十字軸萬向節軸叉裝配工裝夾具設計

李 嬌 王 震

（湖北汽車工業學院 機械工程學院，湖北 十堰 442002）

1 概述

目前市場上萬向節裝配主要靠人力手工裝配，裝配時受力不均勻，裝配質量差、精度低，質量得不到保證，導致客戶索賠率高。同時工人操作時手不能離開工件，有時致使工人手部經常受傷，不能很高效的保證工人的人身安全。為提高勞動生產率，降低生產成本，提升裝配質量，適應企業發展和滿足用戶的需要，需研發十字軸萬向節全自動裝配機。

萬向節是汽車傳動軸上的關鍵部件，為了保證輸出軸與輸入軸的瞬時角速度始終保持一致，在汽車傳動系中采用的最廣泛的是安裝在變速器輸出軸與驅動橋主減速器輸入軸之間的雙萬向節傳動軸，這類部件是由空心的軸管和兩個萬向節組成。空心軸管一端的內花鍵與萬向節花鍵軸組成了滑動花鍵副，用于傳遞長度的變化。商用載重車最常用的是十字軸式萬向節，十字軸式萬向節由突緣叉、十字軸、花鍵叉（或軸叉如圖1 所示）、軸承、孔用彈性擋圈等零部件組成。兩萬向節叉上的孔分別套在十字軸的兩對軸頸上，在十字軸軸頸和萬向節叉孔間裝有軸承，軸承外圈靠彈性擋圈完成軸向定位，阻止軸承外滑。十字軸式萬向節零件數量少，因此它的結構簡單，并且十字軸萬向節也有很高的可靠性，是汽車傳動軸的重要零件[1]。

圖1 萬向節軸叉

2 十字軸萬向節軸叉裝配工裝夾具方案設計

夾具和夾緊系統的主要任務為定義位置(位置和姿態)的工件，裝夾在機床的工作空間來維持定義位置，即使在靜態、動態機械、熱負荷的影響下，使工件依然靜止不動。夾具是保障加工系統精確一部分，其公差影響加工結果的質量。夾具設計方法的研究是現在人們熱衷的課題，特別是到智能夾具的應用[2,3]，在未來將是重中之重。在本文軸叉裝配工裝夾具設計中，如何有效并且針對性的實現對軸叉的夾取，如何在實現夾具穩定工作的同時如何保護工件在頻繁振動的情況下仍然狀態良好是必須要考慮的問題。

本設計在近距離的了解當前的手工裝配十字軸萬向節的工藝流程之后進行，設計來源于生產實際。在設計方案時，根據現場工人師傅的裝夾順序進行程序分解設計。本文十字軸萬向節軸叉裝配工裝夾具設計的靈感來自壓面機，它的固定結構就是與下圖類似，這是最普遍使用的機械壓板。所以設計思路就是在緊固螺栓位置處換成一個氣缸從上邊往下邊壓，然后在支承導軌的位置設計成一個定位支架從而可以完成軸叉的定位。

3 軸叉夾具總成系統設計

3.1 夾具系統設計

夾具總成機械系統通常是通過齒輪齒條機構、蝸輪蝸桿機構、帶傳動、鏈傳動等傳動系統傳遞動力和扭矩。機械系統一般比較直觀，零件的制造也相對簡單，設備的維修也比較簡單，負載大小的變化對整個系統的傳動比影響較小，受外界環境影響也較小[4]。

機械系統采用氣壓傳動，這是近幾十年才被廣泛應用的一種傳動方式，它是以壓縮空氣為工作介質來進行能量和信號的傳遞，以實現生產自動化用空氣做介質，取之不盡，來源方便，用后直接排放，不污染環境，不需要回氣管路，因此管路不復雜[5]。

軸叉自動推送定位機構的結構如上圖2 所示。推送支架的氣缸圖2a、軸叉支架圖2b、水平滑軌圖2c。氣缸推送支架包括軸叉的動作由PLC 控制，水平滑軌的前端有外設的感應裝置，可以及時的反饋氣缸的工作狀態。配合滑動機架上邊的豎直方向氣缸圖2d 一起完成軸叉的夾緊工作。

圖2 軸叉自動推送定位機構結構示意圖

具體的工作原理是先是由人工手動放置軸叉在下支架和下支架上邊，這兩個支架是用圓柱銷和內六角螺栓來定位的，在放置好了軸叉之后下一步就是在確定了其他工位已經準備就緒之后，手動控制氣缸打開然后軸叉在氣缸的推送下輸送到指定位置，這時候是會有外設的傳感裝置來識別軸叉的具體位置。從而在PLC 中做出判斷是否需要控制水平方向氣缸的繼續運動，在到達指定的位置之后，傳感器會同時控制水平方向氣缸和豎直方向的氣缸，水平方向的氣缸停止運動，豎直方向的氣缸在等待幾秒之后開始工作直到推送到指定位置，配合水平方向的氣缸進行夾緊。此時只是完成了軸叉的夾緊工作。在軸叉與突緣叉和十字軸完成一定的配合之后，另外的兩個水平方向的氣缸工作，使上邊的滑動支架就需要進行移動給上端的機械手騰出位置。

3.2 電機驅動下旋轉裝置的設計

在電機的作用下，等待水平位置的軸承以及卡簧安裝完畢之后，電機會帶動齒輪進行旋轉。大齒輪是焊接在中央支撐板上邊的，小齒輪與電機通過鍵槽配合，中央支撐板會在電機的驅動下沿著地板支撐架的導軌進行旋轉，在旋轉90 度之后就會實現下一工位的作用，首先是軸承的壓裝，繼而是卡簧的壓裝。由于軸承以及卡簧的壓裝都是水平方向的作用，因此在旋轉之后不需要極大的力來平衡夾具的受力。所以選擇的是齒輪減速電機。

3.3 軸叉各部位夾緊定位實現

定位夾具進行設計之前要先了解零件的具體構造。十字軸萬向節軸叉的耳部有上下兩面的斜平面，而且在軸叉后邊也就是尾部是由幾個環狀圓形組成的，因此可以在斜面上下兩個面施加壓力，在尾部添加支架通過固定階梯軸的方式來固定軸叉，這樣的情況下在軸承的壓裝過程中可能還會發生振動，因此在尾部支架固定軸叉的尾部之后，再使用另外一個支架來輔助定位，同時也是利用了尾部環狀階梯軸的多重結構，這樣可以巧妙地減輕軸叉在壓裝軸承時的振動。

軸叉下端支架的設計：軸叉的耳部下端可以設計為如圖3 所示的結構。軸叉下端的支架是一個內凹的支架板，通過沉頭孔中的內六角螺栓和滑軌底板相連，再通過三枚圓柱銷定位，在軸叉進行軸叉壓裝的過程中有比較大的切向力，所以設計為三個圓柱銷。再次觀察設計的支架1 可以很清楚的看到軸叉是水平的放置，而且如果是人工上料也不會消耗太多的時間去擺正，底部的機架已經是十分穩固的基座。不難發現在下支架2 中會同樣的有對尾部的一個周向定位，這樣可以減少振動，在下支架2 的后端有個環形凸臺，這樣做的目的是便于與氣缸結合便于氣缸的回拉帶動支架后退，實現工序的連續性。

圖3 圖支架固定形式

軸叉上端壓塊的設計：由于本次設計的過程中涉及到了軸叉的旋轉，并且在旋轉的過程中需要始終保持軸叉與機架的相對位置不發生任何變化，所以在壓塊已經壓緊軸叉的情況下，依然需要在壓塊的后端加一個周向固定的結構。壓塊的上端也是有一個環狀結構，目的與前邊的支架結構一致，與氣缸相連，便于提升和壓緊。

十字軸萬向節軸叉叉工裝夾具設計時既要使軸叉定位夾緊比較合適，又要保證軸叉機架底面上的孔位置分布均勻，還要確定十字軸萬向節軸叉工裝夾具的軸叉在夾緊狀態下可以合理地進行裝配。因此需要先保證工件定位和夾緊符合該工序的要求，設計時要通過定位元件將其所有的自由度全部限制，然后考慮夾緊問題，六個自由度都應該被限制。所以最終的軸叉夾具設計直接與其接觸的結構就是如圖4a 所示的形式。后續可在此機構的基礎上附加輔助機構來完成軸叉的移動與旋轉。

圖4 夾具定位實現

中央支撐板的設計：中央支撐板的滑軌位置由銑刀銑出，通過焊接的形式聯接在支撐板的底端。中央支撐板的設計，兩端的設計同樣是導軌的形式，是便于滑動機架的滑移。

滑動支架的設計：滑動支架設計如圖4b 所示，中間是大支架，兩側是外伸的環形鉤。下段的設計是突出的結構，是為了與中央支撐板的配合。兩端的鉤狀結構同樣是配合中央支撐板的設計。

底板支撐架的設計：在設計底板時，要嚴格考慮工作臺地板的形狀，因為地板是起到定位和支撐的作用。所以工作臺底板上面難免要有定位孔。夾具體底板和定位塊一樣，是起定位的作用。

3.4 夾具裝配總成

夾具后端是一個輸送裝置，前邊是壓緊裝置同時兼加工位置，但是并未實現旋轉的功能，因為在軸承的壓裝過程中需要與突緣叉結合，并且十字軸的安裝使夾具總成必須實現至少90 度的旋轉。本設計在近距離的了解當前的手工裝配十字軸萬向節的工藝流程之后進行，設計來源于生產實際。軸叉各部位夾緊定位設計實現之后，裝配可獲得夾具裝配總成如圖5 所示。在設計方案時，根據現場工人師傅的裝夾順序進行程序分解設計。先是工人師傅上料，手動放置軸叉，然后在后邊的氣缸支持下實現夾具的移動，將其推送至指定的位置。隨后大支架上的氣缸開始工作，滑動支架在兩側的水平氣缸的作用下滑移到軸叉的上方停止。放置壓塊配合下邊的支架進行軸叉的定位，壓塊在豎直氣缸的作用下壓緊軸叉。進行軸叉軸承壓裝的工序。壓裝完成之后，電機驅動軸叉順時針旋轉，再進行后面的壓裝卡簧的工序。

圖5 夾具裝配總成

本設計已經加工制造出來，實際實驗驗證所有夾緊功能均可實現，后期再添加一個旋轉機構就可以實現軸叉裝配總成的旋轉，實驗驗證可行。

4 結論

目前十字軸自動化裝配生產線仍處于空白，人工裝配流水線相較而言，效率較低下，產品質量不能保證，工人損傷大。自動化的工裝夾具利用機械零部/構件代替人工操作部分，能達到自動化解放多余勞動力的目的。本文設計目標是實現軸叉的自動夾緊。該夾緊系統，配合其他送料及壓裝系統一起，從而實現十字軸萬向節全的自動裝配。本設計成果能夠被廣泛應用在汽車等多領域的十字軸萬向節裝配工作中并且獲得巨大的經濟效益。