重型卡車轉向系統分裝的工裝設計與運用

高佳宇，李璋靚

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

近些年隨著經濟的發展以及科學技術、生產能力與水平的提高，在市場競爭的推動下，重型卡車的性能與結構都在逐年的提高中。以前卡車注重點在于動力性、經濟型以及可靠性等方面，九十年代后則注重環保性、安全性以及舒適性的提高。這對重卡生產企業來說是機遇，更是挑戰。

汽車轉向系統是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉向行駛時，還要保證各轉向輪之間有協調的轉角關系。駕駛員通過操縱轉向系統，使汽車保持在直線或轉彎運動狀態，或者使上述兩種運動狀態相互轉換。

當汽車需要改變行駛方向時，必須使轉向輪繞主銷軸線偏轉一定角度，直到新的行駛方向符合駕駛員的要求時，再將轉向輪恢復到直線行駛位置。這種由駕駛員操縱，轉向輪偏轉和回位的一整套機構，稱為汽車轉向系統。其功用可簡單描述為按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向。轉向系統可分類為：機械轉向系統：完全靠駕駛員手力操縱的轉向系統稱為機械轉向系統;動力轉向系統：借助動力來操縱的轉向系統稱為動力轉向系統。動力轉向系統又可分為液壓動力轉向系統、電動助力動力轉向系統以及氣壓動力轉向系統。

圖1 機械轉向系統結構

圖2 動力轉向系統結構

轉向操縱機構是由從轉向盤到轉向傳動軸這一系列零部件組成，主要有轉向盤、轉向軸、轉向軸軸承和轉向柱管等部件構成。轉向管柱關鍵技術要求：軸向間隙試驗：在轉向軸中間位置縱向施加±40N載荷，加載速度為（5±0.1）mm/min，轉向間隙值≤0.10mm。徑向間隙試驗：在轉向軸中間位置橫向施±40N載荷，加載速度為（5±0.1）mm/min，徑向間隙值≤0.05mm。轉向軸轉動力矩，轉向軸最大轉動力矩≤0.6N·m，力矩波動值 ≤0.2N·m。調整力矩≤98N，調整機構保持力600N疲勞試驗106次后不允許有裂紋或損壞；靜扭試驗加載扭矩小于400N·m時，滾道不允許有明顯的變形壓痕和磨損。靜扭試驗加載力矩小于 600N·m時，滾道和花鍵不允許破壞。方向盤靜強度分析技術參數：軸向力：方向盤承受 980N（100kg）軸向載荷時，撓曲量＜20mm，卸載后永久變形在≤3mm。轉向扭力：加載±250N.m的力矩，彈性變形≤3°，永久變形≤0.5°。疲勞分析：扭轉疲勞加載±100N.m的力矩的交變載荷，1×106次無損壞。加載頻率2.5Hz。震動疲勞頻率為10Hz ～35Hz，按加速度±30g進行1×106次振動試驗后，無損壞。轉向伸縮軸扭轉間隙，伸縮軸總成扭轉間隙S＜0.05mm；磨損要求：磨損試驗150000次后扭轉間隙的增量 δS＜0.035mm；疲勞試驗 106次后不允許有裂紋或損壞；靜扭試驗加載扭矩小于 400N·m時，滾道不允許有明顯的變形壓痕和磨損；靜扭試驗加載力矩小于 600 N·m時，滾道和花鍵不允許破壞；伸縮軸水平位置最大推拉力不能大于100N。

從20世紀50年代開始，隨著生產環境的變化，人們逐漸認識到剛性自動化的不足。大批量生產少數產品品種的局限性越來越大，包括：對市場和用戶需求的應變能力較低；勞動分工過細等。1952年美國麻省理工學院試制成功第一臺數控銑床，揭開了柔性自動化生產的序幕。1968年英國莫林公司和美國辛辛那提公司建造了第一條由計算機集中控制的自動化制造系統，定名為柔性制造系統。20世紀70年代出現了各種微型機數控系統、柔性制造單元、柔性生產線和自動化工廠。其主要特征是：①工序集中，無固定節拍，物料非順序輸送將高效率和高柔性融為一體。②生產成本低，具有較強的靈活性和適應性。

大量定制(MassCustomization，MC)是一種在系統整體優化的思想指導下，集企業、顧客、供應商和環境于一體，充分利用企業已有的各種資源，根據顧客的個性化需求，以大量生產的低成本、高質量和高效率提供定制產品和服務的生產模式。大規模定制的基本思想是：將定制產品的生產問題，通過產品結構和制造過程的重組全部或部分轉化為批量生產。具有以下特征：①以客戶需求為導向②以現代信息技術和先進生產制造技術為支撐③以客戶細分、以產品結構的模化、零部件和生產工藝的通用化、標準化為平臺。

轉向操縱機構包括轉向盤、轉向管柱、轉向管柱支架、轉向傳動軸、萬向節、方向盤鎖等。轉向操縱機構布置在駕駛室內部，與駕駛室儀表板和駕駛室地板固定在一起。

圖3 轉向管柱分解示意

轉向管柱由15個零部件組成，分裝完成后重量達12kg。車間工位的作業人員有2人，員工A分裝前需要拿取管柱、伸縮軸，進行分裝，然后安裝轉向鎖并擰緊螺栓，檢測力矩合格后將半成品放入暫存區；員工B從暫存區拿取半成品，再拿取組合開關進行安裝并捋順捆扎好線束，最后安裝護殼，分裝完成后放置于轉運架上。在對此過程中的2名員工作業流程進行分析，對他們的搬運路徑進行了測量，2名員工單車裝配移動距離達48米，其中三次的搬運都超過了10kg，且需要員工彎腰拿取。之后根據裝配過程繪制轉向管柱裝配流程圖，員工A、B裝配共有13個程序，耗時5.2min，無法滿足內飾線3.6分鐘的生產節拍，而其中搬運7次，占了流程的一半、耗時1.1min；若按照內飾目前生產單班130量計算，2名員工需要彎腰390次，移動距離6240米。這些看似平常的操作流程造成了員工的勞動強度的增大。又通過市場反饋發現轉向管柱外觀質量合格率在 2015年只有 96%，經過現場調查發現管柱在半成品存放區的堆積，造成了管柱與地面的磕碰劃傷，并且容易損壞時鐘彈簧，15年平均每月損壞數量達21個，因此而造成的全年直接經濟損失累計達到3萬余元。并且由此造成的走線節拍嚴重多于正常節拍，影響生產進度。

在對現場布局的分析中，發現以下問題：①現場物料堆積嚴重，物料數量多、種類雜，造成生產現場擁擠。②中間在制品庫存大，物料暫存區占用大塊面積③員工移動、搬運路程多，路徑不暢，勞動強度大。

針對以上問題的分析，根據“ECRC”的“取消、合并、重排、簡化”原則，消除員工不必要的彎腰動作，取消員工對中間在制品的搬運，減少線旁物料的資金占用，對現場布局進行調整：采取“U”型作業現場布局設計，推行“一個流”生產模式，減少中間在制品的庫存數量。然后通過設計工夾具，對于員工A的工作臺，充分考慮了人機工學的作業空間設計，在員工手臂作業范圍內設計了料盒和力矩扳手存放位置，并增加了伸縮軸環形口；工作臺右側和滑道連通，減少了員工抱取管柱和搬運的動作。根據現場滑移貨架的設計思路設計了連接員工A、B的滑道，根據動作經濟原則—利用重力傳遞物料的思路，將員工A、B之間的分裝臺聯通，這樣既可以減少員工搬運、又可以將滑道作為半成品暫存區。

圖4 總成轉運工位器具

圖5 分裝工位器具

針對員工B，設計了與滑道等高的分裝臺與轉運小車，員工B從滑道上取管柱、分裝完成放置管柱，兩個過程可直接滑動取料，這樣就減少員工B的1次搬運及彎腰。以上方案工裝的制作可以達到如下效果：員工A分裝完成后，將半成品放入在滑道帶孔的箱子上，一起隨滑道滑至員工B處，這時，員工B將半成品滑入分裝臺，然后將帶孔箱子放到下滑板上，滑入員工A處進行重復利用，分裝結束后，將管柱直接滑入轉運小車，小車放滿后推至裝配線。

整個作業流程中，減少了員工3次搬運及彎腰等多余的動作，實現了按序裝配，推行了“一個流”式生產；整個作業過程轉向管柱全部立式放置，避免了與地面的磕碰避免磕碰劃傷，提升了外觀質量、裝配質量與裝配效率；線旁物料減少，作業面積減少。從以上的改善后的作業程序流程圖中可以看到，裝配時間滿足生產節拍，裝配效率提升35%；單班（130輛）員工搬運由6.24km減少至2.15km，共減少彎腰390次。作業占地面積由62.4m2減少至22m2，采用“一個流”生產，庫存減少45.5%；而零部件外觀質量也由96%提升至 99.7%，時鐘彈簧由每月平均損壞 21個控制在 0.17個，年節約金額2.33萬元。

圖6 總成分裝工位器具組合示意圖

此工裝設計與運用徹底解決了為適應新市場環境下設計的新型氣動轉向管柱的分裝緩慢問題，在設計過程中秉持精益生產的思想，簡化員工作業流程。秉持設計貼合實際生產的需求，在運用過程中不斷提高、不斷完善。