四桿機構(gòu)在車門包邊上的應(yīng)用

農(nóng)明滿

【摘 要】隨著消費市場需求的提高和汽車制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，車門包邊要求也越來越高。文章闡述汽車車門包邊的基本原理、包邊機的分類及包邊質(zhì)量的需求，并嘗試從工藝構(gòu)建分析、運動軌跡模擬仿真、包邊力學(xué)計算等方面，分析和驗證四桿包邊機構(gòu)在桌式包邊設(shè)備中的可行性，指出其技術(shù)優(yōu)勢，介紹其在汽車車門包邊中的應(yīng)用效果，并總結(jié)歸納出開發(fā)要點和注意事項，給后續(xù)汽車車門包邊設(shè)備的開發(fā)提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】四桿機構(gòu)；車門；內(nèi)板；外板；翻邊；包邊

【中圖分類號】U463.834 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）02-0076-03

0 前言

隨著人民生活水平的不斷提高，個人可支配收入隨之提高，加上工業(yè)化的發(fā)展，汽車價格不斷地下滑，汽車逐步由原來體現(xiàn)身份的奢侈品，慢慢轉(zhuǎn)變成人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵贰ＯM需求的提升，給汽車產(chǎn)業(yè)帶來迅猛的發(fā)展。在過去的2016年，中國汽車產(chǎn)量和銷量分別達到了2 811.9萬輛和2 802.8萬輛，比2015年同期分別增長14.5%和13.7%，無論產(chǎn)銷量還是增長率，均已位居全球首位。而隨著人們生活品質(zhì)和認(rèn)知水平的提高，對汽車的外觀和性能也提出了更高的要求，如造型優(yōu)美、性能可靠、安全性強等，這也對汽車制造技術(shù)提出了越來越嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。車身門蓋的生產(chǎn)是汽車制造過程中的重要一環(huán)，而車門包邊又是涉及車門性能及外觀質(zhì)量的一個關(guān)鍵步驟，包好邊的車門，具有加固、防銹、美觀等功能，如何實現(xiàn)良好的車門包邊，將直接影響整車靜態(tài)和動態(tài)的感知質(zhì)量，進而影響消費者的購買欲。因此，如何根據(jù)產(chǎn)品特點選用合適的包邊執(zhí)行機構(gòu)來滿足包邊質(zhì)量要求，需要我們進行分析和驗證。

1 包邊的基本工藝

通常來說，由于沖壓模具拔模角的影響，以及內(nèi)板要放置到外板內(nèi)的問題，車門外板翻邊角度一般為90°～110°，如果包邊一步到位，鋼板變形過大，很容易導(dǎo)致車門產(chǎn)生表面凹凸、變形、褶皺、圓角不均等缺陷，因此實際的包邊過程包括以下幾個步驟：內(nèi)外板扣合、預(yù)包邊、主包邊（如圖1所示）。在進行包邊之前，首先把沖壓車間送過來的外板跟焊接好的內(nèi)板扣合在一起，然后用包邊設(shè)備上的壓刀或者滾輪對外板翻邊進行45°左右的預(yù)包邊，最后把翻邊包成0°，這時，外板和內(nèi)板能充分地貼合，可以起到美化外觀和強化結(jié)構(gòu)的作用。實際生產(chǎn)中，預(yù)包邊還可以根據(jù)外板的形狀和翻邊的初始角度，結(jié)合不同的包邊設(shè)備進行靈活處理，在一定范圍內(nèi)選擇最佳的預(yù)包邊角度，比如翻邊角度過大，可以先預(yù)包邊到50°，甚至再細(xì)分成2步預(yù)包邊，從而保證良好的包邊質(zhì)量。

衡量包邊質(zhì)量的好壞，主要有以下幾個指標(biāo)：內(nèi)外板的包邊貼合程度、車門間隙和段差、外觀圓角的均勻性、表面質(zhì)量。包邊貼合程度直接影響車門的密封性能，如果過松，車門進入涂裝后會由于內(nèi)外板之間的間隙而導(dǎo)致密封膠烘烤固化過程中起泡失效；過緊，則板材容易變形。要達到比較好的效果，包邊厚度一般等于理論3層板厚度加上（0，+0.3）的公差，這也是經(jīng)過反復(fù)試驗和驗證得出的可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。而間隙和段差，則影響整車的匹配，間隙段差超差或波動過大，會導(dǎo)致外觀質(zhì)量下降，無法體現(xiàn)汽車造型設(shè)計的創(chuàng)意，甚至導(dǎo)致開關(guān)門過程中零件相互干涉，造成零件掉漆生銹，行駛過程中也容易導(dǎo)致風(fēng)阻加大，噪音增大，燃油經(jīng)濟性下降，進而影響消費者對該汽車品牌的評價。各汽車廠基于成本投入和制造水平的差異，會有不同的尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)。而外觀圓角和表面質(zhì)量，也直接關(guān)系到整車的美觀程度，外觀圓角清晰而一致性好，表面質(zhì)量不產(chǎn)生凹凸、波浪等缺陷，則能很好地體現(xiàn)造型設(shè)計風(fēng)格。一般來說，在造型設(shè)計階段，就會對外觀圓角提出明確的要求，以便能實現(xiàn)造型本身的創(chuàng)意。上文所說的這些質(zhì)量測量指標(biāo)，在生產(chǎn)制造過程中，受多方面因素的影響。比如，包邊壓力的大小、外板受力的速度、壓刀切入角度及保壓時間等。

根據(jù)包邊工藝的不同，包邊設(shè)備可以分為三大類：壓機包邊模、桌式包邊機、機器人滾邊機。壓機包邊模與沖壓模具類似，主要是利用200 t左右的大型壓力機作為驅(qū)動源，分為上、下模，對車門零件進行整體包邊，該設(shè)備前期投資高、占用場地大，優(yōu)點是生產(chǎn)節(jié)拍高，可達60～80 JPH。桌式包邊機則是一臺小型工作站，利用小型液壓缸或電機作為動力源，通過多組機構(gòu)的連桿動作，對零件進行包邊，其場地占用小，比較靈活，生產(chǎn)節(jié)拍高，可達60 JPH，比較適合產(chǎn)量高的專線生產(chǎn)。而機器人滾邊機，則是利用滾輪對零件進行反復(fù)滾動實現(xiàn)包邊，生產(chǎn)節(jié)拍較低，一般在40 JPH以下，但它的柔性化程度高，適合小批量、多品種的產(chǎn)品生產(chǎn)要求。各汽車廠都會根據(jù)自身產(chǎn)品的特點和廠房規(guī)劃，選用適合自身的包邊設(shè)備。結(jié)合某公司產(chǎn)量高、物流多處交叉、場地多變的特點，桌式包邊設(shè)備得到較為廣泛的應(yīng)用。而針對桌式包邊設(shè)備，傳統(tǒng)的單杠桿包邊機構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是包邊過程中角度變化較大，包邊質(zhì)量不夠穩(wěn)定，已無法滿足包邊質(zhì)量提升的迫切需求。鑒于此，我們結(jié)合包邊的特點和需求，對四桿包邊機構(gòu)的開發(fā)進行簡單的分析和驗證。

2 四桿機構(gòu)的構(gòu)建

常見桌式包邊設(shè)備的包邊執(zhí)行單元一般是由預(yù)包邊機構(gòu)、主包邊機構(gòu)及胎模組成（如圖2所示）。預(yù)包邊機構(gòu)和主包邊機構(gòu)分別對車門外板翻邊進行預(yù)包邊和主包邊，而胎模工作面跟車門外板表面一致，可對外板起到支承和定型的作用，可有效地避免包邊過程中，包邊壓力對車門造成外表面缺陷。

在設(shè)計過程中，我們可以根據(jù)上面所說的包邊工藝，構(gòu)建2組四桿機構(gòu)來分別執(zhí)行預(yù)包邊和主包邊2個動作。如圖3所示，首先預(yù)包四桿機構(gòu)進行動作，對車門外板翻邊進行90°～45°預(yù)包邊。然后預(yù)壓機構(gòu)打開，四桿主壓機構(gòu)進入，對車門外板翻邊從45°～0°的主包邊，為確保翻邊產(chǎn)生塑性變形不反彈，一般會保持壓力1～2 s，之后四桿主壓機構(gòu)打開，一個包邊循環(huán)結(jié)束。在設(shè)計過程中，應(yīng)考充分考慮材料強度、干涉避讓空間、驅(qū)動力及輸出壓力等因素。

3 四桿機構(gòu)的運動軌跡規(guī)劃

影響包邊質(zhì)量的一個重要因素就是翻邊受力角度，良好的包邊切入角度會帶來良好的包邊質(zhì)量，而不好的切入角度，則可能會引起多種質(zhì)量缺陷，如下塌、凹陷、外翻、內(nèi)板切邊外露等，嚴(yán)重的可導(dǎo)致車門零件報廢。傳統(tǒng)的手工計算不但費時費力，而且不夠直觀，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，我們可以利用3D運動分析軟件對四桿機構(gòu)進行運動仿真。利用“西門子”開發(fā)的Unigraphics NX三維軟件，進入運動仿真環(huán)境，導(dǎo)入四桿機構(gòu)的3D數(shù)模，定義活動連桿和運動副，結(jié)合驅(qū)動源，可以對機構(gòu)進行精確運動仿真模擬。而且，除了單個機構(gòu)的仿真，還可以通過定義時間次序，對整套設(shè)備進行聯(lián)動分析模擬。通過運動模擬仿真，我們可以快速、有效地驗證每一個區(qū)域的包邊切入角度，尋找最優(yōu)的包邊設(shè)計方案。如圖4、圖5所示，對比傳統(tǒng)的單杠桿包邊機構(gòu)，四桿機構(gòu)在任意的運動過程中，均能保持相同的包邊切入角度，使得被包的汽車車門零件受力均勻，質(zhì)量一致性高。而且，因為實際生效的行程只有很短的一段，所以我們可以通過設(shè)定不同的旋轉(zhuǎn)點來滿足不同的包邊形狀。例如，預(yù)壓過程中把翻邊從90°包到45°，需要的橫向力較多，我們可以把連桿的旋轉(zhuǎn)點設(shè)置得低一些。而主壓過程中，需要縱向力更多一些，我們可以把連桿的旋轉(zhuǎn)點設(shè)置得高一些。此外，運動仿真還可以提前檢查機構(gòu)內(nèi)部及機構(gòu)之間的間隙，避免干涉，從而減少后期干涉造成的返工，節(jié)約人員的投入、縮短裝配和調(diào)試周期。

4 四桿機構(gòu)的壓力計算

一般來說，每家汽車廠所用的車門板材，基于定位的不同，厚度可能會有所差別，而根據(jù)車門板材厚度和屈服強度的不同，則其所需的包邊壓力也不盡相同。針對市面上大部分汽車所用厚度為0.75 mm以下的鋼材薄板，預(yù)包邊的單位壓力為65 kN/mm，主包邊的單位壓力為160 kN/mm，均能滿足包邊需求。如果包邊壓力過低，則車門不能夠被包貼合，外觀圓角偏大而且不均勻，容易影響車門的性能和外觀。在設(shè)計過程中，為確保能輸出足夠的包邊壓力，還需對四桿包邊機構(gòu)進行最低壓力計算校核。

在四桿機構(gòu)中，為了簡化計算，我們可以把壓刀和刀座作為剛體，根據(jù)杠桿力矩平衡原理，F(xiàn)1×L1=[F2/cos（a）]×L2，如圖6所示，在主壓機構(gòu)中，我們假設(shè)油缸直徑D=125 mm，油壓P=10 MPa，那么F1=π×（D/2）2×P=122.6 kN。為避免分力過大，包邊工藝中a的取值一般不超過30°。代入力臂設(shè)計數(shù)據(jù)，則F2=F1×L1×cos（a）/L2=122.6×180×cos30°/160=119 kN。在實際應(yīng)用中，a的取值一般比30°還要小，再加上壓刀和刀座自身的重力，機構(gòu)實際產(chǎn)生的包邊壓力會比119 kN更大。按照主包邊標(biāo)準(zhǔn)單位壓力為160 kN/mm，以常見的車門輪廓邊為700 mm的標(biāo)準(zhǔn)長度來計算，所需的包邊壓力為160×700=112 kN，因此該機構(gòu)完全可以滿足包邊壓力的需要。如需要比700 mm更長的包邊長度，也可以通過改變力臂及增大液壓缸徑來滿足包邊壓力需求。這樣通過形成幾個系列標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)，可以實行模塊化設(shè)計，大幅縮短開發(fā)周期。

預(yù)壓機構(gòu)中，我們?yōu)榱吮苊飧缮?，采用雙液壓缸形式，取油缸直徑D=80 mm，油壓P=10 MPa，代入力臂設(shè)計數(shù)據(jù)，那么F1=2×π×（D/2）2×P=100 kN，結(jié)合預(yù)壓所需的標(biāo)準(zhǔn)單位壓力為65 kN/mm，完全可以滿足1 500 mm長度的預(yù)壓。這樣就能應(yīng)對絕大部分車門輪廓邊的包邊，從而能夠形成模塊化設(shè)計。而在實際應(yīng)用中，預(yù)壓壓力過大可能會導(dǎo)致包邊變形，我們可以通過調(diào)節(jié)液壓缸壓力，找到最佳的工藝參數(shù)，以實現(xiàn)良好的包邊質(zhì)量。

5 四桿機構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用效果

由以上分析可知，四桿包邊機構(gòu)主要有以下技術(shù)優(yōu)勢：{1}包邊動作過程中壓刀角度不變，使得被包的汽車車門零件受力均勻，質(zhì)量一致性高；{2}結(jié)構(gòu)簡單可靠，采用分體式易于維修，包邊質(zhì)量調(diào)試方便；{3}通過形成標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)，減少機構(gòu)種類，可以進行模塊化設(shè)計和制造，有比較好的通用性，利于快速成線投產(chǎn)；{4}動作簡單，速度快，生產(chǎn)節(jié)拍高，可達60 JPH?；谝陨蟽?yōu)勢，以該技術(shù)為主體自主開發(fā)的桌式包邊設(shè)備，在某公司的車門包邊上得到了大規(guī)模的推廣和應(yīng)用，打破了少數(shù)專業(yè)公司的壟斷，先后生產(chǎn)了多款miniVAN、MPV暢銷車型，產(chǎn)銷量連續(xù)多年位居國內(nèi)汽車行業(yè)前列，并已走出國門，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷東南亞、中東、非洲、拉美等地區(qū)的新興市場。

6 結(jié)語

結(jié)合四桿包邊機構(gòu)的設(shè)計分析過程可以看出，四桿機構(gòu)是一種質(zhì)量優(yōu)良的包邊機構(gòu)，有比較廣泛的適應(yīng)性，可滿足大部分汽車車門的包邊需求。同時我們發(fā)現(xiàn)，包邊設(shè)備的開發(fā)，要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征選用相應(yīng)的包邊方案。包邊機構(gòu)必須在保證強度的前提下，滿足運動空間需求，以及主預(yù)包邊最小壓力要求。同時，也要求我們除了設(shè)計之外，對包邊設(shè)備的制造和裝配，以及包邊設(shè)備的調(diào)試，都需跟蹤監(jiān)測到位，只有這樣，才能獲得良好的包邊質(zhì)量，生產(chǎn)出合格的車門總成零件。

參 考 文 獻

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[3]張世曉.靜態(tài)感知質(zhì)量在汽車新產(chǎn)品研發(fā)過程中的應(yīng)用研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2016（1）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]