發動機連桿清洗夾具方案的研究

張燦為，姜莉莉，陳伯豪，何汪洋

(廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州 510006)

發動機是汽車的心臟和動力源，在工作的情況下需要高度清潔的環境，其質量及性能的好壞與發動機內部關鍵零部件緊密相連［1］。作為發動機關鍵零部件之一的連桿的清潔度好壞直接影響發動機的質量和壽命。因此清洗在連桿制造過程中的重要性不言而喻。

目前國內連桿的清洗方法較少，關鍵清洗技術較為薄弱，自動化程度不高。且傳統清洗技術效率低下，清洗工序累贅，工作環境惡劣，清洗不合格率大，清洗液不能循環利用，所以連桿自動清洗技術的研究迫在眉睫。

1 連桿清洗裝夾特點

連桿屬于發動機內部典型的復雜件，精度要求高，形狀復雜，所以清洗工藝繁瑣，制造難度大。圖1 為該連桿結構圖。

由結構圖知，連桿有較多的螺紋孔、盲孔、通油孔等，這些孔要實現完全清洗，就要求與清洗機的噴頭一一對應，精確定位。而在清洗過程中，噴頭的水壓對連桿的位置會產生影響，所以，要實現連桿的自動、高效清洗，一套高性能的夾具在連桿清洗設備的研制過程中顯得十分重要。

夾具的使用能穩定地保證清洗過程中連桿的加工精度，使連桿相對于刀具及機床的位置精度不受工人技術水平的影響，使連桿裝夾方便、快速，連桿無需劃線找正，可顯著地減少輔助工時，同時提高生產率。

圖1 連桿結構圖

夾具按其專門化程度可分為通用夾具、專用夾具、通用可調夾具和成組夾具、組合夾具和隨行夾具5 種。其中專用夾具是指專為某一工件的某道工序而專門設計的夾具，其特點是結構緊湊，操作迅速、方便、省力，可以保證較高的加工精度和生產效率。由于該型號連桿上有較多的孔，很難找到與之結構相似的工件，所以應為該清洗工序設計專門的夾具。

2 清洗夾具的備選方案介紹

結合上述連桿裝夾特點及現場工況，并參考國內外同行清洗設備，提出了3 種預選方案，分別是氣動側邊夾具、氣動端頭夾具、懸掛夾具。下面將分別詳細介紹這3 種方案的可行性及特點。

2.1 氣動側邊夾具

氣動側邊夾具機構在制造業、工程機械及其他領域中有著非常廣泛的應用。結合連桿的獨特特征，氣動夾具具有結構完善、使用方便、效率高、可行性高等特點，所以氣動側邊夾具成為最初的備選方案。如圖2 所示。

圖2 氣動側邊夾具結構圖

該夾具由多個氣缸、夾緊定位銷、支撐定位銷及支撐板等組成，裝置驅動部分采用氣動系統，通過氣源提供氣體作用于氣缸，使得氣缸缸桿往返伸縮。用耐腐蝕耐磨損的尼龍材料做成3 種不同的定位銷，用于連桿定位中夾具體的夾緊與放松。其中最小的定位銷(即圖(a)中的綠色部分)安置在夾具兩端氣缸缸桿上，定位銷頂面略帶曲面，便于與連桿曲面的完全接觸;稍大一些的定位銷與作用連桿小端孔氣缸缸桿相連接，為更好地定位，定位銷做成臺階式;最大的定位銷與作用在連桿大端孔氣缸缸桿相連接，出于同樣的原因，定位銷做成臺階形式。兩個大定位銷的伸出與退回通過在支撐板上開適當的孔實現，而最小的定位銷通過氣缸固定架固定在支撐板上。由于固定在支撐板下面的這些氣缸的作用，保證了連桿的穩定及定位，以及保證連桿被夾緊后在清洗過程中不容易因為高壓清洗而產生晃動等，同時也使工作人員平穩安全地操作。

通過對該夾具的分析知:該裝置操作簡單、反應快、定位性強，優點顯而易見;但是由于質量大、體積大、成套配置導致結構復雜，所以系統繁瑣、動作剛度性能差，整體穩定、安全性亦不能保證，故缺點同樣明顯。

2.2 氣動端頭夾具

鑒于氣動側邊夾具的缺點，對其主體結構進行改進創新，便得到了氣動端頭夾具。雖然該裝置看似結構簡單，但其具有靈活性強、安全性好等優點。由于在連桿清洗過程中，噴頭對連桿會形成渦流以及直接的沖擊，所以設計夾緊裝置時出于兩方面的考慮，一方面是氣動定位銷的定位，另一部分是氣動定位后的夾緊。其夾緊夾具的三維結構圖如圖3 所示。

圖3 氣動端頭夾具結構圖

由其名字可知，氣動端頭夾具的主體設計還是建立在氣動夾具的基礎之上。裝置由多個氣缸、夾緊定位銷、支撐板等組成，氣缸被固定在支撐板的背面，氣缸的缸桿尾部連接夾緊定位銷。將夾緊定位銷加工成柱面呈現凹曲面型，曲面半徑小于連桿兩側面的曲面半徑并大致吻合。依然選擇尼龍作為夾緊定位銷材料，它不僅用于連桿的定位，并且為了便于連桿的放置和取出，兩夾緊定位銷之間的間距僅比連桿最小處尺寸大10 mm。通過其自身重力作用，連桿緊緊夾在兩定位銷之間，這樣在保證連桿夾緊定位的同時，由于連桿體受到高壓沖擊力的作用會產生少許擺動，使得一些平常難以清洗的死角在渦流狀態下得到清洗，同時工作人員操作簡單安全。

氣動端頭夾具依然采用工作效率高、定位快速的氣動技術完成整個機構的定位夾緊過程，依靠氣源作用于氣缸實現缸桿的往復運動過程，通過定位銷的伸縮實現對連桿的定位，連桿自身的重力則充當著主要的夾緊力。

氣動端頭夾具解決了氣動側邊夾具穩定性不高、安全性差等問題，但其自身又產生了新的問題。夾具的取放完全依靠人工，自動化程度不高;且清洗過程中的水壓對連桿的沖擊會使連桿產生擺動，當連桿擺動到離噴頭較遠位置時，清洗力度將會減弱，以上兩方面嚴重影響了清洗效率。

2.3 懸掛夾具

在前兩套方案都不甚理想的情況下，綜合提出了第3 套方案:連桿懸掛夾具。該裝置利用“懸掛”原理進行定位，主要的設計依據來源于連桿小端孔結構以及清洗需要，并綜合利用上面兩種方案的優點，設計的夾具具有一定的創造性。

懸掛夾具主要由以下部分組成:夾具機架、連桿體定位銷、螺栓定位圈、連桿蓋固定螺桿、連桿蓋定位螺栓、連桿體定位桿等。此夾具的最大特點是其結構簡單、穩定性強及易于操作，一次性批量大，充分利用連桿自身優勢，構造符合結構特征的清洗條件。圖4 是其結構圖。

圖4 懸掛夾具結構圖

同時與上述兩套方案的一個最大的區別是該夾具沒有利用氣動技術，而是借助連桿自身特點，一次懸掛多個使得清洗效率更高。夾具機架的主載體由一根實心方形鐵和多條方形鐵片焊接而成，在機架的第二排依次放置連桿蓋定位螺栓和連桿螺栓定位圈，在第三排制作相應的數個連桿體定位銷，同時間隔性地布置連桿蓋固定螺栓，在最后一排制作相應的定位桿數個。在操作過程中，將連桿拆分成連桿體、連桿蓋、螺栓等，然后依次將各零部件安放在懸掛夾具上。

從懸掛夾具的結構及性能分析，該夾具在結構上比氣動夾具和夾緊夾具更簡單，為整個裝置的研制減少成本，同時整體穩定性得到提高，并且夾具與運動系統具有較高的靈活性，操作員使用安全簡單。

3 夾具最終方案的確定

通過對上述3 種方案的介紹及其綜合性能的分析，最終甄選出最佳的方案，具體情況見表1。

表1 夾具的三種方案比較

由表1 可見:方案三懸掛夾具機構綜合性能最好。雖然存在效率和自動化程度相對其他夾具較低的問題，考慮到夾具的工作性質主要為清洗裝置提供可靠服務，所以首要考慮的問題應該是功能的完備與穩定性，而不是過于追求效率。且懸掛夾具可以根據需要制作，可懸掛的連桿數目根據設計而定，在一定范圍內，數目越大清洗效率越高。

4 結束語

通過對連桿清洗中3 種夾具方案的討論與分析，得出了最適合該型號連桿的方案。該方案定位夾緊好、靈活性強、結構簡單、安全穩定性高，達到了設計的預期。目前該方案已用于生產線上，實際運行結果表明:該方案不僅減輕了工人的勞動強度，同時降低了成本，提高了經濟效益。

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