发动机拆装翻转架的设计与传动分析

　随着国民经济的发展和中国制造2025 战略的实施，汽车制造业迎来了新的机遇，其中汽修行业是汽车制造业的重要组成部分。在汽修行业中，发动机的维修是一个比较重要的分支，发动机翻转架则是汽修行业中常见的辅助设备，是发动机拆装修理的最基本工具。其具有结构简单、拆装方便等特点，在减轻劳动者工作强度的同时也提高了维修效率。
由于发动机拆装翻转台架的常用性，其发展方向也更趋于人性化。可以在翻转架上设置发动机的所有辅助设施，实现发动机大修、起动、故障设置及诊断、排除等功能。考虑到发动机内部有油的问题，在翻转架底部设置油盘，克服工件、工具、油、水落地的问题，保证了文明作业和安全生产。在修理中，为了节省更多的时间，获取更多的利益，人们将会生产出更为合理操作更为方便的拆装修理工具。设计和制造出更安全、更便捷、更合理的发动机拆装翻转台架是未来发展趋势。因此，提高发动机拆装翻转架的可靠性，成为了一个不得不面对的问题。
蜗轮蜗杆是机械制造业中的一种传动方式，有效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长和传动比稳定的特点，在设计中应用蜗轮蜗杆传动灵活方便，在传动中起着关键作用；蜗轮轴承受发动机机身重量，其设计是否关键可靠是整个架台设计的核心所在。本文根据自身设计经验，运用理论和仿真手段对所设计的发动机拆装翻转架关键部位进行研究分析，验证其有效性。
1、发动机拆装翻转架的整体结构
汽车发动机翻转架是用于实现在汽车维修时发动机的翻转，便于对发动机进行360 度全方位维修操作。其主要部件是：底盘组件，立柱，箱体组件，手轮，托盘，还包括选择的涡轮蜗杆等设备。
较常见的翻转架主要性能参数为：额定负重500kg；传动结构传动比 1:60；台架高度1015mm；翻转角度360 度；锁止位置任意角度。满足技术参数及工作性能的要求；设计结构紧凑合理，满足强度、刚度、寿命以及经济型、安全性方面的要求；设计应贯彻标准化，符合国家规范要求；计算方法应该尽可能的采用最新研究成果。本次设计的翻转架的传动装置是由涡轮蜗杆组成的。该翻转架利用蜗轮蜗杆的减速原理和自锁功能。发动机重力通过翻转架壳体形成力的平衡，保证了翻转架的稳定性。
组装前严格检查并清除零件加工时残留的锐角、毛刺和异物。保证密封件装入时不被擦伤。零件在装配前必须清理和清洗干净，不得有毛刺、飞边、氧化皮、锈蚀、切屑、油污、着色剂和灰尘等。装配过程中零件不允许磕、碰、划伤和锈蚀。螺钉、螺栓和螺母紧固时，严禁打击或使用不合适的旋具和扳手。紧固后螺钉槽、螺母和螺钉、螺栓头部不得损坏。同一零件用多件螺钉（螺栓）紧固时，各螺钉（螺栓）需交叉、对称、逐步、均匀拧紧。花键装配同时接触的齿面数不少于2/3，接触率在键齿的长度和高度方向不得低于50%。如图1 所示。

图1　发动机拆装翻转架的整体结构
2、蜗轮蜗杆的基本计算
蜗轮轴外端夹持发动机等部件，设最大的发动机重量为1000kg，假设部件中心到立柱的距离为450mm，此时该蜗轮轴可以看成是外伸梁外伸的部分长度为100mm。受力分析如图2 所示

图2　蜗轮轴受力
由材料力学知识可知，蜗轮轴受力分析可简化成图示，有：
由公式：Σ = 0 y F ；
Σ = 0 A M ；
Σ = 0 B M 。
得垂直面上的支承反力：

前面计算蜗轮轴的直径时按照弯扭合成强度公式来计算的，所以其强度是一定满足条件的。
可以根据轴的扭转变形来进行校核，

3、蜗轮蜗杆传动受力和强度计算
蜗轮蜗杆传动的表面接触疲劳强度公式可由下面公式得出：


图3 蜗轮轴静态受力图和蜗轮蜗杆瞬态动力学分析图
4、有限元分析
ANSYS是一款功能强大的工程有限元分析软件，在得知工程实际参数的前提下，对零部件进行三维建模，通过定义不同的条件参数，可对零部件进行网格化，得到有限元分析结果，可根据模拟仿真的情况，有效的对实际情况进行分析和预测。
利用SOLIDWORKS 进行三维建模，在ANSYS-Workbench 中蜗轮轴承载作用下进行静力学分析。选取材料为45C，网格化分后，在连接转盘的四个螺栓孔位置加载径向力的位置加载大小为10000N，蜗轮蜗杆连接处加载1910N 的支反力。选取好固定约束面，进行应力应变和变形量的分析，如图所示，可以看出在图示位置的轴肩地方容易出现应力集中的现象，此处的最大应力为21.776Mpa，轴容易在此处产生应力集中，应尽量减少应力集中源和应力集中的程度，此处最好采用过渡圆半角R 降低应力集中。
在蜗轮蜗杆的动力学仿真中，蜗杆采用的材料为15Cr，蜗轮采用锡青铜，将装配好的图形导入进行瞬态仿真学研究，划分网格后并施加约束和接触面，这里以蜗轮为主动轮，角速度大小设置为10rad/s，设置仿真时间为1s，从图中可以看出：在运动学仿真中总位移的最大值为6.8356mm，最大应力大小为41.467Mpa，总加速度的最大值为144.31m/s2。
5、结语
通过对发动机拆装翻转架的设计，并对蜗轮轴和蜗轮蜗杆的关键部位的初步设计校核计算，然后经过有限元分析进一步验证，发现所设计的拆装翻转架的关键部位满足正常工作下的条件要求，为下一步的生产制造提供了参考依据。