发动机装配的实时在线检测.doc

|概述和起因 发动机装配质量控制的重要性不言而喻，国内外的整机和零部件生产企业、科研部门为此进行了大量的工作。研究表明，发动机的装配质量除了外协（购）件的质量控制、装配环境、工人的素质和技能之外，主要取决于装配生产系统的完备性和先进性。 某发动机总装配线一般地，发动机装配生产系统由各部件装配、总成装配和与此对应过程的各种检测和控制组成，如气缸盖装配、活塞连杆总成装配、主轴瓦检测、曲轴转动和轴向间隙检查、扭矩检测、密封检测、冷态检测等。整个装配生产系统的完备性和先进性又主要取决于装配流水线中各关键工位（控制点）的控制，这些关键工位对于最终所生产出来的发动机的质量是至关重要的。 对于装配线上关键工位的研究，在传统的发动机装配生产中，往往要等到产品全部完成之后，通过繁复的分析检测，才能反过来分析生产过程中的哪些步骤和工艺需要改进；而如何改进和改进的程度是多少，又必须通过又一轮的全新试验和生产才能得知；因此很难实现生产的实时控制，更会造成生产设备、生产时间的浪费和返工率的成倍增加。所以， 我们要做的就是如何安排合理地工序间的实时检测和如何进行有效的实时在线检测，及时地发现装配过程中的缺陷，从而降低返工率，提高装配的效率和质量。 |目前，一些国际一流汽车发动机生产企业的研究和实践表明，合理工序间的在线实时检测能够从装配过程中对最终产品的质量进行即时预测，然后加以科学反馈，实施及时有效的调整，从而以较低的时间成本、物料成本和加工成本生产出高质量的发动机产品。 在此，将主要讨论总装配线上关键工位的控制，对各分总成装配线的情况暂不分析。总装配线上关键工位的选择 通过工作实践和对发动机制造工艺的研究，发动机总装线上以下几个控制点是非常重要的。图 1 所示为某总装配线上典型的关键控制点，其中： OP10 主轴瓦是否安装和安装是否正确； OP20 曲轴和轴盖安装后曲轴是否能正常转动，曲轴的间隙是否能保持在正常的范围内； OP30 连杆轴瓦是否安装及安装是否正确； OP40 活塞型号及方向是否安装正确； OP50 活塞连杆组安装到曲轴上后曲轴是否能正常转动； OP60 短发动机的油道和水道是否存在泄漏； OP70 短发动机安装的完整性、冷态检测等； OP80 长发动机水路系统是否密封； OP90 电气系统功能是否正常。 需要说明的是，OH10、OH20 工位是缸盖分总成装配线上的内容，为缸盖气阀座密封检测和缸盖气门锁片检查工位，在此，暂不讨论。 主要检测工艺和手段 针对关键点，采用先进的检测设备可准确地判断出这些关键工序是否符合工艺要求。 1、主轴瓦检测的三种方法 在主轴档装好主轴瓦后用激光检测距离判断轴瓦是否存在，如果没有安装，检测出的距离短。 采用充气检测，可往通往曲轴油道的通路中充气，随后保持充气压力，如果没有安装轴瓦，压力会下降。 设备上安装一定高度的档杆，当工件流经该工位时，如果安装了轴瓦，轴瓦会碰到档杆，随后给传感器一个信号；如果没有安装轴瓦，档杆将不会被碰，从而传感器读不到信号，判断出轴瓦漏装。这个方法对工件和传送板定位要求较高，否则容易误报警。 2、曲轴转动和轴向间隙检查 |在曲轴轴盖螺栓安装并拧紧后，夹具套住曲轴前端，用电机驱动，转动曲轴同时采用传感器监测转动扭矩。扭矩在合格的范围（0.222.5Nm）内即为合格，否则需下线检查原因在返工，重新上线检测。 在检查扭矩后，再推动曲轴轴向运动，通过传感器检测轴向位移。当位移在合格范围（一般为 0.070.23 mm）内，判断为合格，否则可能是止推片漏装或安装不正确。 3、连杆轴瓦油孔检测 在轴瓦安装到连杆之前，先用光感检测来料轴瓦是否带有油孔，如果没有就将该轴瓦剔除掉。这样可以保证在连杆体上安装上带有油孔的轴瓦。4、活塞方向检测 活塞带有方向性，一般活塞上都带有箭头，通过摄像头读取箭头形状与标准图形进行比较从而可以判断安装的正确性。 5、活塞安装以后曲轴转动检查和振动检验 检测曲轴转动扭矩是否在正常范围内|(519Nm)，同时进行振动检测，测验噪音。如果有异响，可判断出连杆轴瓦漏装。 6、短发发动机油道水道检测 某发动机总装线上全自动油水路密封检测系统的检测工艺简单阐述如下： 油道密封性检测 采用充入压缩空气检测压降的方法，将油道和燃烧室、曲轴箱、进排气道的所有外部口全部密封，然后往其中两处充压缩空气，保持一定时间，检查压降是否在合格范围内。 水道密封性检测 同样采用充入压缩空气检测压降的方法，将水道的所有外部口全部密封，然后往其中两处充压缩空气，随后保持一定时间，检查压降是否在合格范围内。 |7、短发动机冷态试验 我们理解为当短发动机安装完后，通过采用外界动力（如电机等）倒拖，使发动机在低速不点火状态下运转。基本的参数测量如下： 通过检测进气管各缸压力、排气管各缸压力，可以检测活塞环、气阀是否安装正确。 通过检测曲轴扭矩和振动噪音，可以检测主轴瓦和连杆轴瓦是否装配正确，油路是否畅通。 通过检测凸轮轴和曲轴相位传感器的信号，可以检测正时系统是否正确。 一般来说，每种发动机的数据参数各不相同，一般需要根据对 500010000 台次左右的合格发动机定出基本参照数据线和合格偏差范围。图 5 至图 8 为几个典型的测试图（与实际测|试数据不一定一致）。 8、长发动机水路检测 在所有发动机水管安装完毕以后，将所有水路出口堵住，并往两个出口充气，在一定时间内检测气压降从而判断密封性能。 9、电气及燃油系统、点火系统检测 在安装线束和燃油系统后，安装传感器检测各线路是否通畅。 检测效果分析 通过实时的在线检测，可以在装配过程中及时发现产品的缺陷，尽可能地及时发现各种显性和隐性问题。对发现的问题进行及时解决，可以使后续产品的缺陷率大大降低。 仅通过对水道和油道的密封进行实时在线检测，在 16 周以后缺陷发生率从 15%下降到 2%左右，总体呈明显下降趋势。如果把其它检测结果综合分析，则缺陷率也呈明显下降趋势。 结论 对发动机总装线工序间合理的关键控制点进行实时在线检测，能够在装配过程中及时、准确地判断和发现缺陷所在，避免了缺陷的传递。 生产结果表明，此类实时在线检测在不长的生产周期内大幅度地降低了缺陷发生率，降低了生产成本，提高了发动机装配的效率和质量。因此，在现代化企业的规模生产和精益生产中发挥着越来越重要的作用。 此类实时在线检测技术先进、性能可靠、使用和维护方便，但价格较贵，如何寻找合理的性价比和开发国产化装备，是我们迫在眉睫的工作。为了进一步提升发动机的装配质量，相信此类实时在线检测技术将会得到越来越多的推广和应用。 先进的汽车发动机材料和新工艺现在，我们在选择汽车的时候，经常会考虑发动机的材料。我们也经常会在许多厂商的推广宣传上看到“全铝发动机”这个耀眼的字眼。为何厂商要炫耀他的全铝发动机，那不是“全铝”的发动机材料是什么？全铝发动机有什么好处呢？还有哪些新型的材料被用来制造发动机部件？这篇文章，我们就来一起讨论这个话题。 传统的发动机无论是缸体还是缸盖都是采用铸铁的，但是铸铁有着许多先天的不足，例如重量大、散热性差、摩擦系数高等等，所以，许多发动机厂商都在寻找更适合的材料制造发动机的构成部件。 轻量化材料：首先我们从材料的轻量化来讨论新型发动机材料的优势。 1、全铝缸盖和缸体 我们日常所说的全铝发动机是指缸盖和缸体都是铝合金制造的发动机。而缸盖是铝合金，缸体是铸铁的发动机，一般我们还是称作铸铁发动机。现在，全铝发动机已经在大量的车型上被采用，在国外，罗孚的 k 系列发动机，宝马的 M52 直列六缸发动机，日产的 VQ 发动机，捷豹的-AJV8 发动机、奔驰的 V6 和 V8 发动机、通用的 LS1 和北极星 V8 发动机、标致的 2 升四缸发动机和通用的新型直列四缸发动机等等都是采用铝合金制造。国内的许多小排量发动机也逐步采用全铝发动机，如国产铃木系列的发动机 G13、K14 等。甚至包括一些国产发动机也采用铝合金材质了，最著名的就是东安动力开发的 468 发动机，这款发动机被配备在哈飞路宝和昌河爱迪尔上，获得了很大的成功。 |很早以前的汽车发动机就开始大规模采用全铝缸盖了。缸盖的重量并不大，所以汽车制造商喜欢它并不是因为它重量轻，而是因为它有更好的散热性能。随着发动机技术的发展，四气阀结构成为发动机的主流设计趋势。与一起的两气阀发动机相比，每缸四气阀的气缸盖比每缸两气阀的气缸盖在工作时要产生更多的热量，采用全铝缸盖是最好的解决办法。 出于成本的考虑，气缸体采用全铝设计比气缸盖要晚得多。气缸体是发动机上最重的部分，因而使用铝合金材料可以减轻发动机的重量，从而达到减轻整车重量的目的。这一点对于前置前驱车型来说，显得尤为可贵，当然在另一方面，由于材料价格和加工工艺的区别，采用铝合金缸体的发动机会增加一些成本。 2、树脂或镁作为材料的进气管 在发动机的构成上，复杂的进气管是另外一个很重的部件。特别如今流行的更复杂的可变长度的进气管，其重量相当可观。刚开始的时候，人们采用铝合金来作为进气管的替代材料，后来许多汽车制造商开始采用具有热塑性的 66 号尼龙，或者其他耐热的可塑性材料制造进气管。因为这些复合材料的有许多优点：价钱便宜、重量轻、内臂平滑（从而空气流动好、气阻小），因此它对于汽车制造商来说是很理想的进气管材料。 |但是这些复合材料也有让人很头痛的缺陷，它很容易产生一些细小的裂纹，这种裂纹导致高速进气时会在进气管里产生令人不快的噪音，所以许多高档的豪华车都没有采用这种材料制造进气管。例如奔驰就选择了镁合金这种材料比铝更轻，尽管它比较昂贵，而且耐高温能力有限。贵不是主要问题，因为要知道，前提是装配在豪华车上，对于豪华车来说，性能的提高比成本相对来说要更重要。耐热能力有限也不要紧，因为进气管的温度并不高。镁合金是金属材质的，空气在镁合金制造的进气管内流动，要比在塑料的噪音要小的多。 也有一些车采用了非常少见的材料，例如 TVR 和法拉力 V8 采用的是一种称作凯福拉（Kevlar）的材料来制造进气管，它能获得更轻的重量，而且进气噪音与金属进气管相当。这些都是很少采用的特例，就不多讨论了。 摩擦力和运动惯性的优化：除了轻量化，新型材料在摩擦力和运动惯性方面同样具有很大的优势。1、铝活塞和钢制气缸套 发动机的响应性与发动机部件的运动惯性是分不开的，发动机的运动部件包括曲轴、活塞、连杆等。由于曲轴要求瞬间强度非常高，所以只能采用高强度钢来制造。 活塞就没有曲轴这样的局限了，在高转速发动机上，通常都是用铝合金来制造活塞。更轻的活塞重量能产生更高的发动机转速，从而能获得更大的动力输出。使用铝合金来制造活塞，成本并不是非常昂贵，主要问题是出在摩擦阻力上。在发动机运转的时候，活塞与气缸壁之间肯定会产生摩擦。而铝和铝直接的摩擦系数是很高的，它比铝和铸铁之间的摩擦系数要高得多。这样一来，如果全铝缸体配合全铝活塞，发动机运转的时候摩擦阻力就会非常大，这显然是不可取的，这也就是为何许多发动机使用铝合金活塞，但必须使用铸铁缸体的原因。但如果为了采用全铝缸体而采用铸铁活塞，那显然是更得不偿失的。 那如何解决这一矛盾呢？ 目前最主流的解决办法，就是在铝制的气缸体内镶一个钢制的气缸套，让铝合金活塞不会与铝制的气缸壁相接触。这种设计可以解决这一矛盾，当然也会增加一些成本。 这种方法在 70 年代中期首先被雪佛兰 Vega 所采用。它的发动机采用全铝设计，在铝合金的气缸体内镶上了一个铸铁的缸套，当然活塞同样也是用铝合金制造的。它的摩擦阻力比全铸铁的发动机要小得多，因此它的动力得到了很大程度的提高。不仅如此，这台发动机还能获得更轻的重量和更小的运劲惯性，改善了车子的加速性、操控性和经济性。后来，这种方法被许多配备了高转速发动机的汽车所采用。 |还有一个解决办法，就是采用增强型金属纤维气缸套（FRM）。本田在它的 NSX 3.2 升发动机上采用了这个技术。它的成本和升功率在铸铁缸体和镶缸套之间。这种解决办法，是在全铝的缸体上直接把金属纤维加热融化以后，通过特殊工艺把金属粒子渗透到气缸壁上，就仿佛在气缸壁上电镀了一层厚度只有 0.5 毫米的金属纤维。与铸铁缸体相比，它能产生更低的摩擦阻力，因而改善了转速和功率。同时，金属纤维是直接渗透到气缸缸体里的，所以它的强度非常大（相当于整个缸体的强度）。 2、钛合金连杆 钛是一种重量很轻，强度很大的材料，而且价格非常昂贵，一般只在航空领域采用。但是，这种航空材料最终还是被应用在了汽车上，不过仅限于高性能的运动轿车，因为只有这些汽车才会为了提高性能而不计成本的采用尽可能适合的材料。兰博基尼的 Diablo、法拉力的 F355 / 360 M / 550 M 、还有保时捷的 911 GT3 等都采用钛合金来制造连杆，以提高发动机的转速。 3、锻造工艺 锻造是一种非常传统的制造工艺，但是它不能在高强度和轻量化之间取得很好的平衡。在本田的 Type R 和其他高性能汽车上，经常采用锻造工艺来制造活塞、曲轴和连杆。 由于锻造需要用手工完成，因此需要花费巨大的人工成本。锻造高温的金属能让更多的矿物质渗透到金属粒子当中去，因而改善了零件的强度和耐热性，最终有利于发动机的转速提高和动力输出。同时，锻造还能改善一些部件的摩擦系数，例如采用锻造工艺制造的活塞就能更好的减小表面的摩擦系数。