汽車發動機缸蓋排氣門密封質量檢測裝置設計

2018-11-11 09:29:46暴永明劉廣東王百輝

機械工程師 2018年11期

暴永明，劉廣東，王百輝

（1.黑龍江省機械科學研究院,哈爾濱150040；2.黑龍江省質量認證中心，哈爾濱150036）

1 總體方案構思

本論文中發動機缸蓋生產線中排氣檢測機構，是整條缸蓋生產線的一部分，考慮到成本、空間和工作效率等諸多因素后，進氣檢測和排氣檢測由一個工作位置同時完成。

整個系統需要完成以下工作步驟：1）工件到達指定位置，各機構處于準備階段。時間約2 s。其目的是調整好工件的位置為下一工序做準備。2）上端壓緊裝置到達指定位置，壓緊工件。時間2 s（時間由運動速度與行程計算得出）。目的是固定工件。3）進、排氣端檢測裝置達到指定位置，時間4 s。4）通入高壓氣體。時間3 s。壓力為0.3 MPa。目的是使缸蓋進、排氣端內的氣壓為0.3 MPa。5）停止通氣，開始檢測泄漏量。時間15 s。如果泄漏量在允許范圍內，工件合格。超出范圍，工件不合格。6）此工序有兩種情況，工件合格，系統回到初始狀態，工件進入下個裝配程序。時間10 s。如果工件不合格，系統報警，工件通過檢測通道進入檢修區，系統還原。報警時間10 s，總用時約25 s。

滿足每工序用時在60 s以內的設計要求。

2 總體結構設計方案

2.1 確定工作面

圖1 發動機缸蓋排氣門位置示意圖

對發動機缸蓋進行觀察分析，如圖1所示，確定發動機進氣端和排氣端在生產線上的位置。然后確定排氣口在發動機缸蓋上的位置以及排氣口間距，排氣口尺寸，如圖2所示。

圖2 排氣口尺寸圖

2.2 結構設計方案

流量測量法檢測流程見圖3。

通過分析工件形狀及尺寸和檢測過程初步確定方案：由兩組，八個檢測裝置同時檢測進、排氣門氣密性。它的優點是，多點檢測效率高，機構運動簡單，缺點是機構復雜，成本高，占用空間大。

圖3 測量工作流程圖

進氣門和排氣門檢測同時進行，大大縮短了檢測時間，提高了工作效率，而且設計檢測裝置平行排列使整個檢測裝置只需要沿氣缸推力方向運動，簡化了運動架構，綜上所述，確定兩組，八個檢測裝置同時檢測的方案是比較合理的，結構總裝示意圖如圖4所示。

3 檢測裝置主要部件設計

3.1 機架設計

排氣氣密性自動檢測系統機架是用來固定檢測裝置、壓緊裝置，動力裝置的總體框架，其設計要求，滿足機構工作空間需要，結構簡單，占地小，安全，可靠，并能與生產線總體結構相協調，機架結構設計如圖5所示。

圖5 機架俯視圖示意圖

3.2 動力元件選擇

初步選擇氣壓動力，氣缸在低速運動時，由于摩擦力占推力的比例較大，氣缸的低速穩定性不如液壓缸。綜合以上利弊，設計選擇氣缸作為動力原件。

3.3 氣缸的選擇

3.3.1 排氣口氣缸的選擇

依據要使檢測機構壓緊進氣口，則選擇的氣缸推力必須大于進氣口反作用力，即必須滿足公式：

式中：Fpu為氣缸輸出推力；Fr為排氣口反作用力；P為排氣口壓力；D為排氣口直徑。

查閱資料氣缸類型為QGB50×80后法蘭型雙作用氣缸，如圖6所示，其基本尺寸如下：缸徑D0=50 mm；活塞桿直徑D

1=20 mm；使用速度范圍50~700 mm/s；行程S=80 mm。

3.3.2 頂部壓緊氣缸的選擇

圖6 氣缸QGB50×80

由于發動機兩側與鉛垂面成7°夾角，所以當兩側機構壓緊發動機時，會產生向上的分力使發動機發生移位，導致漏氣，影響檢測的準確性,這就需要一個頂部壓緊機構對發動機進行壓緊。要使發動機靜止不動，就必須滿足F＞F1。

其中F1=f1×cos7°×sin7°+f2×cos7°×sin7°

=2×982×0.12×0.99=233.32 N。

式中：F為頂部氣缸壓緊力；f1為進氣門壓緊力；f2為排氣門壓緊力。

為確保壓緊牢固，頂部壓緊氣缸選擇QGB80×55前法蘭型雙作用氣缸：工作壓力P1=0.5 MPa；缸頸D0=50 mm；活塞桿直徑d=20 mm；行程s=55 mm。

3.4 彈簧的計算

在排氣門氣密性檢測時，四個檢測裝置一定和排氣口端面在同一平面上，出現錯位會直接導致密封不嚴，檢測錯誤。為了避免這種想象，在檢測口上安裝壓縮彈簧調節檢測口位置，而且在檢測裝置與被檢測工件接觸時起到緩沖的作用。

彈簧承受的載荷是第二類載荷，故材料選擇50CrVA,D2=34 mm。

由資料得：

查機械設計手冊圖4-2-5得：

式中：d為彈簧絲直徑；D為彈簧外徑；D2為彈簧中徑。

有效圈數：

式中：K為彈簧剛度；F2為工作壓力；F1為彈簧預緊力；n為有效圈數。

3.5 密封打壓機構的設計

3.5.1 打壓機構設計

要進行打壓機構的設計，首先就要明確打壓機構件設計的基本要求，即要做到密封性能可靠，耐磨性好，使用壽命長，結構緊湊，系統簡單，制造維修方便，便于裝卸，互換性好，成本低廉，以實現標準化、系列化，如圖7所示。

3.5.2 密封圈的設計

圖7 打壓機構設計簡圖

在該機構中，采取墊圈密封，材料選合成纖維橡膠。

墊圈的受壓面積應滿足下式：

式中：Ag為受壓面積；Ae為有效受壓面積；P1為工作壓力；y為墊片比壓力；m為墊片系數，墊片的厚度為5.3 mm。

圖8 密封圈

3.6 導向柱設計

根據檢查的精度要求，采用兩個導向柱來確保檢查機構的準確性，見圖9所示。

3.7 控制系統的選擇及傳感器的選擇

圖9 壓緊定位機構中的導向柱

控制系統采用西門子S7－314型PLC控制，比較適合復雜的控制系統的自動控制。壓力傳感器選擇AP—43型，用于控制缸內氣壓達到0.3 MPa。流量傳感器選擇E8Y—A5C—03H型，用于檢測缸內氣體的泄漏量，如果泄漏量超過允許范圍，向傳感器發送信號報警。接近開關選擇E2E-X7D1-M1DJ型，用來控制氣壓缸行程和位置。