汽车与发动机缸体气密检测机(辅机)的设计

天津理工大学2013届本科毕业设计说明书第一章 发动机气密性研究的背景1.1 前言我国汽车产业在近几年内飞速发展，2012年我国汽车产销双双突破1900万辆，再次 突破记录，增速超过了 4%连续四年蝉联世界第一。但是，目前我国的先进汽车制造技 术还处于起步阶段，为了跟上产量和市场需求，国内汽车生产商不得不大量采购生产精 度高，自动化程度大的国外设备，然而这些设备购置费用较高，而国内的设备产生的次 品率又很高。所以部分国内厂家已经开始了相关设备的研制，并取得了一些成绩，但由 于技术力量不足，所开发的设备生产精度低、自动化程度较小，有些项目的测试只能用 手动操作，准确率较低，而且检测项目较少，与国外的产品相比缺乏竞争力，更无法替 代进口产品1o本课题研究的内容是一台对发动机壳体气密检测的自动化设备。主要用于汽车发动 机壳体压铸过程中可能会产生的缺陷进行在线检测。检测手段采用正压法检漏，通过对 被测工件充气加压以空气作为介质，然后对其压力，压差或流量（与比较容积间）进行抽样 分析，从而判断工件是否泄漏，此方法结构简单、监测方便、快捷、清洁、准确、成本低、 自动化程度高，深受人们关注。根据中国汽车工业协会公布，2011年中国本土累计生产汽车1841.89万辆，再次刷 新了全球历史记录。鉴于发动机还得满足维修市场的需要，那么中国去年发动机的生产 量接近2000万台。目前，汽车发动机壳体采用压铸铝生产工艺制造，对于压铸过程中产 生的缺陷采用在线正压气密检测工艺，可以避免后续不必要的加工造成的浪费。1.2 关于汽车发动机的概述1.2.1 汽车发动机的历史汽车中最重要的那就是发动机了，可以说如果没有发动机，那就不会有汽车。发动 机的进步决定了汽车行业的进步。汽车的心脏必然是发动机，发动机为汽车的行驶提供了动力，发动机的性能决定了 汽车的动力性能、经济性能以及环保性能。简单的来说发动机就是一个能量转换器，也 就是将汽油（柴油）燃烧从而产生热能，在密封气缸内燃烧，这样气缸内的气体会发生膨 胀，从而推动活塞做功，将热能转化为机械能，这是发动机工作的基本原理2。发动机的 全部构成结构都是为进行更好的能量转换所服务的，虽然发动机跟随者汽车的发展，已 经有了 100多年的历史，因此发动机无论是在设计、制造、工艺、性能还是制造控制上， 都有长足的进步与提高，但是其基本原理仍然保持不变。这是一个富于创造的年代，众 多发动机设计工程师们，不断地将最新科技运用到发动机的生产制造上，把发动机变成 了一个复杂的、机电一体化的高端技术产品，使发动机性能不断突破与提高，世界各著 名汽车生产厂商也将发动机的性能作为相互竞争的亮点。所以可以说发动机的发展史也就是是汽车工业的发展史。而发动机的发展也经历了 无数代人的努力，融合了无数人的智慧与汗水。发动机是汽车的动力源泉。汽车发动机大多数都是热能动力相互转化装置，可以简 称卫热力机。热力机是借助在工质的状态变化下，将燃料进行燃烧从而产生的热能转变 为机械能的机器。1.2.2 汽车发动机的特点1 .按结构分类一台汽车发动机一般都会具有3个以上的气缸，对于汽车发动机主要的分类方式， 我们一般是根据气缸的布局及其排列方式来划分的。一般的有直列、V型、W型以及水平对置等几种结构。(1)直列发动机：它的所有气缸都按照同一角度肩并肩排成一个平面，它的优点是缸体和曲轴的组成结构十分的简单，而且只需要使用一个气缸盖，不仅制造成本较低，而 且尺寸紧凑。直列发动机具有稳定性高、低速扭矩特性好并且燃料消耗少等优点，但缺 点就是功率较低，并且不太适合被 6缸以上的发动机采用。直列发动机在国产汽车中应用非常广泛，几乎所有中档以下的国产汽车以及采用四 缸发动机的车型，都是采用直列发动机3。(2)V型发动机：将所有气缸分成了两组，把相邻气缸以一定的夹角来布置在一起， 使两组气缸形成一个夹角的平面，从侧面看上去，气缸呈 V字形，所以称V型发动机。V型发动机的高度以及长度的尺寸都较小，在汽车生产中，组装布置起来较为方便。 尤其是韩国的现代汽车，具比较重视空气动力学在汽车中的应用，所以要求汽车迎风面 是越小越好，因此也就要求发动机盖需要越低越好。另外，如果将发动机的长度缩短， 也就能留出更大的驾乘空间。由于气缸之间采用相互错开布置的设计，这有利于通过扩 大气缸直径来提高排量和功率，适合于较高的气缸数。止匕外，V型发动机气缸是对向布置， 这样可抵消一部分振动，使发动机运转得更加平顺。V型发动机的缺点则是必须使用两个气缸缸盖，并且结构较为复杂且成本较高。另外 其宽度加大后导致发动机两侧空间变小，对安排其它装置造成一定的影响。(3)W型发动机：它是德国大众专属的发动机技术，具是将 V型发动机的每侧气缸， 在原来的基础上面，再进行小角度的错开(如帕萨特W8的小角度为15度)，造就了 W型 发动机。或者可以说 W型发动机的气缸排列形式，是由两个小 V形组成一个大V形。严 格的来说W型发动机还应该是属于V型发动机的变种。W型和V型发动机相比，W型可将发动机做得更短一些，曲轴也相对来说短一些，这 样就能节省发动机在汽车中所占的空间，同时重量也会降低，但它的宽度会变得更大， 使得发动机室更满。W型发动机目前最大的问题是，发动机被由一个整体分割成为了两个部分， 运作时必 然会产生很大的振动。面对这一问题，大众在 W型发动机上面设计了两个反向转动的平 衡轴，从而使两个部分的振动在内部得以相互抵消。(4)水平对置发动机：如果将直列发动机看成是夹角为0度的V型发动机，那么当两 排气缸的夹角扩大到180度，气缸水平对置排列，这就是水平对置发动机。水平对置发动机的最大的优点就是重心低。由于它的气缸是“平放”的，因此降低 了汽车的重心，所以能将车头设计得又扁又低。这些因素都能够增强汽车行驶的稳定性。 此外，水平对置的汽缸布局是一种对称稳定结构，这使得发动机的运转平顺性比V型发动机更好，运行时的功率损耗也是最小。(5)转子发动机：传统的汽车发动机都是通过气缸内的活塞的往复运动，最终来驱动 汽车前进，发动机及其气缸本身相对来说都是不动的，而转子发动机则是一种三角活塞 旋转式的发动机，它利用三角转子旋转运动的原理来控制压缩和排放。转子发动机的优 点也十分的明显，它不仅尺寸小，重量轻，功率大，而且振动和噪声都极低。但是由于 转子技术较为复杂，导致其制造成本极其昂贵，耐用性也远低于传统发动机。2 .按发动机布局分类按照发动机在汽车车身上面的布局，还可以大致分成三种：前置发动机、中置发动 机以及后置发动机。目前在国内汽车市场上所能看到的绝大部分的车型，都是采用的前置发动机，即发 动机位于车前轮轴的前面。前置发动机的优点在于其简化了汽车变速器和驱动桥的结构， 特别是对于目前在市面上占绝对主流地位的前轮驱动车型来说，发动机是将动力直接输 送到前轮上面，省略了传动轴，这样的设计不但减少功率传递过程中的损耗，并且还大 大降低动力传动机构的复杂性以及故障率。将发动机放置在汽车车身前部，当发生正面 撞击时，发动机可以减少驾驶员受到的正面冲击，从而提高车辆的安全性4。与前置发动机对应的就是后置发动机了，后置发动机对应一些后轮驱动的大马力车 型，典型车型是保时捷911系列跑车。止匕外，还有一种布局便是中置发动机，即发动机位于汽车的前后轮轴之间，一些极 端追求性能的汽车发烧友而言，发动机中置是一种最理想的发动机放置方式，因为发动 机的正好位于汽车的重心附近，这样发动机的重量就不会过于集中在车头或车尾，从而 达到最佳的配重比，这将大大提高汽车的操控性以及行驶稳定性。包括法拉利、兰博基 尼等在内的很多款经典跑车，都采用的是中置发动机的布局 。3 .按燃料分类按所使用的燃料来进行划分，汽车发动机可分为汽油机和柴油机两大类。汽油与柴油的不同在于，汽油沸点低、容易发生气化，汽油发动机通过利用气缸压缩，使吸入的汽油发生气化，并与缸内的空气相互混合，从而形成可燃性的混合气体， 最后由火花塞放电打火，点燃混合气体，推动气缸活塞来作功；柴油的特点是柴油的自 燃温度较低，所以柴油发动机不需要火花塞这样的点火装置，它利用压缩空气来提高气 缸内的空气温度，使温度超过柴油的自燃极限。这时，再喷入柴油，使柴油喷雾和空气 相互混合，同时产生自燃。两种发动机相互比较来说，一般情况下，由于汽油发动机需 要对汽油的喷入量、喷入时间及点火时间控制得非常准确，因此结构上往往会比柴油机 更加的复杂和精密一些，而柴油机由于气缸的压力远远大于汽油机的气缸压力，因而柴 油机对发动机材料的结构强度和刚度的要求更高一些。从性能角度上说，汽油发动机的长处在于，当发动机处于最大功率和转速高时，发 动机能保持运转安静平顺，并且排放低。而柴油发动机的优点则在于燃料燃烧效率高、 油耗较低，当处在低转速扭矩时，最大扭矩远远超过汽油机。这些区别体现在驾驶感受 上的话，驾乘人员会发现使用柴油机的汽车起步十分的迅速，在山路及坡道上仍能保持 良好的动力输出，然而在加速性以及最高车速方面，又会逊于相同档次的汽油机。国内 传统的柴油机一直给人的印象就是体积笨重、振动噪声大和排放污染严重等，因此国产 汽车一般都采用汽油发动机。随着近年来经济以及技术的发展，国外知名制造商开始将 一些最新的柴油机制造技术引入中国，技术的提高，大大改善了国人对柴油机的传统看 法。一汽大众前不久推出了一款采用 TDI柴油发动机的宝来汽车，具环保性、动力性以 及高速性方面都不逊于汽油机，同时又具有柴油机特有的特性，市场前景十分看好。1.2.3汽车发动机的构成发动机是一个由很多机构以及系统相互配合组成的复杂机器（如图1.1 ）。无论是汽油机还是柴油机；无论是四行程发动机还是二行程发动机；无论是单缸发动机还是多缸 发动机。都必须要具备以下机构和系统，才能完成能量转换，实现工作循环，并且保证 长时间的连续正常工作60图1.1汽车发动机示意图Fig.1.1 Schematic diagram of automobile engine1 .曲柄连杆机构发动机实现工作循环，并且完成能量之间相互转换的主要运动部件是曲柄连杆机构 （如图1.2）。曲柄连杆机构是由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等构成的。 在做工的行 程中，活塞需要承受巨大的燃气压力才能在气缸里作直线运动，通过连杆的转换，使曲 轴来做旋转运动，并利用曲轴对外输出动力。而气缸在进气、压缩空气和排气的过程中， 飞轮释放出能量并且把曲轴的旋转运动转化成为了活塞的直线运动。图1.2发动机曲柄连杆机构Fig.1.2 Engine crank and connecting rod mechanism2 .配气机构发动机配气机构（如图1.3）的作用是依据发动机的工作顺序和过程，来定时的开启和定时的关闭进气门以及排气门，使可燃性的混合气体或者空气进入气缸，并使燃烧产 生的废气从气缸里排出，达到换气的目的。配气机构一般都采用顶置气门式配气机构， 一般是由气门组、气门传动组和气门驱动组等构成。图1.3发动机配气机构Fig.1.3 Engine valve mechanism3 .燃料供给系统发动机燃料供给系统（如图1.4）的功用是根据各个型号的发动机的具体要求， 配制 出符合要求数量和浓度的混合气，压入气缸中，并将燃烧后产生的废气从气缸内排出； 柴油机的燃料供给系统是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧， 最后将燃烧后的废气排出。图1.4发动机燃料供给系统Fig.1.4 Engine fuel supply system4 .润滑系统发动机润滑系统（如图1.5）的功用是润滑相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑 油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。 润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。图1.5发动机润滑系统Fig.1.5 Engine lubrication system5 .冷却系统发动机冷却系统（如图1.6）的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风 扇、水箱、节温器等组成。一“ g小代丰之索图1.6发动机冷却系统Fig.1.6 Engine cooling system6 .点火系统在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装 有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备 称为点火系统（如图1.7）,点火系统通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花 塞等组成7。点火星统汽年之原 AUTDHOME. COM. CN图1.7发动机点火系统Fig.1.7 Engine ignition system7 .起动系统要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞 作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动 机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机 开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发 动机的起动系统（如图1.8）。图1.8发动机起动系统Fig.1.8 Engine starting system汽油机由以上两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给 系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；柴油机由以上两大机构和四大系统组成， 即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是 压燃的，不需要点火系。1.3关于气密检测的概述1.3.1 气密检测的重要性气密性检测是衡量许多工业产品密封性能的重要手段，如在汽车、空调、冰箱、燃 气具、医疗器具等许多行业中都需要对相关产品的密封部件进行气密性（或密封性）检测,其检测结果是衡量产品质量的关键指标之一，特别在航空工业，气密性检测是一项重要 而频繁使用的方法。发动机的气密性是发动机压缩系统工作性能好坏的综合指标。气密性越好，转速也 就越高，扭矩也会越大。气密性差的发动机不仅功率小，而且还会因吸油性能差等原因 造成工作不稳定，出现难以调整以及容易停车等现象。在工厂生产中，发动机因气密性 差造成的报废率比较高，发动机气密性检测已成为自动生产线上一个不可缺少的重要环 节。因此，汽车发动机缸体气密性检测是生产实践中的重要一步。1.3.2 气密检测的发展当前国内企业对于产品气密性检测多数采用的还是水泡法，这种方式较为落后，甚 至只能目测而无法定量表达，从而直接影响到产品的质量性能。近几年，随着微电子技 术和气动技术的不断发展，气密检测方法也得到了很大的改善，因此自动定量测量被测 对象的气密性将成为一种发展趋势。目前，在国内的航空工业中还没有抛弃原有的水泡 法，且多数研究机构在航空领域中并没有研制出超前的自动气密检测设备；国外也只有日本、美国、西欧等少数发达国家才有相关仪器，但价格十分昂贵。例如国内仅汽车行业 每年因急需此类仪器而不得不花费数千万元进口。为改变这一现状，我们根据当前工业 产品的实际检测要求，采用日本欧姆龙公司 PLC和国外大公司出产的高精度压差传感器 为核心部件，通过独特的气路结构设计，利用PLC控制检测仪硬部件，并与上位机控制软件相互通信，成功地研制出 HP0610型气密检测仪。1.3.3 关于气密检测机的简介气密性测试机又名气密性检测实验机，是一种广泛应用于水龙头腔体、汽车缸体、 活塞腔体、弯管腔体、压力表、储气罐等各种密封件气密性测试的设备，可以作为生产 型批量测试用，也可以作为抽检或实验室用。按使用场合分，可分为生产车间用气密性测试机和实验室用气密性测试机，如意德 西iTC-Q-1-04型气密性测试机或iTC-S-1-03型气测水试机。实验室用气密性测试机，如诺 荣气密性检漏仪。按测试对象分，可分为水龙头气密性测试机、管件气密性测试机、储气罐气密性测 试机等等。按测试媒介分，可分为水测型气密性测试机、气测型气密性测试机。1 .水测型气密性测试机水测型气密性测试机利用水流对气密性进行检测，优点是设备简单，成本低廉，无 需团队配合。缺点是工人目测，人为误判可能性大，产品质量不稳定，遗留水渍容易侵 蚀包装，因增加除水步骤而效率相对较低。2 .气测型气密性测试机气测型气密性测试机利用气体对气密性进行检测，优点是气测精密度高，因无需除 水而效率相对较高，包装简便，产品质量可靠，机械化程度高。缺点是设备复杂，维护 相对较难，成本较高，需要团队配合。1.3.4 气密性检测分类及工作原理以干燥空气为介质的泄漏测试，是基于被测容腔内空气流失所产生的物理效应，即 通过对压力变化或流的测量来实现对泄漏量的检测泄漏检测一般分为压检测法和流量检 测法两大类。1 .压力测量法在工业泄漏测试中，压力测量法是最常见的方法，在测试腔较小的情况下，可检测到0.Icc/min 或更小的泄漏率以具体的实现方式来区分，压力测量法还可分为压力降测 量和压力升测量压力降测量是向被测件充以正压，然后测量其压力下降幅度；而压力升 测量则与之相反，将被测腔抽真空后测量压力上升幅度压力降测量实现起来最简单，因 而最常用压力升测量受温度变化密封装置和工件容积不稳定的影响小于压力降测量，在 正压状态下工作时，压力升测量可以没有平衡阶段，并且使用的测试压力不受测量元件 的测量范围限制。(1)绝对压力法绝对压力法是最传统的泄漏检测方法，被测气体如有泄露，必然造成容器内气体的 流失，使容器内原有的气压减低，通过测量容器内气体压力降低情况就可以根据气体状 态方程推导出实际容器泄漏的气体量，以达到检测气体泄漏量的目的。具特点是结构紧 凑，仪器自身容积小、测量范围宽，缺点是检测精度取决于绝对压力检测的精度，测量 系统的分辨率取决于使用的测试压力。在被测工件容积较大泄漏量很小时，检测时间较 长，难以满足大批量高效率生产需要。(2)差压法差压法的测量原理是在测试系统中并联一个与被测试工件容积相同的零泄漏量参考 件，充气到相同的测试压力后断开气源，通过测量被测工件与参考件之间压力差方法， 推导出被测工件的泄漏量由于只需要检测工件与参考件之间的压力差，所以系统分辨率 与使用的检测压力无关，降低了对检测仪器分辨率的要求，在采用较高的检测压力时(测试压力可以高达)可以检测到很小的泄漏量8。无论是绝对压力法还是差压法，其检测的根本原理是通过检测被测工件的压力变化 来计算气体的泄漏量。因此当被测工件的容积很大而泄漏率又很低时，反映出来的压力 变化是很缓慢的，不可避免地带来检测节拍较长的弊端。2 .流量测量法为了解决压力法测量信号随着测试容积的增大而减小的问题，流量测量法应运而生。其基本工作原理是向被测工件容腔充人额定压力的测试气体介质，达到压力平衡后，通 过精密的气体流量计向被测容腔中连续补充测试气体介质，保持其压力不变并测量单位 时间内补充的气体量，即为泄漏率流量测量的信号与测试容积无关，而是直接反映泄漏 率的大小。因此在被测腔容积较大时可显著缩短测量时间。(1)质量流量法利用流动气体传热传质的依存关系可以精密测量通过流量传感器气体介质的质量流 量，直接获得工件泄漏率。其最大特点是，由于直接测量出工件的泄漏率，而不需要知 道被测对象的确切容积，使得测量节拍最大限度地缩短。缺点是其核心技术质量流量传 感器对测量精度起决定性作用，设备投入成本较高。9天津理工大学2013届本科毕业设计说明书（2）体积流量法体积流量法测量原理与质量流量法类似，其核心部分是利用差压传感器（即层流管 式流量计）作为测量元件，通过检测稳定流动状态下，通过节流元件产生的压力差值测 得流过节流元件的体积流量，一般不用于泄漏检测而只用于流量监控。1.3.5 影响气密性检测的主要因素由于发动机泄漏测试是基于流体力学理论，其测试介质为压缩空气，温度、被测工 件容积测试压力的非正常变化都会对测试结果的精度产生较大影响。另外，由于零件的 泄漏微孔一般在10m级，湿度过大常常会造成微孔堵塞，因此湿度也是重要的影响因素 之一。1 .温度的影响由于工件在检测前一般要经过加热清洗，会导致工件温度高于环境温度，测量期间 温度变化导致被测腔内压力变化。通常工件温度高于环境温度会导致测量值高于实际值.充气阶段通过被测腔的表面会很快将工件热量传递给测试空气，导致被测腔压力上 升，充入空气量减少；在测量阶段，又由于工件温度降低导致被测腔压力降低，致使测 量值大于实际泄漏值。应尽量延长加热清洗到测试工位的等温时间以减小温差，但实际生产过程中由于生 产节拍和在制品数量的限制，不可能过于延长等温时间。因此温差难以避免工件表面积 大，内腔容积小，材料的导热性好，测试时间长。温度的影响显著通常由于测试时间较 短，温度的影响不会十分显著，若影响过大必须考虑采用温度补偿的方法加以修正。温度补偿一般有两种基本方法：压力法一般采用移动阖值法，即将无温度影响的合 格线向上平移，移动的距离称为闭值（通过实验和经验确定），减少误判率。2 .被测容积稳定性影响测量期间容积的增大或缩小会导致被测腔内压力的变化，其主要原因一般与测试设 备的机械稳定性有关，如机床振动使得封堵板的位置改变导致封堵力不稳定；封堵橡胶 较软，无限位机构在测量阶段被挤入被测腔；被测件容积本身不稳定，如被测件由于充 入压力气体发生弹性变形等。3 .湿度的影响通常会补偿泄漏，使实际测出的泄漏率变小。主要原因是工件在清洗机出口未完全 吹干，被测腔内残余加工液很冷的工件进入较潮热的环境产生冷凝水，工件在生产过程 中被注人液体。 例如，从冷测试台下来的维修后的发动机，其油腔内仍有润滑油等。湿 度的影响存在较大的风险，因为它会将一个不合格件判为合格件。4 .夹具系统自身的影响测量气路系统由试漏仪内部的测量气路，从试漏仪到封堵夹具的气路、封堵夹具封 堵头和被测工件等共同组成。除工件以外，其他在测试过程中与被测腔联通的气路一旦 存在泄漏，必然会对测量结果产生影响，而且这些泄漏大部分无法被查找到。第二章方案设计2.1 气密检测机的方案设计2.1.1 QM10021全自动气密检测设备开发需求发动机气缸缸体的造价成本较高，生产工序较多，并且发动机的质量与性能直接决 定了采用这款发动机的汽车的销量与售价。本设备检测的是四缸发动机压铸铝壳体（如 图2.1）,此壳体对于发动机的质量起着至关重要的作用。图2.1四缸发动机压铸铝壳体Fig.2.1 Four cylinder engine die-casting aluminum shell该缸体的结构特点主要有两方面：1 .结构特殊一般发动机采用气缸体与曲轴箱铸成一体的整体结构，简称缸体。该汽车发动机缸 体由气缸体、下缸体两个零件组成，需要进行气缸体、下缸体单体粗加工后，冉合缸进 行气缸体组件上曲轴孔、气缸孔及两端头定位销孔的精加工。2 .尺寸多，精度要求高缸体是发动机的重要组件，各面均有装配要求。各加工面平面度、平行度及垂直度 要求严格，所有加工面平面度要求为 0.03mm。气缸孔径、圆度、圆柱度，曲轴孔孔径、 圆度、圆柱度及各定位销孔的位置精度等要求高，均不大于0.02mm9。为确保生产线加工进度，如何安排检测工作是必须事先考虑的。一般来讲，在生产 线上加工的单一产品经首件检测尺寸合格后，在工艺系统任何一个环节未发生改变时， 后续加工的产品质量是有保障的，尤其是数控加工的产品一致性好。所以，一般精度的 尺寸无需每件检验，但对于缸体气缸孔孔径尺寸及曲轴孔孔径等关键尺寸，每件产品加 工完成后必须进行检验。必须要注意的是，在曲轴孔镇加工完成后，在孔口毛刺未去净的情况下，用金属同 轴度检验心棒硬塞检验曲轴孔，这样做会把毛刺带入到已加工孔孔壁面，会对曲轴孔孔 径尺寸及孔壁表面质量造成影响。发动机缸体生产线上加工的气缸体、下缸体及气缸体 组件，可按以下原则进行检验：气缸体与下缸体分体加工时尺寸一般为一般精度尺寸， 每班只要求检验人员检测首件，后续加工可免检，但加工者应适当进行抽检，专职检验 人员应适度进行抽验与巡检；气缸体组件每班首件加工完成后应送三坐标机进行检验， 后续加工件的产品除气缸孔孔径与曲轴孔孔径必须全检外，其余尺寸只需要进行抽检或 巡检，这样可大大节省检验时间。2.1.2 QM10021全自动气密检测设备总图及说明从汽车工业发展的情况来看，汽车发动机的自动化装配程度，在一定程度上限制了 汽车的自动化生产水平。因此，提高汽车发动机的自动装配生产线水准，是目前我们势必 解决的重要难题。无论国内还是国外，总装配线都需要有高架输送和地面输送两种最基本 的型式。其中，高架线一般包括积放式悬挂输送机系统、普通悬挂输送机和高架轨道小 车。地面线一般包括滑撬式输送系统、地面单链牵引轨道小车、地面板链带随行支架、 地面板式输送带等类型。目前，在国内发动机工业迅猛发展的过程中，由于铸件（缸体）及其加工质量因素 造成三漏（漏气、漏水、漏油）严重，到总装试车才发现而报废，既浪费时间也浪费资 源。一般废品率为5 %1 0%,有的甚至高达2 5%,导致生产成本提高，产量下降。 为降低成本，提高质量，拓宽销路，创造更加有利的条件。我们课题组参照国外先进气 密检测技术，成功研制了 QM10021全自动发动机缸体气密检测设备。 解决了缸体油道孔 系封堵的最后难关，可用于生产线上工序间或最终检测其气密性能。为合理控制整机成本，分析铸件及加工质量提供了可靠的数据，节约了后续工序加工及总装试车泄漏后的 拆卸导致的一系列的费用，为企业的生产和发展创造了更为有利的条件。QM1002企自动气密检测设备总图（如图 2.2）IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII图2.2 QM10021全自动气密检测设备总图Fig.2.2 Automatic gas detection equipment layout1.QM10021.012.QM10021.023.QM10021.034.QM10021.045.QM10021.056.QM10021.067.QM10021.078.QM10021.089. QM10021.09EG系列缸体检测线上料机EG系列缸体油路自动试漏机EG系列缸体检测线自动剔料机EG系列缸体曲轴室自动试漏机EG系列缸体水路自动试漏机EG系列缸体检测线下料机EG系列缸体检测线输送架EG系列缸体检测线电气柜EG系列检测线气罐2.2在线检测工艺流程图图2.3在线监测工艺流程图Fig.2.3 Online monitoring of process flow diagram缸体从上道工序进行加工成型后，通过自动送料机来到本在线检测线（如图2.3）上面 首先通过主机，将缸体上面的其他的空全部堵住，只留下气道的孔。利用充气机往里面 充气，通过油道里面气压的数值来看油道是否有漏气的情况10。如果在规定时间内的气压值的变化超过了公差范围，生产线会提示剔料机，当问题缸体运行到第一工位和第二 工位之间的剔料机的时候。剔料机的转盘通过下方的连杆，利用气动原理的作用，将转 盘旋转9 0度，通过推动气缸，将缸体推送到另一条运输线。如果没有问题，将通过剔 料机到达第二工位，进行水道的检测。水道检测的方法和气道大致相同，堵住除水道以 外的所有的孔，然后往水道里面充气，通过检测气压是否符合要求，来判定水道是否符 合标准。如果缸体水道不符合标准，通过剔料机时将和上一剔料机遇到不达标的缸体一 样，将缸体推离检测线。如果符合标准，将沿着检测线顺利通过剔料机，到达第三工位， 来检测油道。同样的原理，我们将除油道以外的孔全部堵住，然后往油道里面充气，通 过检测气压是否符合要求，来判断油道是否符合标准。如果缸体油道不符合标准，通过 剔料机时将和上一剔料机遇到不达标的缸体一样，将缸体推离检测线。如果符合标准， 将沿着检测线顺利通过剔料机，进入下道工序。第一工位进料区的进料传感器检测到工件一启动进料传动电机一（第一工位测试区 处于原位置状态时）进料阻挡放行一进料区的进料等待传感器检测到工件一启动中间传 动电机及到位阻挡器一工件送至测试区一测试区到位检测同时工件识别传感器识别工件 一工件与夹具匹配及工件正确一进入第一工位的气密测试阶段一检测结束后一工件合格 执行打标一测试区气缸归原位后启动中间传动电机及剔料传动电机工件送出测试区至下 一工位一一一第二工位进料传感器检测到工件一启动中间传动电机及到位阻挡器一工件15天津理工大学2013届本科毕业设计说明书送至测试区一测试区到位检测同时工件识别传感器识别工件一工件与夹具匹配及工件正 确一进入第二工位的气密测试阶段一检测结束后一工件合格执行打标一测试区气缸归原 位后启动中间传动电机及剔料传动电机工件送出测试区至下一工位一一一第三工位进料 传感器检测到工件一启动中间传动电机及到位阻挡器一工件送至测试区一测试区到位检 测同时工件识别传感器识别工件一工件与夹具匹配及工件正确一进入第二工位的气密测 试阶段一检测结束后一工件合格执行打标一测试区气缸归原位后启动中间传动电机、剔 料传动电机出料传动电机把工件送入出料区。17天津理工大学2013届本科毕业设计说明书第三章发动机缸体气密性检测主机设计部分3.1设计校核3.1.1缸体上顶板挠度的计算气密检测设备是精密设备，设备本身的刚度直接决定和影响了检测的精度，特别是 起到支撑作用的上下两块顶板，弹性变量必须严格控制，如果不控制，将严重影响检测 的精度。所以需要通过计算挠度来控制弹性变量，来获得理想的控制精度 110缸体的上顶板示意图（如图3.1）:o 03 aI850 +0 015图3.1上顶板Fig.3.1 Pneumatic schematic diagram上顶板挠度计算将顶板简化成简支梁（如图3.2）为:图3.2上顶板简化成的简支梁Fig.3.2 On the roof is simplified as simply supported beam挠度的计算公式为:f= 上48EI式中：P一作用在上顶板的总载荷;L 一上顶板长度；I 惯性矩；E一上顶板弹性模量。总载荷：P= r2系统强度=3.14 1502 0.5mp 35325N惯性矩：1 =3.a b12503 8504 8854166.667mm12（其中 a=50mm、b=850mm）E=200000mp挠度计算：f= p-=一 一_ _ 335325 850mm 0.255 mm48EI 48 2000008854166 .667因为挠度（密封体变形量天津理I大学2013届本科毕业设计说明书3.1.2缸体下底板挠度的计算缸体的下底板示意图（如图3.3）:_工宙3巧651图3.3下顶板Fig.3.3 neumatic schematic diagram求下底板板的挠度，首先将底板简化成简支梁（如图3.4）为:L=850图3.4下底板简化成的简支梁Fig.3.4 Under floor simplified charpy天津理工大学2013届本科毕业设计说明书25挠度的计算公式为：f= 下48EI式中：P 一总载荷;L一长度；I一惯性矩；E一弹性模量。E=200000mp a=35mm、b=850mm总载荷：P= r2系统强度=3.14 1502 0.5mp 35325N惯性矩：I=3.a b12353 8504 3036979.167mm12挠度：f=pl-35325 8503mm 0.74mm48EI 48 2000003036979 .167因为挠度（密封体变形量； 即满足工作要求。3.1.3发动机缸体腔体检测封堵缸计算1、缸体封堵上夹具上夹具板（如图3.5 , 3.6）:多。$2 11S3 b图3.6上夹具板Fig.3.6 A clamp plate从图中测量可得：S1=737.6 , L1=111.75有三处相同封堵：3S1=2212.8 , 3L1=111.75S:有效封堵面积（mm2）, L: O形圈有效长度（mm）S2=22593.8 , L2=9777.7S3=1950 , L3=212.3算得上夹具封堵的总面积和 O形圈总长度：S0= 3S1+ S2+ S3=26756.6L0=3L1+ L2+ L3=2290.62.缸体封堵下夹具下夹具板（如图3.7）:图3.7下夹具板Fig.3.7 The lower clamp board从图中测量可得：S4=69996.1 , L4=847.73.1.4计算缸径因为封堵夹具的所有检测动作都需要气缸来实现，所以气缸的选择至关重要，直接 影响了检测的精度。1 .已知条件：系统压力：P 0.5MPa检测压力：Po 0.4MPa使用3.55的O形圈，压缩率20%查表可知 入=2.2天津理工大学2013届本科毕业设计说明书上夹具总重：M=400Kg2 .计算检测空气反作用力：S4=69996.1 S0 =26756.6 mm2取有效压缩面积为S4=69996.1F1= S4 x P0=69996.1x0.4=27998.4N3 .计算。形圈反作用力：F2= (L0+ L4)入=(2290.6+847.7 ) x2.2=6904.3N4 .计算封堵需要的总力：F= F1+ F2-M=27998.4+6904.3-4000=30902.7N5.计算缸径:4 30902.7,3.14 0.5mm =280.6 mm由上述计算可选择气缸：小300第四章发动机缸体气密性检测辅机设计部分4.1 辅机机械结构CAD设计及说明4.1.1 辅机的工作原理简介第一工位测试区不在原位置状态时，进料区工件进入时，进料阻挡阻挡，进料区的 进料等待传感器检测到工件，延时后停止进料传动，等第一工位归原位后方可启动中间 传动进入下步检测程序。每个工位检测不合格时，会自动启动剔料传动，把不合格的工件送至废料区。全自动气密检测机的三工位自动运行时的相互关系：在该设备中下一工位的状态会影响上一工位检测后的工件传送。若第二工位设备不是处于原位置的自动运行状态时（假若处于手动状态或是自动状态但不是原位置时），此时第一工位检测结束的合格件会自动停留在第一工位的剔料台上等待第二工位自动原位 置信号。此时第一工位控制箱面板上的指示灯工件等待点亮，直至工件正确进入第二工 位时该指示灯才会熄灭。出现这种千万不要人为的把工件搬卸下来，避免程序自动运行 混乱。第二工位与第三工位同样具有类似的关系。若第二工位设备处于停机未启动状态 时，此时第一工位检测结束的合格件会自动停留在第一工位的测试区上，此时认为是单 机工作12。当废料区或出料工件堆满时，相对应的面板指示灯会闪烁报警，提醒操作工人废料 区或出料区已经堆满需要清理报废工件，若没有按时清理的话，等下一工件进入剔料台 时，设备塔灯蜂鸣器自动报警，闪烁的指示灯常亮，此时必须清理工件，否则设备停止 运行。剔料台水平与垂直选择开关：在选择手动情况下，可对水平和垂直进行手动操作， 工件检测合格时剔料台为水平状态，工件检测不合格时剔料台为垂直状态。剔料台水平与垂直指示灯，对剔料台的水平与垂直状态进行指示。进料传动按钮：在选择手动情况下，可对进料传动进行手动操作。进料传动：当进料传动时此指示灯点亮。出料传动：在选择手动的情况下，可把检测完的工件送到出料台上。剔料传动：在选择手动情况下，剔料台处于水平位置或垂直位置时可对剔料传动进 行手动操作。加压保持：在手动选择下，进行压紧和封堵后按下此钮，测漏仪向工件内部容腔内 充气，再按此按钮则结束加压保持状态，此功能可对机器密封进行检查与调整。压检开始：在手动选择下，进行压紧和封堵后按下此钮，测漏仪对工件进行测试， 此按钮可使设备在手动环节下完成测试工作。4.1.2 辅机机械机构设计CAD图辅机机械结构设计图（如图4.1 ）1图4.1辅机机械机构设计图Fig.4.1 The design of auxiliary machinery1. QM10021.03 E雷列缸体检测线自动剔料机2. QM10021.07 E雷列缸体检测线输送架4.2剔料机的结构CAD设计及说明4.2.1 剔料机总装图及其解释说明剔料机总装图（如图4.2,图4. 3） : ,一图4.2剔料机总装图Fig.4.2 Tick feeding machine assembly diagramL双一 .图4.3剔料机总装图Fig.4. 3 Tick feeding machine assembly diagram1. QM10021.03.04-1剔料机转盘托板2. QM10021.03.04-2剔料机大盘法兰3. QM10021.03.04-3 剔料机垫圈4. T297-1994 轴承 302085. QM10021.03.04-4剔料机法兰盖6. QM10021.03.04-5剔料机大盘支柱7. QM10021.03.04-6剔料机下托板8. QM10021.03.04-7剔料机气缸座9. QM10021.03.04.01剔料机工作台10. GB/T70.1-2000 内六方螺钉 M12X12011. GB/T97.1-2000 平垫圈 1212. GB/T93-1987 弹簧垫圈 1213. GB/T6170-2000 外六方螺母 M1214. CDA2T63-175-M9B C座列气缸15. CA2-S06耳轴脚座16. 1-05A /形单肘接头4.2.2剔料机30208轴承寿命计算由于剔料机遇到次品会进过气动推动上面的转盘转动，所以里面的轴承至关重要， 其决定了转盘是否能很好的转动，直接影响了转盘和全自动生产线的运行的流畅度，所 以我们需要计算轴承的寿命，以保证机器的正常的运行15。本设计中，我们采用的是30208 轴承，所以我们计算30208轴承的寿命，30208轴承所在剔料机中的位置可参照图 4.2。轴承受力简图（如图4.4）图4.4轴承受力简图Fig.4.4 The bearing force diagram附加轴向力RiFr12800Si2Y 2x1.6FFr21080FS22Y 2x1.6轴承轴向力因FaFS1 230 875 1105轴承2被压紧，故FaiFsi 875Fa2% FA 875 230X、Y 值Fa1875 0.31 eFri2800Fa211051.02 eFr21080冲击载荷系数fd考虑中等冲击 当量动载荷Pi fd(XiFri YiFai)1.5x(1x2800 0x875)P2 fd(X2F,2 Y2Fa2)i.5x(0.4xi080 i.6xii05)轴承寿命因PiP2 ,只计算轴承i寿命i6670,Cr、Li0h(二)n PL10rl i44530h i05hi6670 63000.J0/3=x()9604200FS1 875NFS2 340 NFai 875NFa2 1105Na2Xi 1,Yi 0X2 0.4,Y2 1.6P1 4200 NP2 3300 N4.2.3剔料机气动原理图设计及解释1 ,剔料机气动原理图设计本设备的动力源是气压传动以及电机马达的驱动，因此气压传动的设计是本课题设 计中的重要一环。本设计中，转盘的转动以及废料从生产线上的推出，都是由气缸来完成，这就需要 良好的气动原理的支持。当上工位的主机检测出来，发现有问题的缸体，系统会自动发 信号给剔料机16。当有问题的缸体到了剔料机转盘时，自动检测线将停止滚动，转盘下 方的气缸推动转盘旋转90度，转到运往废料区的传送带上，通过推出气缸将废料推到运 往废料区的传送带上，运往废料区进行回收与再利用。33天津理工大学2013届本科毕业设计说明书剔料机气动原理图（如图4.5）:Fig.4.5 Tick feeding machine pneumatic schematic diagram35.:,vw:.i靖珈由剧昌瑞常电叵盛暮牛篙理- HI空V目0D工Jr三一建占一工M&G此5十点晋京工M2”总工氢 Msn.话看 Yw :：工I,意目T.范篇.天津理工大学2013届本科毕业设计说明书2 .剔料机气动原理图解释剔料机气动原理图解释图（如图4.6）:图4.6剔料机气动原理图解释图Fig.4.6 Tick feeding machine pneumatic schematic interpretation chart4.2.4剔料机转盘CAD设计图及转盘气缸缸径计算1.剔料机转盘CADS计图剔料机转盘CADS计图（如图4.7）or npq图4.7 剔料机转盘CA皱计图Fig.4.7 Tick feeding machine turntable CAD design2 .剔料机转盘气缸缸径计算 缸径计算简图（如图4.8）37的作寐图4.8缸径计算简图Fig.4.8 Bore calculation diagram因为驱动力矩必须大于阻力力矩才能驱动转盘，即 M （驱动力矩）I （阻力矩） 已知：气体压力P=0.5MPa,气缸到圆心的距离1i=122, 缸体到圆心的距离12=200。即：SxPxl1Gxl21000x200 0.5x122xx0.8=25.84 mm所以选取6.3 mm的缸径天津理工大学2013届本科毕业设计说明书第五章结 论这次毕业设计，我的任务是利用AutoCAD完成对发动机缸体油路气密检测系统的控 制。发动机缸体油路气密检测系统的控制分为自动状态和手动状态二种，自动控制为检 测设备正常工作状态，手动控制为维护和调试时用。发动机缸体油路检测控制系统主要 由3台电动机、14个电磁阀、1台测漏仪组成，输入为96个点，输出为96个点。由PLC完 成对发动机缸体的油路气密检测控制，运行可靠，工作安全，调到手动状态可以任意启 动每一台电机。需要注意的是当从手动状态调到自动状态时，所有控制双向电磁阀的三 位一体转换开关必须调到中间位，否则，当调到自动状态时，设备不运行并且报警。该设备自2010年12月18日至今，在长城汽车股份有限公司压铸事业部运行良好，一 切正常，安全、稳定。39参考文献1田广奎.发动机气密性检测技术与温度补偿.北京：发动机技术，20122张金伟，耿金良.发动机装配线排气系统气密性自动检测装置.黑龙江工商学院学报（工程技术版），2008, （5）: 1093曲东超.汽车发动机异响智能检测系统研究.长春工业大学学位论文，20074邱宣怀，郭可谦，吴宗泽等编译.机械设计（第4版）.北京：高等教育出版社，19975王世明.故障树分析法在工程机械发动机故障诊断中的应用.北京：机床与液压，20076韩志斌.浅谈发动机组成.黑龙江交通科技学院学报，2007, （10）: 61-637郑文纬，吴克坚，郑星河等编译.机械原理（第7版）.北京：高等教育出版社，19978施教芳.AutoCAD2012中文版从入门到精通.北京：中国青年出版社，20129刘跃南.机械基础（第3版）.北京：高等教育出版社，201010成大先.机械设计手册：常用设计资料（第 5版）.北京：化学工业出版社，201011上海市教育委员会组编.现在机械工程图学.北京：高等教育出版社，200612机械设计师手册编写组编.机械设计师手册.北京：机械工业出版社，200213路甬祥.液压气动技术手册.北京：机械工业出版社，200214姚智慧.机械制造技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，200015许德珠.机械工程材料.北京：高等教育出版社，200816梁德本，叶玉驹.机械制图手册.北京：机械工业出版社，2002致 谢值此论文完成之际，向所有给我关心、支持和帮助的老师、同学致以衷心感谢在本次毕业设计中，我受益匪浅，不仅在学术研究方面学到了很多实际知识，更从 腾献银老师身上学到了很多东西，他认真负责的工作态度、严谨治学的精神和深厚渊博 的理论水平将是我毕生学习的榜样。我的毕业设计自始自终，都浸透着老师的帮助和关心。每当遇到难题时，除了自己 学习，寻找解决办法外，老师的帮助其实更重要，这也是本次设计得以成功完成的关键。 不仅让自己的知识水平得到充实，更多的是锻炼了实际生产中的现场调试能力。在此，我要感谢天津理工大学中环信息学院的各位教职员工对我四年来的培养和关 怀，以及校领导为我们建立的良好的教学环境和实践环境。