發動機設計環節產品可裝配性問題分析

張陽，李江南，李丹

發動機設計環節產品可裝配性問題分析

張陽，李江南，李丹

（濰柴動力股份有限公司 發動機技術研究院，山東 濰坊 261061）

一款新型發動機的開發過程需要經過非常多的步驟，包括發動機模型設計階段、樣件制作階段、首臺樣機裝配、性能樣機裝配、道路試驗等等環節。在發動機模型設計階段，可能因為設計問題導致零件尺寸設計錯誤、緊固件選取錯誤、裝配空間狹小、發動機可維修性差等問題。文章通過對發動機設計環節常見裝配類問題系統分析及查核，能夠有效減少問題流入到實物裝配環節，大幅的縮減發動機首臺樣機裝配時的周期，同時減少了問題樣件的制作成本浪費，提高發動機的可靠性。

發動機裝配；設計問題查核

引言

一款新型的發動機設計，是從無到有，從零到整的過程。發動機的基本參數、結構都是在經過無數次的討論后制定的，每一種零件都需要進行重新的設計、選取。故發動機的設計是一項工作量巨大且極其嚴謹的工作。產品設計的發展趨勢是采用并行設計。而并行設計的實施，要求設計初期綜合考慮產品生命周期中的工藝規劃、制造、裝配、測試、維護、可靠性等環節的影響。在這眾多的影響中，裝配是影響產品設計的重要因素之一[1]。

一款成熟的發動機要有良好的裝配性、可維修性以及可靠性。加強面向裝配環節的產品設計有效性分析和查核研究具有重要的現實意義。

1 面向裝配的產品設計

發動機產品設計階段全面確定整個產品的結構和規格，是決定產品總成本的重要階段。面向裝配的產品設計是一種兼顧產品實物裝配的設計方法，總體需要考慮以下影響因素：（1）裝配時各零部件干涉問題；零部件在裝配時的操作空間是否充足；（2）盡量減少使用專用的工具、工裝；（3）容易裝錯的零部件是否具有防錯設計；（4）設計的零部件是否符合相關的設計標準；（5）發動機使用過程中的日常維護、保養是否方便；（6）選用的零部件是否符合工作環境的使用要求；（7）產品的設計方案應當與現有的工藝水平、制造能力相一致。

對產品的可裝配性分析是產品設計的關鍵環節，它能有效減少后期開發工作中的裝配成本，縮短開發周期，提高產品成功率。本文在發動機設計環節針對后期裝配工作需要提前考慮的影響因素，研究制訂了問題查核方法。

2 裝配性問題查核方法研究

裝配性問題主要包括零部件干涉問題、零件裝配空間小裝配困難、選取的螺栓對應的工具為非標工具、同一工序螺栓種類過多、零部件設計尺寸不符合規定、較重零件無吊裝位置。

2.1 零部件干涉問題

零部件干涉問題主要分為三類：

造成此類干涉有兩方面原因：設計環節兩個零件已發生干涉；零件加工尺寸不符合設計要求。如發動機兩根油管在裝配環節時發生干涉。該類問題在發動機設計階段較容易發現。可根據發動機的裝配流程對各個系統進行查核，能夠有效避免該類問題的發生。當日后續可以借用更先進的虛擬裝配技術，在發動機的設計環節就模擬進行裝配，提前將此類問題暴露。

（2）零件在最終裝配位置的動態干涉

圖1 零部件動態干涉

動態干涉即曲軸等運動零部件在運轉過程中與其他零件存在干涉。該類問題在最終裝配環節無問題，但零件在裝配過程或者運轉過程會與其它零件干涉。此類問題在發動機設計階段不易發現，可重點關注零件在安裝行程或者周圍的零部件是否存在距離較近的情況，利用三維軟件模擬零部件的安裝，確認是否存在干涉問題。案例：某機器濾清器上兩個卡套式彎通管接頭需旋轉安裝，但因兩個安裝孔設計距離太近，在一個卡套式彎通管接頭安裝后，另一個管接頭因空間不足而無法安裝，如圖1。

（3）鑄造類零件與整機上其他零件間未預留足夠間隙

因鑄造零件的零件公差較大，若設計階段預留間隙不足，零件制作過程時則易造成干涉問題。發動機該類零件進行設計布置時，應注意預留較大間隙，必要時增加機加工尺寸控制，如圖2。

圖2 鑄造零部件干涉

2.2 裝配效率類問題

該類問題不影響發動機的裝配及試驗，但是該類問題若不進行優化流入到生產，則會增加發動機的裝配節拍，影響發動機的裝配效率。

（4）不全流產宮腔殘留也是較為常見的婦產科疾病，其聲像圖表現多樣，和殘留物內容、多少以及殘留時間等有關。如果殘留時間長，會發生機化，使得宮腔內部出現不規則高回聲團。本研究中有10例在注入造影劑后，病灶出現明顯、快速的整體增強。倘若病灶中有機化或者血凝塊，則增強不均勻。

裝配效率類問題主要分為三類：

（1）同一工序螺栓種類較多

發動機的裝配效率體現在很多方面，若發動機裝配某一零件時，使用的螺栓種類過多，造成發動機批量生產時要使用多種不同的套筒，操作人員要來回更換裝配用的套筒，影響發動機的裝配效率。

如某一型號的發動機飛輪殼需用五種螺栓安裝，其中有兩種螺栓（包含一種）的對邊尺寸為15mm，其余的另外三種螺栓均為M10（長度不一）的標準螺栓（Q184），其對邊尺寸為13mm，造成裝配飛輪殼時需使用兩種規格的套筒。若將其余三種M10的螺栓更換為Q186標準的螺栓，則對邊全部同一為15mm，即套筒規格統一，減少了飛輪殼裝配的時間，提高了裝配效率。

該問題的查核方法為，著重查看安裝螺栓較多的零件，如：飛輪殼、齒輪室、前端蓋等零件，查看裝配該類零件的螺栓對邊尺寸在不更改等級強度的基礎上盡量統一。

（2）選取的螺栓需使用非常規工具

該問題為部分螺栓選取時未使用標準螺栓，導致螺栓對邊即套筒尺寸為非標工具，若未提前采購相關套筒等工具，造成發動機裝機時無工具可用，耽誤裝機進展。

該類問題查核方法為根據整機BOM篩選出非標螺栓，著重查核非標螺栓的對邊尺寸，對照套筒的標準規格，查核是否存在選取的螺栓對邊需使用非標套筒的情況。如當選取某一M12的螺栓時，應選擇對邊為18mm的螺栓，盡量不能選取對邊為19mm、20mm的螺栓。

（3）裝配空間過小影響裝配效率

裝配空間過小問題，即發動機在零部件裝配過程中工具或者工裝無法放入及空間不滿足工具最小的轉動行程，導致零部件難裝配或無法裝配。如圖3中，因螺栓的裝配空間過小，造成套筒無法放入。

該問題的查核方法為利用裝配工具、工裝的三維，模擬各零部件的裝配過程，查核是否存在因空間過小造成零部件無法裝配。

圖3 裝配空間過小

2.3 發動機可靠性問題

發動機零部件的可靠性問題主要體現在零部件是否符合該零件規定的工作環境，零部件是否可靠耐用以及某一零件的選取、設計是否符合設計規范及要求。

發動機的可靠性問題主要分為四類：

（1）關鍵零件的力矩無法控制問題

圖4 無法控制力矩

螺紋連接是發動機中最重要的聯接方式之一，螺紋聯接的質量直接關系著發動機的動力性、安全性和各聯接部位的泄漏情況[2]。發動機的一些關鍵螺栓及零件，如：主軸承螺栓、飛輪螺栓、排氣管螺栓、高壓油管等，該類零件在裝配時都有特殊的安裝要求，若裝配環節未按照相關的裝配要求進行控制，發動機運行過程極易出現重大的安全事故。該類問題在發動機設計環節，應借用工具的三維模型，提前驗證關鍵零件的力矩能否使用力矩扳手把緊。如圖4中，高壓油管螺母處空間較小，無法用力矩扳手裝配。

（2）零件不能滿足工作環境的問題

該類問題主要集中在發動機運轉過程時的高溫區域、過油區域的零部件。如發動機排氣管螺栓、增壓器安裝螺栓螺母是否為耐高溫零件，油路中的O型橡膠密封圈是否耐油，排氣管等高溫零部件周圍是否有不耐高溫的塑料零部件等。

（3）選取的零件不符合設計規范

該類問題主要集中在螺栓、膠圈、墊圈等通用零件。該類零件選取時需符合相關的設計規范，如組合密封墊圈金屬圈的壓緊部分是否大于2/3金屬圈總面積。該類零件選取若不合適，則可能造成螺栓斷裂、墊圈密封失效等問題。如圖5中，螺塞壓緊在組合密封墊圈金屬圈部分遠小于規范要求2/3。

圖5 密封墊圈選取不符合規范

3 結束語

目前，機械行業的產品設計軟件愈來愈趨向虛擬化和智能化，發動機在設計環節時若能夠利用有效工具，通過空間精準建模，基于產品整體零部件間的相關裝配關系分析，系統的對發動機各系統布置結構查核，則能夠大大減少問題流入到實物裝配環節。不僅能夠節省研發費用，也能進一步縮短研發周期，提高產品開發成功率。

[1] 趙勇,徐誠.產品裝配設計的干涉檢查[J].機械科學與技術.1998.

[2] 林湖.發動機關鍵螺栓緊固理論與實驗研究[D].2002.

Analysis of Common Assembly Problems in Engine Design

Zhang Yang, Li Jiangnan, Li Dan

( Weichai Power Co., Ltd. Engine Technology Research Institute, Shandong Weifang 261061 )

The development process of a new engine needs to go through many steps, including engine model design stage, samples making, first prototype assembly, performance prototype assembly, road test and so on. In the stage of engine model design, design problems may lead to problems such as parts size design error, wrong choice of fasteners, narrow assembly space and poor maintainability of the engine. This paper introduces the systematic analysis and check of common assembly problems in engine design, which can effectively avoid the occurrence of engine assembly, greatly reduce the assembly cycle of the first prototype engine, and reduce the production cost waste of problem samples.

Engine assembly; Design problem checking

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.046

U466

B

1671-7988(2021)02-143-03

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張陽（1990-），男，山東大學人，本科，工程師，就職于濰柴動力股份有限公司發動機技術研究院。