1发动机三槽气门锁夹压装机设计方案
1.1三槽气门锁夹原理
区分于发动机单槽气门，气门杆顶部带有三道锁夹槽的气门称为三槽气门，对应带有三道突起环带锁紧气门的锁夹称为三槽气门锁夹。锁夹一般对称分成两半，环抱在气门杆的锁夹槽部位，气门锁夹的内表面有三个凸起的环带，环带与气门杆顶部的三个锁夹槽匹配并留有间隙，两片气门锁夹对合抱紧后，气门在气门锁夹内可以自由转动。气门锁夹的外侧面为圆锥面，与气门弹簧座内孔的锥面配合，通过气门弹簧将气门弹簧座与气门锁夹压紧。气门下部的盘形锥面与镶嵌在缸盖上的气门座圈的锥面配合，形成密封环带。该结构使得气门头部圆周温度均匀，并防止气门与座圈偏磨，从而保证了气门的密封性。同时由于气门缓慢旋转，在气门密封锥面上产生的轻微摩擦力，有自清洁作用，可防止积炭的形成，保证了发动机的性能良好。
1.2锁夹压装机总体设计方案
三槽气门锁夹因不能使用机械式直压入槽，而必须采用锁夹到位后对合抱紧入槽，使其压装设备必须具备保持锁夹、移动找位、精确对槽等复杂特性，适用于不同机型气门位置、不同气门尺寸的兼容性。锁夹压装机的设计的关键在与压装机构的精度、上料系统的稳定性和换型策略的选择。根据发动机生产线需求和机械设备实用性要求，提出了三槽锁夹压装机结构设计方案。压装过程大致为：发动机缸盖通过辊道进入工位后，顶升翻转机构将其定位、升起、翻转至对应气门垂直处，锁夹与座圈通过上料系统送至压装台，压装台下降进行锁夹压装。为保持压装稳定性，设备主体应有配重机构进行平衡。
2机械结构设计
2.1压装台设计
锁夹压装台作为整台设备中最关键的机构，其难点在于压装头设计加工的精密程度以及如何兼容现阶段各种型号的发动机。三槽气门锁夹结构精细，高度只有5mm，使压头在取料和压装时需保持极高的精准度。在三槽锁夹的装配过程中，所谓“压装”，并非机械直压入槽的传统方式，而是需要压头抓持住锁夹，将气门弹簧下压至气门三道槽位置，锁夹对合抱紧。现阶段压头抓持锁夹的方案大致分为两种：磁力吸附和真空吸附，但由于电磁铁易使锁夹磁化影响装配精度，故一般使用真空吸附方式。压头内有座圈吸附通道和锁夹吸附通道，上料系统将座圈送至压头下方，锁夹送至压头夹爪，由真空吸附系统抓持，再进行下一步压装。所设计的锁夹压装台利用多层级直线运动系统实现柔性化，其换型变距机构由伺服电机、丝杠、导轨、滑块、支撑部件、压头等部件组成，四个锁夹压头通过两个伺服电机控制变距（2#压头作为初基准固定在板上，1#与3#压头通过螺母副与反向丝杠相连在变距导轨上滑动，即1#与3#以2#为中心可进行对称变距，4#压头由单独的伺服系统控制。压装四缸机不同气门间距机型时通过变距伺服调整压头间距完成，压装三缸机时4#压头通过变距伺服移至与机构无干涉的一端完成。该结构设计简单，可在单台设备上兼容不同机型甚至不同缸数的缸盖进行压装，便于实现产品更新换代加工，且能降低在不同机型之间加工时的换型损失。
2.2上料系统设计
该设备上料系统需要配送两种物料，弹簧座圈和气门锁夹。所设计的锁夹上料系统由振动盘料斗、锁夹料轨、分料机构、锁夹料管组成。选用的旋转式压电振动盘，由顶盘、压电双晶片、主振弹簧片、底座和橡胶支撑脚等组成。工作时在压电双晶片上施加交流电压使之弯曲振动，倾斜的弹簧片带动料斗绕其垂直轴做扭摆振动，料斗内零件由于受到这种振动而沿螺旋轨道上升，在上升的过程中经过一系列轨道的筛选或者姿态变化，零件能够按照组装或者加工的要求呈统一状态，其工作目的是通过振动将无序工件自动有序定向排列整齐、准确地输送到压装头。锁夹在振动盘中通过排序，从料轨进入分料机构，通过分料气缸带动分料盘两次取料，由吹气口的压缩空气将8片锁夹吹入压头内。所设计的座圈上料系统为半自动机构，其方案是：操作工将弹簧座圈放置在上料小托盘上，由直线无杆气缸带动小托盘运动到压头正下方，压头下降将座圈吸附在底部，随后进行压装动作。
2.3其他机构设计
作为承重主体，设备底座及立柱需通过第四强度理论建立ANSYS有限元分析模型进行强度校核，结构优化后确认最终设计方案。由于压装台重量大概在450kg左右，一般伺服驱动需要很大的扭矩，造成不必要的浪费，故增加配重系统使压装台接衡，减小伺服驱动所需的扭矩，节省制造成本。顶升翻转机构是工件的核心定位机构，顶升行程一般可用电机凸轮、气缸导杆、气缸杠杆等机构实现，但为保证结构精度，该设备选用了气缸加双导轨的形式：顶升高度通过硬限位和气缸调节，为保证顶升平稳，并在两边设有直线导轨导向，在举升板上设计有左右两个托盘定位销，当顶升板随气缸上升时，带锥度定位销插入缸盖托盘销孔中（缸盖精确定位），在顶升板上还设计有16个与缸盖气门孔对应的环形顶块，以确保气门杆定位精确。翻转行程选择了兼容性更好的伺服电机翻转，而不是结构更为简单的气缸加限位翻转，为后续新增机型奠定改造基础。通过运用UG平台进行的参数化建模、虚拟装配、运动学和动力学仿真分析，进行优化设计后最终确定了各机构的设计方案。
3制造、安调及应用
三维设计完成后，运用AutoCAD对需机械加工的非标准件进行二维图设计，再按图纸进行零部件制造加工，其过程要充分考虑材料特性、表面处理、加工精度、配合尺寸等工艺要求。该设备非标准件共102种，300余件，尺寸较大的如立柱、压装台，需要使用大型加工中心来进行加工；尺寸较小的如压头，则是通过精密加工和特种加工来保证精度。零部件装配过程需按照图纸装配要求进行，正确使用激光干涉仪、高精水平仪、跳动测量仪等工具可以保证装配精度。机械部分及电气系统安装完成后，接上发动机缸盖辊道试运行，进行参数调试，压装500台成功率达到98%以上，即可投入现场使用。
4结束语
本文对发动机三槽气门锁夹压装机进行了机械设计开发，通过运用数字化虚拟平台，分析模拟得到最优化设计方案，经设备建造投入现场使用。该设备的成功使用表明，计算机辅助设计这种简单、快速、可靠的设计方法，有效的提高了工作效率，缩短了设计周期，在发动机装配设备开发领域有一定的参考价值。
作者：陆丹阳 单位：上汽通用五菱汽车股份有限公司
