汽車敞篷機(jī)構(gòu)的裝配工裝設(shè)計(jì)及制造工藝研究

羅 杰，袁雪松，田沙沙

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西新能源汽車試驗(yàn)室，廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車早已成為一種藝術(shù)品，可隨時(shí)折疊和展開的敞篷更是成為眾多車迷們關(guān)注的亮點(diǎn)。目前，絕大多數(shù)的敞篷汽車都是軟頂?shù)模瑥募夹g(shù)的角度來說，主要是考慮到軟頂?shù)钠嚳梢苑浅７奖闶栈氐杰噧?nèi)。但是，考慮到軟篷的頻繁開合以及車身行駛過程中的顛簸會(huì)明顯影響敞篷的使用壽命，確保敞篷機(jī)構(gòu)的安裝質(zhì)量，成了各大汽車公司目前的研究熱點(diǎn)之一。敞篷機(jī)構(gòu)的安裝精度主要由敞篷的零部件精度、機(jī)械裝配方式共同決定，其中在相同的零部件經(jīng)濟(jì)精度下，機(jī)械裝配方式對(duì)敞篷裝配精度的影響相對(duì)較大，此外不同的裝配方式不僅影響機(jī)械裝配的精度，也影響敞篷機(jī)構(gòu)裝配的效率。因此，在研究敞篷機(jī)構(gòu)的機(jī)械裝配形式的基礎(chǔ)下，提出敞篷機(jī)構(gòu)裝配工藝的優(yōu)化解決方案。

1 敞篷汽車機(jī)械裝配工藝類型

對(duì)于機(jī)械裝置來說，其生產(chǎn)制造需要大量的構(gòu)成部件，類型多樣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量的人工及物料，裝配周期也比較長(zhǎng)。目前，對(duì)于敞篷汽車的機(jī)械裝配有移動(dòng)式裝配與固定式裝配兩種方式，根據(jù)具體的裝配方法又可細(xì)分為以下幾種[1-2]。

（1）選擇裝配法：將裝配尺寸鏈中組成環(huán)的公差放大到經(jīng)濟(jì)可行的程度，然后選擇合適的零件進(jìn)行裝配，這類保證裝配精度要求的裝配方法，稱為選擇裝配法。適用場(chǎng)合：裝配精度要求高，而組成環(huán)較少的成批或大批量生產(chǎn)。

（2）互換裝配法：裝配的每一個(gè)零件不需作任何挑選、修配和調(diào)整，就能達(dá)到規(guī)定的裝配精度要求。用互換法裝配，其精度主要取決于零件的制造精度。根據(jù)零件的互換程度，互換裝配法可分為完全互換裝配法和不完全互換裝配法。

（3）調(diào)整裝配法：在以裝配精度要求為封閉環(huán)建立的裝配尺寸鏈中，除調(diào)整環(huán)外，各組成環(huán)均以加工經(jīng)濟(jì)精度制造。擴(kuò)大組成環(huán)制造公差累積造成封閉環(huán)過大的誤差，通過調(diào)節(jié)調(diào)整件（或稱補(bǔ)償件）相對(duì)位置的方法消除，最后達(dá)到裝配精度要求。調(diào)節(jié)調(diào)整件相對(duì)位置的方法有可動(dòng)調(diào)整法、固定調(diào)整法和誤差抵消調(diào)整法3種。

2 敞篷機(jī)構(gòu)關(guān)鍵裝配技術(shù)

2.1 敞篷機(jī)構(gòu)裝配概述

2.1.1 敞篷機(jī)構(gòu)產(chǎn)品特征

敞篷車按車頂結(jié)構(gòu)可以分成硬頂車和軟頂車。軟頂車更為常見，其通常采用帆布，乙烯或塑料為車頂材料，配備可折疊的支架。硬頂車的車頂為金屬材質(zhì)，通常可以自動(dòng)開合。

軟頂敞篷：軟頂敞篷至今經(jīng)歷了兩個(gè)顯而易見的改進(jìn)：軟頂收起從外置式收藏改成了內(nèi)置式收藏（美觀且阻力減?。粡氖止ふ郫B改成自動(dòng)折疊。早期的一些軟頂敞篷車都是手工、外置式的；現(xiàn)在大部分都是自動(dòng)、內(nèi)置式的。（現(xiàn)在也有外置式的，主要是受車型的限制，如MINI敞篷版，SMART敞篷版）。

硬頂敞篷：相比軟頂敞篷則要“年輕”許多。真正的量產(chǎn)硬頂敞篷車始于1996年的“奔馳”上一代SLK（R170）。經(jīng)歷了近20年的演變，現(xiàn)在已經(jīng)“百花齊放”，硬頂跑車正引導(dǎo)著目前敞篷車的流行趨勢(shì)。

軟頂敞篷和硬頂敞篷的優(yōu)劣勢(shì)分析（見表1）。從表1看，有些優(yōu)缺點(diǎn)是受材質(zhì)本身的限制，很難改進(jìn)，比如軟頂?shù)膹?qiáng)度低、噪音大；硬頂?shù)馁|(zhì)量大，占用行李廂空間大。隨著技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展，可以看到軟頂敞篷和硬頂敞篷在相互學(xué)習(xí)，軟頂敞篷不停地改進(jìn)材料，例如三層復(fù)合合成材料，降低噪音；硬頂敞篷則在不停地將硬頂折疊再折疊，減少占用空間。

表1 敞篷機(jī)構(gòu)對(duì)比

1886年卡爾本茨制造出的第一臺(tái)三輪汽車就是軟頂敞篷，由于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且與馬車的構(gòu)造一脈相承，可以說，軟頂敞篷車的發(fā)展和汽車本身的發(fā)展是步調(diào)一致的。因此，“經(jīng)典”也就成為軟頂敞篷車得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)和最顯著的標(biāo)簽。盡管以現(xiàn)在的眼光審視，它看上去與車身并不那么協(xié)調(diào)，但許多人依然喜歡這種感覺，尤其是MINI這類配有軟頂?shù)挠⑹叫⌒蛙?；而勞斯萊斯幻影這樣的奢華車型，配以軟頂敞篷，則更彰顯出優(yōu)雅的古典貴氣，讓人們暫時(shí)把軟頂?shù)娜秉c(diǎn)拋在腦后。

軟頂敞篷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要表現(xiàn)為總重輕，比硬頂省油，頂棚開啟快速，維護(hù)修理相對(duì)硬頂便宜，開合裝置耐久度比硬頂長(zhǎng)。缺點(diǎn)表現(xiàn)為相對(duì)較危險(xiǎn)（軟頂很脆，如果出事故受傷比硬頂嚴(yán)重），頂棚容易臟，清洗很麻煩，隔音效果差，暴雨天氣可能會(huì)出現(xiàn)漏雨的情況，雨雪天氣車輛停外面需加蓋汽車罩子。軟頂?shù)恼郫B基本大同小異，沒有硬頂那么千變?nèi)f化。

2.1.2 裝配組織形式

敞篷機(jī)構(gòu)裝配機(jī)構(gòu)主要包括“Z”形復(fù)合連桿機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及車窗輔助定位機(jī)構(gòu)構(gòu)成。其中，“Z”形復(fù)合連桿機(jī)構(gòu)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，不僅包含3套4連桿，還需要與軟頂進(jìn)行縫合保證機(jī)構(gòu)的密封性，同時(shí)還具備鎖緊機(jī)構(gòu)，并且對(duì)裝配要求較高，因此成為敞篷裝配工藝的重中之重。

2.2 敞篷機(jī)構(gòu)裝配工藝現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外敞篷機(jī)構(gòu)裝配現(xiàn)狀差距較大。例如寶馬Z4敞篷跑車在其生產(chǎn)過程中，95%的制造由機(jī)器人完成，平均40h生產(chǎn)1輛敞篷跑車。但國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)看到敞篷車的機(jī)會(huì)很少，擁有敞篷車類型的生產(chǎn)商基本都是一些合資高端品牌，自主品牌幾乎沒有敞篷車類型。曾經(jīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上也出現(xiàn)過兩款非常具有代表性的敞篷車，1臺(tái)是“比亞迪”生產(chǎn)的S8，這款車當(dāng)年在車展上亮相時(shí)，吸引了不少人的目光；另外1臺(tái)是“北汽”生產(chǎn)的212，雖然這臺(tái)車是一款軟頂敞篷車，但是它的敞篷需要手動(dòng)拆卸。從嚴(yán)格意義上來說，國(guó)內(nèi)可量產(chǎn)的敞篷車裝配工藝接近空白，自動(dòng)化程度自不必說，不能保證敞篷機(jī)構(gòu)的裝配質(zhì)量，與國(guó)外成熟的敞篷裝配工藝存在較大差距。

因?yàn)閲?guó)外敞篷車生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟，各類零部件加工精度高，敞篷機(jī)構(gòu)互換性好，所以基本采用完全互換的裝配形式，使用吊具對(duì)敞篷機(jī)構(gòu)直接進(jìn)行吊裝。相較而言，國(guó)內(nèi)敞篷機(jī)構(gòu)目前還處于手工及半手工的狀態(tài)，產(chǎn)品精度低，互換性較差，并不適用于完全互換裝配，因此裝配方法選用對(duì)產(chǎn)品精度要求相對(duì)較低的分組裝配及調(diào)整裝配。其中，國(guó)內(nèi)某家新能源車企新上市敞篷車型的生產(chǎn)模式采用調(diào)整裝配的方法。與國(guó)外敞篷車互換裝配方式不同的是，國(guó)內(nèi)敞篷機(jī)構(gòu)的裝配不僅是在零件上進(jìn)行調(diào)整，連裝配形式也大幅不同。國(guó)外的敞篷機(jī)構(gòu)一般都是折疊完全，采用吊裝設(shè)備直接進(jìn)行裝配，方便簡(jiǎn)單，不用調(diào)節(jié)且裝配質(zhì)量高。但國(guó)內(nèi)的敞篷機(jī)構(gòu)卻必須將敞篷機(jī)構(gòu)展開進(jìn)行調(diào)整裝配，因此不能使用吊具直接吊裝。這種裝配模式目前正處于手工及半手工的狀態(tài)，裝配精度非常差且需要較大的人力投入，對(duì)技師的技術(shù)水平要求高，在進(jìn)行小批量生產(chǎn)時(shí)勢(shì)必采用相對(duì)復(fù)雜的工裝輔助才能滿足目前裝配需求。

3 敞篷機(jī)構(gòu)工裝技術(shù)的優(yōu)化方案

目前敞篷車生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)相對(duì)空白，缺乏對(duì)應(yīng)的工裝，因此開發(fā)與敞篷機(jī)構(gòu)相匹配的工裝，采用調(diào)整裝配的方式來改進(jìn)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有敞篷裝配技術(shù)，是解決現(xiàn)有裝配現(xiàn)狀的最佳方式之一。設(shè)計(jì)的優(yōu)化工裝應(yīng)滿足成本低，易操作，能大幅提高敞篷的裝配效率，針對(duì)國(guó)內(nèi)新能源車企剛上市的敞篷汽車敞篷機(jī)構(gòu)裝配方式進(jìn)行深入研究及優(yōu)化改進(jìn)，為敞篷裝配工藝提供作者自己的思路及建議。

3.1 需要解決的技術(shù)問題

該新能源車企的敞篷車所采用的敞篷機(jī)構(gòu)本身自帶一定的微調(diào)功能，因此敞篷機(jī)構(gòu)的裝配主要是，在機(jī)構(gòu)本身的安裝固定、與敞篷布的縫合及定位檢查，供裝配機(jī)構(gòu)調(diào)整參考。具體問題如下：①敞篷機(jī)構(gòu)采用展開的形式，轉(zhuǎn)運(yùn)相對(duì)困難；②敞篷機(jī)構(gòu)安裝效率低，安裝難度大；③敞篷機(jī)構(gòu)與車窗安裝條貼合質(zhì)量差，需要調(diào)整裝配；④敞篷布縫合效率低，效果差；⑤敞篷布定位夾緊困難；⑥敞篷布縫合點(diǎn)需要隨時(shí)檢查以供后續(xù)的調(diào)整裝配。

3.2 優(yōu)化工裝的技術(shù)方案

敞篷機(jī)構(gòu)采用展開的形式進(jìn)行安裝，并不適合采用類似與國(guó)外的吊裝方式，采用在地上可移動(dòng)的定位工裝相對(duì)更合適。在機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中使用啟動(dòng)快夾的方式，分別在敞篷機(jī)構(gòu)左下，右下，左上，右上等多個(gè)位置進(jìn)行氣動(dòng)夾緊。經(jīng)過定位相對(duì)準(zhǔn)確的夾緊定位后，通過工裝轉(zhuǎn)運(yùn)到對(duì)應(yīng)的敞篷車裝配流水線工位，將安裝點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行初步裝配。而在轉(zhuǎn)運(yùn)之前，在該工裝基礎(chǔ)上增加一套帶有磁性的定位夾緊裝置，待磁性進(jìn)行吸附后，通過定位孔進(jìn)行定位調(diào)整，最后通過螺紋連接進(jìn)行車門玻璃導(dǎo)槽的夾緊，以此來解決敞篷車側(cè)門玻璃導(dǎo)槽安裝問題。同樣，在該敞篷機(jī)構(gòu)安裝工裝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用工裝定位縫紉點(diǎn)，將敞篷布迅速通過設(shè)置好的定位點(diǎn)進(jìn)行快速地定位，使用長(zhǎng)條形壓條進(jìn)行壓緊，壓條設(shè)置與工裝相對(duì)應(yīng)的縫紉點(diǎn)形成對(duì)應(yīng)的定位關(guān)系。長(zhǎng)條形壓條結(jié)構(gòu)可以保證壓緊篷布的力足夠大，降低敞篷布縫紉過程中出現(xiàn)篷布滑脫的現(xiàn)象。為保證足夠的壓緊力做到快速壓緊或松開，敞篷布共用該工裝氣壓裝置進(jìn)行壓緊。此外，該工裝還需設(shè)置張緊結(jié)構(gòu)，當(dāng)縫紉結(jié)束后，工裝可以通過張緊，對(duì)篷布縫紉質(zhì)量再次檢查確保質(zhì)量。另外為加強(qiáng)裝配效率，氣壓夾緊裝置采用PLC控制，確保工人師傅在高效率地狀態(tài)下完成敞篷機(jī)構(gòu)的裝配。其實(shí)現(xiàn)原理主要如下：優(yōu)化工裝在使用過程中，具有兩對(duì)X、Y、Z方向上的機(jī)械夾緊終端，終端上安裝定位夾緊工具，該定位夾緊工具由氣缸及雙電控電磁閥進(jìn)行夾緊與松開控制，定位夾緊工具可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 3個(gè)方向的伸縮，分別由3個(gè)單電控的電磁閥實(shí)現(xiàn)。整個(gè)優(yōu)化工裝共有兩個(gè)按鈕，分別承擔(dān)著啟動(dòng)與停止的工作任務(wù)。

圖1 敞篷機(jī)構(gòu)數(shù)模圖

3.3 優(yōu)化工裝技術(shù)的實(shí)施效果

傳統(tǒng)的敞篷機(jī)構(gòu)的裝配方式，吊裝的過程一般在5min左右，由于需要頻繁調(diào)整，所以一般的分組裝配法并不能完全滿足實(shí)際的裝配需求。其中，調(diào)整篷布的調(diào)整相對(duì)最煩瑣。針對(duì)敞篷優(yōu)化工裝實(shí)施后，當(dāng)敞篷機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行調(diào)整時(shí)，通過氣壓快夾將敞篷機(jī)構(gòu)夾緊到優(yōu)化工裝上的參考機(jī)架，利用優(yōu)化工裝地參考機(jī)架找到需要調(diào)整的部位（圖2為工裝實(shí)際使用效果），依次調(diào)整敞篷機(jī)構(gòu)偏差較大的部位，并檢查關(guān)鍵尺寸，檢查篷布各個(gè)定位點(diǎn)，在確保敞篷機(jī)構(gòu)能完美地貼合優(yōu)化工裝地參考機(jī)架后，再將敞篷機(jī)構(gòu)整體裝配在汽車上。其中，整體機(jī)構(gòu)裝配單件可節(jié)省20 min，篷布調(diào)整可節(jié)省35 min，單件微調(diào)可節(jié)省10 min。另外，由于該工裝具備定位功能，在裝配前后可充當(dāng)質(zhì)量檢測(cè)治具，可減少單件質(zhì)量檢測(cè)時(shí)間25 min左右，整個(gè)裝配過程單件節(jié)省時(shí)間可達(dá)1.5 h左右；在優(yōu)化工裝的實(shí)際應(yīng)用中，本作者發(fā)現(xiàn)該工裝還可以充當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)工裝，不僅僅大幅度節(jié)省轉(zhuǎn)運(yùn)工時(shí)，還大大降低了轉(zhuǎn)運(yùn)過程中零件的損傷。

圖2 優(yōu)化工作使用效果圖

4 結(jié)語(yǔ)

在汽車個(gè)性化及定制化不斷發(fā)展的趨勢(shì)下，敞篷機(jī)構(gòu)這類具備一定特色的汽車機(jī)械零部件的應(yīng)用越來越多、對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械裝配質(zhì)量挑戰(zhàn)也越來越大[3]。其中，汽車敞篷的裝配質(zhì)量（氣密性、裝配可靠性、穩(wěn)定性、外觀等）對(duì)敞篷機(jī)構(gòu)的使用壽命及客戶接受度影響很大。想要確保敞篷汽車的裝配質(zhì)量，需要在現(xiàn)有汽車量產(chǎn)基礎(chǔ)上對(duì)汽車敞篷機(jī)構(gòu)等小批量生產(chǎn)特色件進(jìn)行專有的工裝設(shè)計(jì)。通過對(duì)敞篷機(jī)構(gòu)（軟頂）進(jìn)行了機(jī)械裝配設(shè)計(jì)，可幫助汽車小批量個(gè)性化定制生產(chǎn)提升一定的裝配質(zhì)量，對(duì)敞篷機(jī)構(gòu)的裝配方法提供可實(shí)現(xiàn)的裝配方法，并經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，效果良好。但是后續(xù)汽車個(gè)性化生產(chǎn)還存在較大的提升空間（例如：硬頂敞篷、尾翼、天窗等裝配過程），仍需各大汽車企業(yè)不斷地深入研究及改進(jìn)。