t o nt h ed e s i g no fi t st h r e e d i m e n s i o u a l m o d u l a r i z a t i o n ，t h e s y s t e m a t i cr e s e a r c hi ss t u d i e d t h i sw i l lp r o m o t et h ed e s i g ne f f i c i e n c y w i mt h ea s s e m b l ye x p e r i m e n t e da n dn m n i n go nt h es p o t ，i tw a sp r o v e dt h a t t h ea s s e m b l yl i n ec a nl a r g e l ya d v a n c et h ea s s e m b l i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fa u t o m a i nr e d u c i n gg e a r b o x ，a n dc a l la l s oi m p r o v et h ew h o l ec a p a b i l i t yo ft h ed r i v 啦 a x l e k e yw o r d s ：m a i nr e d u c i n gg e a r b o x ；k e yt e c h n o l o g y ；a s s e m b l yl i n e ；f e a ； o r t h o g o n a lt e s t ； 插图清单 图1 1 机械式传动系统的组成及布置示意图3 图1 2 汽车驱动桥分解图4 图1 3 主动锥齿轮总成5 图2 1 直线型布置8 图2 2u 型布置8 图2 3 环型布置8 图2 - 4 自由滚道+ 随行小车式非同步装配线结构示意图9 图2 5 摩擦式滚轮驱动力的传递1 0 图2 - 6 汽车主减速器分解图1 1 图2 7 主减总成柔性装配线1 3 图4 1 轨道和小车的三维图2 5 图4 2 静力有限元分析计算流程图3 1 图4 - 3a n s y s 程序的集中式数据库系统结构3 3 图4 4 小车和轨道图3 7 图4 5 立柱的分布图3 7 图4 6 线体变形量分布图3 8 图4 7 线体变形应力分布图3 8 图5 1 族表的操作界面4 9 图5 2 托盘小车组件5 l 图5 3 轨道组件5 1 图5 4 转向机构5 1 图5 5 立柱护板5 1 图5 - 6 转向机构护板5 2 图5 7 工具箱5 2 图5 8 定位系统5 2 图5 - 9 返回拉杆组件5 2 图5 1 0 推杆组件5 2 图5 1 1 文件打开的操作界面5 4 图5 1 2 总装配图的族表界面5 5 图5 1 3 总装配图的打开界面5 5 图5 1 4 总装配图的打开模型5 6 表格清单 表3 1 奔驰、s t r 、1 5 3 型中桥的差环装配工序简表2 0 表3 2 作业元素时间2 1 表3 3 给定的2 种流水线平衡方案2 1 表3 - 4 流水线平衡方案1 下对应的不同产品在工作站内的负荷2 1 表3 5 流水线平衡方案2 下对应的不同产品在工作站内的负荷2 2 表4 1 正交表l 9 ( 3 4 1 3 5 表4 2 立柱高度尺寸变化3 8 表4 - 3 立柱间距尺寸变化3 8 表4 4 立柱宽度尺寸变化3 8 表4 5 立柱高度变化的静力分析结果3 9 表4 - 6 立柱间距变化的静力分析结果3 9 表4 7 立柱宽度变化的静力分析结果3 9 表4 8 试验因素水平表4 0 表4 9 正交试验方案4 0 表4 1 0 静力分析正交试验结果4 0 表4 1 l 静力分析正交试验结果的极差分析4 1 表4 1 2 正交试验和单因素法静力分析结果对比4 l 表4 1 3 线体前五阶的固有频率4 2 表4 1 4 立柱高度变化的模态分析结果，4 3 表4 1 5 立柱间距变化的模态分析结果4 3 表4 1 6 立柱宽度变化的模态分析结果4 3 表4 1 7 正交试验模态分析结果4 4 表4 1 8 正交试验和单因素法模态分析结果对比4 4 表5 1 小车外形尺寸5 3 表5 2 立柱外形尺寸5 3 表5 3 转向座外形尺寸5 3 表5 - 4 转向架外形尺寸5 3 表5 5 立柱护板外形尺寸5 3 表5 - 6 转向机构护板外形尺寸5 4 表5 7 工具箱外形尺寸5 4 符号清单 面 平衡延迟 n ( x ，y )位移函数 ( e ，r l ，) 局部坐标 ( x ，y ，z )整体坐标 弘 节点处的位移值 ( f ，】7 ，f )形函数 仃 主应力 仃 等效应力 f 剪应力 e 弹性模量 v 泊松比 6 9 直角坐标系应变 6 剪应变 9 ) 。 节点载荷 f 。 节点力 【k 1 。单元刚度矩阵 【占1 几何矩阵 p )体积力密度 q o法向表面力 u 所有节点位移矩阵 q所有节点载荷列阵 ，1三阶雅克比矩阵 e x弹性模量 p r x y 泊松比 f 加载力 m 总体质量矩阵 c 总体阻尼矩阵 k总体刚度矩阵 牙节点位移 厂结构所受外力 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得盒蟹工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签字：首1 韦 签字日期： p 臼 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒g b 王丝左堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金目b 王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：、伟 签字吼i 叩- x 碣 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 淑静蒜萄抛7蝴翱吨砧蒋、一刁 7 日 ，f 气眵 - i 名 + f 年诊卯 致谢 在硕士论文成稿之际，我首先要感谢我的导师谢峰教授，谢老师为我倾注 了大量心血。谢老师严谨的工作作风、执着的学术追求，特别是对学科发展超 前的敏锐洞察能力，令我由衷钦佩。谢老师不仅在我理论学习和科研中授业解 惑，在日常生活中，谢老师也给了我极大支持和热情关怀。在此，谨向导师表 示衷心的感谢! 感谢林巨广研究员为我提供很多很好的实践机会，林老师在学业上给予我 无倦教诲，在生活上给予我无尽的关怀与照顾。林老师学识渊博，才能出众， 平易近人，是我永远的学习榜样。 感谢汽车装备工程技术研究所的各位师兄师弟和师姐师妹以及其它各位 老师的支持与帮助! 感谢江淮自动化有限公司有关员工对我论文的积极建议! 最后，感谢我的父母和家人，感谢他们对我学业的关怀、支持和无私的帮 助，我将用以后的努力来回报他们! 作者：方伟 2 0 0 7 年3 月1 0 日 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 1 1 1 课题的来源 本课题来源于合肥工业大学汽车装备技术研究所开发的驱动桥生产线改造 项目。本文主要针对该项目中的主减速器总成装配线的关键技术进行研究。 1 1 2 课题的意义 我国汽车业约占装备制造业产值和利润的一半。2 0 0 2 年，中国汽车产业首 次超过电子产业，成为拉动工业增长的第一动力。国内外经验一再证明，汽车 工业的发展既依赖于机床工业的技术进步，又带动了机床工业的发展。近十几 年来，我国汽车工业已经成为机床消费主体，约消费了全社会7 0 的数控机床。 同时，汽车工业投资的一半以上又用于购买机床，其中，进口机床额约占8 0 。 从历史角度观察，汽车产品的发展，必然伴随着装备的发展，反之亦然。 比如，大约一个世纪以来，组合机床自动线以其高效率统治了汽车工业的生产。 由于竞争加剧，汽车产品更新换代周期从几十年缩短到3 - - 5 年。组合机床自动 线由于缺乏柔性而无法适应。2 0 世纪8 0 年代，美国汽车巨人福特与机床巨人 i n g s o l l 合作，研制了集高柔性及高效率于一身的高速加工中心，由它组成的 柔性自动生产线的问世，加快了汽车产品的更新换代，提高了企业的效率和灵 活性。这就是今天我们可以看到每年有几十种新车上市的原因之一。 一方面，汽车的水平和质量取决于装备水平；另一方面，一个国家汽车工 业和一个汽车企业的国际竞争力又取决于装备的先进性和制造成本。正是近年 大量先进数控设备的采用，使我国轿车装备整体上进入柔性化时代，力支撑着 我国汽车工业的不断发展。 所以大力发展汽车装备制造业已成为我国汽车工业发展的一个重点。本课 题的研究将为我国汽车行业不断增强自主开发能力，提高汽车产品的综合技术 水平，推进汽车装备开发和应用、模块化的研究和制订等方面的创新发展，达 到提高我国汽车工业的国际竞争力、实现可持续发展打下坚实的基础。 1 2 目前国内外汽车装备制造业的现状和特点 1 2 1 国内汽车装备制造业的现状和特点 目前，我国拥有3 万多家汽车零部件制造企业，制造能力世界第一。但是， 由于制造技术、装备水平和管理水平落后，目前，我国汽车零部件产业现状是， 低端产品出口( 低价值、低利润) ，高端产品进口( 高价值、高利润) 。同时， 无法满足国际市场巨大需求。如，美国通用汽车向我国提出年采购1 0 0 亿美元 的汽车零部件需求。但由于我国大多数汽车零部件产品质量、品种、水平不能 满足需要，实际采购量不到1 0 。因此，广大汽车零部件制造企业急需采用先 进制造技术及装备进行技术改造。可以说，目前我们只能够用进口高端数控机 床( 生产线) 来换取出口汽车零部件。 但我国汽车装备两极分化、总体落后。这种现状可谓“现代武器”与“三 八”式步枪并存。一方面，有采用世界最先进的敏捷柔性生产线的上海通用这 样的示范工厂；另一方面，有的国营老企业数控机床的比率却只有1 ( 2 0 0 2 年调查) 。总体来说，合资轿车企业和少数民营企业( 如万象集团) 汽车装备 整体上已经进入柔性化时代，达到2 0 世纪9 0 年代水平，但其总数只占汽车及 零部件制造企业少数。大部分汽车零部件制造企业仍然主要使用落后装备生产， 这就造成他们只能够生产低端汽车零部件。 1 2 2 国外汽车装备制造业的现状和特点 在国外，一些发达国家及早地将注意力转向自动装配技术，并取得了卓越 的成果，一些产品、部件的装配过程逐渐摆脱了工人的操作，柔性装配系统( f a s ) 已成为c i m $ 的一个重要环节。国外很强调全面考虑，综合解决，它涉及到产品 开发设计、生产工艺、生产管理和零部件制造等各个部门和各个环节。如德国 奔驰公司的奔驰汽车生产线，自动化程度相当高，各个装配工位都采用了先进 的现代化技术，如传感、电子控制，甚至美学都应用其中。这也使得其公司在 全世界的竞争力独占鳌头，撼之不动。 另外当前国外的汽车制造工厂的一个重要发展特点是采用先进管理技术与 信息技术来管理和调度生产。重点表现在以下几个方面。1 ： ( 1 ) 计算机技术的应用。现今，国外汽车装配厂百分之百的应用大型计算 机系统来指挥调度生产过程和存、取零部件及处理各种信息数据。大型机和各 系统机或微型机一起形成计算机网络，使得制定计划、及时供货制，监控库存、 向协配厂订货、待装件运输、销售及售后服务、订货等业务全部综合为一体。 ( 2 ) 工厂信息系统。工厂信息系统( f i s ) 是指工厂范围内的信息数据收 集与发送系统，它联结所有主要场所，包括悬链系统、机器人、传动装置和其 它设备。f i s 能及时获得生产及设备维修数据，是整个工厂的数据收集和生产 “报告”系统，它将制造和维修联系起来，并将大多数自动化设备置于监控之 下，搜索并解决物流过程中出现的问题。 ( 3 ) 及时供货制。指在规定的时间和地点，利用最少的人力、设备、工具， 把零部件运送到指定的地方，在零件数量上，按要求，不多也不少，在时间上， 不早也不迟，在这两方面都能达到“正好”。 ( 4 ) 在线编程生产方式。在线编程，其主要特征是：按用户订单组织生产， 即按市场需求一下料一冲压一焊装一油漆一总装一进入市场。整个生产过程借 助计算机系统来进行管理，各工种、工序严格按照计算机确定的程序进行操作。 2 1 3 汽车传动系概述 汽车传动系统是位于发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，其基本功用 是将发动机发出的动力传给驱动车轮。 汽车传动系统的组成及其在汽车上的布置形式，取决于发动机的形式和性 能、汽车总体结构形式、汽车行驶系统及传动系统本身的结构形式等许多因素。 目前广泛应用于普通双轴货车上，并与活塞式内燃机配用的机械式传动系统的 组成及布置示意图如图l 一1 所示。发动机纵向安置在汽车前部，并且以后轮为 驱动轮。图中有标号的部分为传动系统。发动机发出的动力依次经过离合器l 、 变速器2 、由万向节3 和传动轴8 组成的万向传动装置以及安装在驱动桥4 中 的主减速器7 、差速器5 和半轴6 ，最后传到车轮0 3 。 图1 1 机械式传动系统的组成及布置示意图 1 一离合器2 一变速器3 一万向节4 一驱动桥5 一差速器 6 一半轴7 一主减速器8 一传动轴 传动系统的首要任务是与发动机协同工作，以保证汽车在各种行驶条件下 正常行驶所必需的驱动力与车速，并使汽车具有良好的动力性和燃油经济性。 1 3 1 汽车驱动桥概述 一般地，汽车发动机的输出扭矩经过变速器，再通过传动轴传递到汽车驱 动桥，驱动桥的作用是将扭矩传递到驱动轮上。现在也有多驱( 多于两轮驱动) 汽车，变速器后面配有的分动器，将变速器的输出扭矩分给不同的驱动桥。 图卜2 是一种典型汽车驱动桥( 含减速器、半轴、桥壳等部件) 的分解图 】密封垫2 半轴油封3 - 车轮轴承4 - 车轮轴承盖5 半轴6 - 密封垫7 车轮轴承止推垫8 2 1 ， 2 9 轴承9 主动锥齿轮隔套垫片l o - 主动锥齿轮和从动齿圈11 - 差速器壳1 2 密封垫1 3 盖 1 4 - 行星齿轮轴定位销1 5 差速器行星齿轮轴1 6 - 差速器半轴齿轮1 7 止推垫1 8 差速器壳盖 1 9 轴承调整螺母2 0 - 轴承外圈2 2 - 齿圈紧周螺栓2 3 调整螺母2 4 ，轴承盖2 5 - 通气孔2 6 - 半 轴壳2 7 力口油口塞2 8 - 轴承外套3 0 - 凸缘3 1 - 导向盘3 2 - 油封3 3 轴承隔套 图1 2 汽车驱动桥分解图 1 3 2 汽车驱动桥主减速器装配技术 主减速器的减速传动机构为一对准双曲面圆锥齿轮，主动和从动锥齿轮之 间必须有正确的相对位置，方能使两齿轮啮合传动时冲击噪声较轻，而且轮齿 沿其长度方向磨损较均匀。为此，在结构上一方面要使主动和从动锥齿轮有足 够的支承刚度，使其在传动过程中不至于发生较大变形而影响正常啮合；另一 方面应有必要的啮合调整装置。为保证主动锥齿轮有足够的支承刚度，主动锥 齿轮5 与轴制成一体( 后面称之为主动齿轮轴或主动锥齿轮轴) ，前端支承在 互相贴近而小端相向的两个圆锥滚子轴承6 上( 如图1 3 ) ”。 4 l 锁紧螺母2 轴承座3 调整垫片4 隔套 5 主动锥齿轮6 轴承7 油封8 凸缘 图1 3 主动锥齿轮总成 汽车驱动桥主减速器的装配质量是影响整个汽车驱动桥性能的一个重要因 素。装配主减速器时，为了减小在锥齿轮传动过程中产生的轴向力所引起的齿 轮轴的轴向位移，提高轴的支承刚度，保证锥齿轮副的正常啮合，圆锥滚子轴 承应有一定的装配预紧度，即在消除轴承间隙的基础上，再给予一定的压紧力。 轴承的轴向间隙不应超过o 1 m m ，可通过更换不同厚度的隔套4 ，或者在两轴 承内座圈问装入一组厚度不同的调整垫片3 ，通过调整垫片的厚度来实现调整 轴承预紧度的目的。 主动锥齿轮总成是主减速器的关键部件，装配主锥总成部分时，要求用较 大的力矩拧紧螺母，其在主动锥齿轮轴上产生的轴向力包括两部分，第一部分 是给圆锥滚子轴承加载，保证其预紧需要，第二部分则作用于轴承内圈、隔套 及调整垫片上。由于圆锥滚予轴承承受的轴向力一般为几千牛顿，因此，螺母 轴向力的大部分作用于轴承内圈、隔套及调整垫片上。调整垫片太薄则圆锥滚 子轴承分配的轴向力增大，造成预紧力矩过大，汽车运行时发热严重甚至烧坏 轴承，而调整垫片太厚则圆锥滚子轴承上分配的轴向力减小，预紧不足，降低 了轴系的回转精度，影响锥齿轮副的使用寿命，噪声增大。合适的调整垫片即 可控制主动锥齿轮轴上轴向力的分配比例，当主动锥齿轮锁紧螺母拧紧到规定 拧紧力矩范围内时，保证圆锥滚子轴承的预紧符合要求。 1 4 本文研究的主要内容 本文通过概述汽车传动系和驱动桥的结构，以及汽车驱动桥主减速器装配 质量的重要性。在合肥工业大学汽车装备技术研究所开发的驱动桥生产线改造 项目的基础上，对其中的主减速器总成混流装配线中的关键技术进行了研究。 具体研究内容如下： ( 1 ) 汽车主减总成装配线布置形式的研究 对汽车主减速器总成装配线布置的设计过程进行了分析，并介绍了主减速 器总成装配线的主要设备结构特点和功能。 ( 2 ) 主减总成混流装配线产品的投产排序的研究 由于该主减总成装配线是多品种的混流装配线，所以要研究该主减总成装 配线的平衡和产品的投产排序问题。然后分析比较考虑流水线平衡的平准化排 序模型和传统的混流装配线平准化排序模型对装配线排序的影响，得出最佳的 产品投产排序结果。 ( 3 ) 装配输送线线体强度的有限元分析 利用有限元分析的方法对装配输送线线体进行静力分析和模态分析，通过 改变装配输送线线体的结构，以优化装配输送线线体的结构为目标，分别用单 因素法和正交试验法分析装配输送线线体的强度和固频。 ( 4 ) p r o e 环境下线体设计的模块化与系列化 对该装配线线体的结构进行分析，创建不同的组件，为装配线线体的模块 配置功能提供一个指导。并对其中的关键尺寸进行参数化处理，利用p r o e 软 件建立装配线线体的参数化设计模型。 通过对汽车主减总成装配线以上四个方面问题的研究，可以为我们以后做 其它的汽车各大总成装配线提供一个理论和实践指导，为工厂混流装配线的多 种产品投产排序提供一个合理的理论指导，为装配输送线线体的设计与制造提 供可靠的理论依据，可以创建不同参数的装配线线体模型库，以加快装配线设 计的模块化及设计速度和质量。 6 第二章汽车主减总成装配线布置形式的研究 装配流水线的概念是h e n r yf o r d 于1 9 1 3 年提出的，是机器时代最重大的 技术革新之一。在当时，将汽车底盘的装配时间由1 2 5 小时缩短为9 3 分钟“1 。 装配线布置，又称产品导向布置，是指一种根据产品装配的步骤来安排设备或 工作过程的布置方式。制鞋、化工设备和汽车清洗剂的生产都是按产品导向原 则设计的。它适合于大批量的、高标准化的产品的生产，其优点是：单位产品 的可变成本低，物料处理成本低，存货少，对劳动力标准要求低；其缺点是： 投资巨大，不具有产品弹性，一处停产影响整条装配线“1 。 装配线布置是一种很重要的技术，可以说，任何有着多种零部件并进行大 批量生产的最终产品在某种程度上都采用装配线生产。华南理工大学的王爱虎 应用基础工业工程理论和方法对手工装配线布置方式进行了改善，对提高企业 生产效率和系统的灵活性以及对市场的适应能力等方面有显著的作用“1 。广西 工学院采用工序同期化方法对五菱专用汽车公司总装车间装配线进行了改善设 计，达到降低了工人劳动强度，实现高效率和按节奏生产等目标陆1 。东北大学 以某企业激光头基座准备( 又称h s 准备) 生产线为研究对象，运用“5 w 1 h ” 提问技术，分析了流水线存在的各方面问题，对生产线进行了重新布置，新方 案的实施使生产线生产能力得到了极大提高”1 。 2 1 汽车各大总成装配线布置类型的介绍 按照装配线平面布置的形状它可以分为直线型( 图2 - 1 ) ，u 型( 图2 - 2 ) ， 环型( 图2 - 3 ) “1 。 传统的装配线设计成直线型，线上分工很细，相对于需求的变化，难以重 新调整而达到新的平衡。线上的操作人员进行的是简单的重复作业，枯燥无味， 容易产心理疲劳，也会增加失业率。 混流型和u 型装配线是多品种小批量的一种装配组织方式，实现装配单元 内的作业人员一人多机操作，减少操作人员，提高了系统的柔性和装配效率， 便于随时调整作业人数，适应产品和产量需求的变化。混流型和u 型装配线布 置是j i t 生产系统的一个特征，也是j i t 系统实现“只在需要的时候，按需要 的量，装配所需的产品”目标的重要措施。u 型装配线布置有着直线型装配线 布置的不可比拟的优势。 环型装配线是在u 型装配线的基础上发展起来的，它的目的是为了重复利 用装配线上的某个辅具，通过添加轨道和转向机构而让装配线构成封闭形状。 它同样也具有u 型装配线的特点。 7 1 _ ? 一 j 一三_ _ _ 一_r - j - “一jb _ 。 一 芝二) = 图2 - 2u 型布置 图2 3 环型布嚣 2 2 汽车各大总成装配线的输送形式 汽车各大总成装配普遍使用的装配线，可分为同步式装配线和非同步式柔 性装配线一 。 同步式装配线，即装配总成与输送线同步运行，线上各工位的操作节拍是 相等的，所以容易造成不均衡生产。 非同步式柔性装配线，即装配的总成与输送线运行是不同步的，在线上不 同的装配工位上，根据装配的需要，被装配的总成在一定的节拍范围内可以自 由调节，并具备存放寄存的功能。也就是说，非同步输送是以摩擦滚轮输送为 典型结构，主输送线是连续输送的，按需要由线上释放限位机构对装配小车进 行定位，工件在全线不同区段上可按不同节拍输送，全线不同工位上的操作， 在时间差允许范围内节拍可自由调节。 非同步式柔性装配线之所以能迅速发展，是由于与同步式装配线相比有以 下几大优点： ( 1 ) 它可以在一条装配线上生产出多种不同型号和配置的产品，产品的品 种和数量可以随顾客需求的变化而变化。 ( 2 ) 它更强调计算机软件的基础，灵活性、调整方便以及人性化的空间。 ( 3 ) 它极大地提高了装配线上的工时利用率和生产效率，弥补了单一产品 生产时由于缺件、倒线所造成的工时空耗和空线现象。 ( 4 ) 非同步式柔性装配线使工厂的面积得到最大程度的有效利用。 非同步柔性装配线包括三个方面的内容：装配线对新产品的适应性；同一 装配线的多品种通过性；装配工时的弹性。 非同步式装配线的结构型式很多，这里介绍四种典型结构的非同步装配线。 自由滚道+ 随行小车式 自由滚道+ 随行小车式非同步装配线基本结构如图2 4 所示，导轨1 通过 螺栓固定在轨道6 上，随行小车滚轮5 可自由在导轨1 上滑行，从而带动小车 面板8 前行。当小车行进到合适位置时，可直接将小车定位锁紧，然后在小车 上完成压装检测等工艺流程。这种装配线结构型式在汽车零部件总成装配线中 采用最为广泛，它的突出特点是结构简单紧凑，使用安全可靠，维修方便，造 价低廉，承载力较大，适合组装体积和重量较大的部件。本文结合某公司主减 速器的现状，决定选用这种装配线型式，事实证明完全能满足技术要求。 _ _ _ 1 导轨2 油杯3 轴4 隔套5 滚轮6 轨道7 小车架8 小车面板 图2 4 自由滚道+ 随行小车式非同步装配线结构示意图 摩擦式机动滚道柔性装配线 摩擦式机动滚道非同步输送采用间接驱动方式，其驱动力是通过内外同轴 的两个滚轮来传递的，内圈直接接受动力源传来的驱动力，外圈是一个用特殊 材料做成的摩擦环，安装在内圈上，内外圈之间可以相对转动( 如图2 5 ) “ 。工件正常行走时，驱动力传到内圈，再通过内外圈上的摩擦力传到外圈， 内外圈无相对转动。当工件到达工位，被停止器阻挡，停止在工位上时，内圈 仍然回转，内外圈之间产生相对转动，此时外圈处于静止状态，与工件底面无 相对运动，因此可以有效地防止损伤工件底面。 9 。啼 一 ) 图2 - 5 摩擦式滚轮驱动力的传递 摩擦式机动滚道是非同步装配线采用最多的型式。这是因为由于其结构简 单，使用可靠，承载力大，成本低，维修保养方便的缘故，此外这种装配线在 水平面内循环时，可以作矩形布置，比其它型式装配线更充分利用厂房面积， 因而得到广泛的应用。 地板链台车式装配线 这种装配线由一条驱动链来带动置于地面轨道上的车体支承小车，小车与 链条的联接靠插销，可以很容易地把小车与链条联接或分开，因而也很容易变 换小车的间距“”。一般每个大型待装部件由前后三个小车支承，只要前小车用 插销与驱动链联接即可，小车可根据汽车的支承需要来设计。它的优点是：操 作接近性好，驱动阻力小，能耗低，对品种变换的适应性较好，但台车投资较 大，还需要解决台车的返回问题。另外这种装配线往往只应用在整车总装配线 中，在汽车零部件装配中不太常用。 自行小车式装配线 自行小车式装配线的导轨可以悬置在空中桥架上，每一个装配部件由一台 自行小车通过吊具吊起，小车在空中导轨中运行，这种装配线可以每个小车单 独前进运行，也可以各小车前后连在一起同步运行，运行速度可以调节，具有 “积放式”特点“1 。由于每个小车都有一套电动装置和电子控制系统，因而 这种装配线的造价较高。这种型式的装配线通常在整车的喷涂、磷化等工艺中 应用较多，也可用来将整车成品输送进入立体仓库。 2 3 主减总成装配线的布置 本文将以合肥工业大学汽车装备技术研究所为某公司设计的一条主减速器 总成装配线为例，介绍一下该装配的布置过程。 2 3 1 主减速器结构分析 图2 - 6 是一种典型的主减速器总成分解图0 1 。 1 0 1 凸缘螺母2 垫片3 垫圈4 凸缘5 螺栓6 垫圈7 隔套8 轴承座端盖9 垫圈1 0 轴承1 1 轴 承座1 2 轴承1 3 垫圈1 4 挡圈1 5 套筒1 6 调整螺母1 7 轴承1 8 螺栓1 9 开日锖2 0 螺母2 1 左壳2 2 衬齿2 3 螺栓2 4 垫片2 5 十字轴2 6 行星齿轮2 7 上盖2 8 垫圈2 9 螺栓3 0 螺栓3 1 螺钉3 2 垫豳3 3 止动片3 4 螺母3 5 开口销3 6 右壳3 7 垫圈3 8 半轴齿轮3 9 减壳4 0 轴用捎 圈4 1 轴承4 2 主齿4 3 垫圈4 4 螺栓 图2 6 汽车主减速器分解图 主减速器是汽车驱动桥的关键部件，它的主要功用是将输入的转矩增大并 相应降低转速，并可根据需要改变转矩的方向。主减速器通常由一对或多对齿 轮副( 其中一对为圆锥齿轮) 来实现降速增扭。主减速器总成由主动锥齿轮总 成，差速器总成、减速器壳体等部分组成。 2 3 2 主减总成的装配工艺 主减速器总成由主动锥齿轮总成、差速器总成、主减速器壳体等部分组成。 由于主减速器总成结构的特性，在设计装配线时我们把它分为三条环线，先在 二条环线上进行并行装配，然后在另条环线上进行合装。它的装配工艺如下。 主环： 壳体上线一压主齿轴承外圈一测量选取调整垫片一压主齿轴承内圈一压油 封、凸缘一拧主齿螺母一下线 差环： 差壳上线一装差速器一拧差壳螺栓一压被齿一翻转1 8 0 度一拧被齿螺栓一 压被齿轴承一下线 合环： 减壳上线一装主齿总成一翻转1 8 0 度一装差速器总成一装差速器轴承外 圈、调整花螺母轴承盖一拧紧减壳螺栓一调整主、被齿间隙一上锁片，拧锁片 螺栓一下线 从装配工艺中可以看出，本次设计的装配线的优点表现在以下几个方面； ( 1 ) 提高装配质量 考虑到主减速器总成的装配质量在很大程度上取决于主齿轴承正确的预 紧程度和差速器主、被齿轮的正确啮合位置，( 对带贯通轴中桥主减速器，还 有贯通轴轴承的预紧程度) ，而这些都取决于调整垫片厚度的正确选取。所以 本装配线拟改变传统凭经验试装选垫，而采用计算机控制测量尺寸链相关尺寸 而正确选取调整垫片的厚度。主、从动齿轮安装距调整垫片组以智能选垫机采 集主减壳、轴承座、过桥箱壳体、轴承等零部件的相关数据，计算机处理、网 络传输数据至装配工位。 轴承的装配也是保证装配质量的重要一环，本装配线将尽量采用压力机 压装轴承，确保轴承装配到位，避免或减少手工敲打现象。 保证重要螺栓达到设定的扭矩值。本装配线采用计算机闭环控制的电动 拧紧机和多轴拧紧机，以保证重要螺栓的定值拧紧，部分对孔要求工位定相位 拧紧，精度高，工作可靠，生产率高。 ( 2 ) 理顺物流，提高装配效率 装配线工艺流程的设计根据主减速器总成结构特点，理顺了线上物流，保 证了成对零件( 如主、被齿；差速器左、右壳等) 正确配对安装，注意了分装 支线与装配合线的节拍协调，一般不会出现混淆错装。另外零件在装配和输送 过程确保了避免磕碰，注意了整个车间的布置合理，物流顺畅。 ( 3 ) 降低装配劳动强度 注意设计和发挥专用工、辅具的作用，尽可能降低装配劳动强度。 ( 4 ) 提高可靠性和寿命 在设备的设计中，适当的加大厚度和布置加强筋，增强了设备的刚度和强 度，以提高其使用的可靠性和使用寿命。在原材料的选择中和后处理中对这方 面也进行了考虑。 ( 5 ) 充分考虑柔性和未来变化及发展 由于各种型号的主减速器总成在结构上存在一定差异，特别是中桥的结构 比较复杂。装配线的设计要尽可能兼顾各种总成的不同特点，尽可能共用设备， 以提高装配线的使用效率。本装配线都具有一定的可扩展性，在适当增加和更 换部分工具和部件后能完成类似中、后桥主减速器总成的装配工作。并且考虑 到今后可能的发展，尽量考虑企业未来产品变化，在工艺御局和设备设计时提 前进行统一规划，确保在将来产品变化时不需大的调整。 2 4 主减总成装配线的布置形式 这里我们提出了三环的总体设计方案，先在二条环线上进行并行装配，然 后在另一条环线上进行合装。三环分别是主环、差环和合环。其中主环是主齿 部件的装配，差环是差速器部件的装配，合环是主齿总成、差速器总成以及主 减速器壳体的合装。主减总成装配线采用非同步柔性手动输送线，在适当更换 压头等部分工、辅具后，可完成多品种的中、后桥主减速器总成的装配工作。 可以协调各工位间装配工作的节拍差异，并可较好地发挥装配线的生产潜力， 适应多品种产品变化的要求。输送线采用手推小车、平导轨式，输送线上设有 停止器、缓冲器、定位器，可随时停止与启动。它的立体示意图如下图2 7 ： 图2 7 主减总成柔性装配线 主环和差环的装配线采用平面双循环形式，在四个转角处设有转向机构。 并依据物流及装配顺序，随行小车物流方向自然返回。各工位设有定位器，小 车间设有缓冲器，可适用多品种变化的要求。 该输送线上料高度约为8 2 0 皿( 自地面至工件的定位面或定位止口) 左右， 随装配工艺的需要，在轨道合适的位置，布置了定位机构，扳动定位手柄，定 位块插入装配小车的定位槽中，即可保证装配小车停留在确定位置，以完成该 工位的装配工作。 轨道四角设置了转向架，装配小车运行至转向架后，将转向架连同装配小 车转动9 0 度后，推出装配小车，完成小车的转向。 返回轨道的起点处，除需完成装配小车的转向外，还需将装配小车连同转 向架同时抬升至一定高度，推出装配小车的同时，利用返回轨道的高度差，靠 装配小车的自重，实现装配小车的返回。返回轨道的终点设置了积放机构，在 需要时放下挡块，放行一部小车供装配使用，其余小车待用。 合环上的小车采用窄链一牵引装配小车输送，输送线上设有停止器可随时停 止与启动。合环小车上还设有3 6 0 。回转装置和分度定位装置，以适应合装时 主减速器需要多次翻转的要求。主减速器合装线随行夹具小车操纵简便、灵活， 定位稳定、夹紧牢固，有较强的刚性，使用寿命长，调整方便、可适应多品种 产品的装配要求。 2 5 主减总成装配线的主要设备结构特点和功能描述 1 、计算机控制测量机 主减速器总成装配质量的关键与难点是正确获得合适的轴承预紧力矩和 主、从动齿轮的正确啮合，而这两点分别取决于轴承预紧力矩调整垫片和齿轮 啮合调整垫片的厚度是否正确，装配工凭经验主观选择垫片容易造成装配的不 合格和返修。为彻底改变这一状态，本装配线设有专门的测量工位，采用工控 机控制专用测量机，在线上加载模拟装配、模拟运动测得有关数据，经计算机 计算处理及统计分析后，数字显示和选取调整垫片，以确保装配质量，减少直 至杜绝返修重装现象。测量机还附设垫片实际厚度数显检测专用工具，以消除 垫片名义尺寸误差的影响。 2 、专用压力机 采用以正规厂家的成熟产品为基型，根据各压装工位的具体要求，进行改 型设计和p l c 控制，这样既可满足压装要求，又保证压力机质量稳定，动作可 靠，刚性好。我们一般采用带下缸( 下缸公称推力与上缸相同) 的专用压力机， 由上、下缸对压完成压装工作，这样既可很好地保证在线完成压装工作，又可 避免小车和装配线体承受压力而产生变形。 3 、计算机控制电动拧紧机 主减速器各凸缘处的大螺母，旋紧扭矩大，对扭矩值定扭矩的要求也较高， 部分产品还有对孔要求。为此装配线采用电动拧紧机，该机由计算机闭环控制， 不仅旋装平稳，扭矩大、精度高，并能实时显示旋装时的实际扭矩和旋紧达到 的最大扭矩，根据需要，部分拧紧机可进行相位控制。 4 、计算机控制多轴拧紧机 用于主减速器的盆齿螺栓和左、右差壳螺栓的拧紧，工控机闭环自动控制， 可消除多轴拧紧时各轴间拧紧不同步的轴间干涉，保证各轴都能达到设定的扭 矩值和合理的轴间拧紧顺序。扭矩大、精度高，工作可靠，可显著提高生产率 和装配质量。 2 6 本章小结 本章首先介绍了装配线布置的意义，对汽车各大总成装配线的布置类型和 输送形式的优