淺析車身制造生產線輸送吊具設計要點

摘 要：文章就車身制造過程中簡易吊具的使用背景，分析了簡易吊具存在必要性及其對輸送線的重要意義；介紹了簡易吊具的結構和分類，對簡易吊具在設計過程中輸入條件和設計要點進行了分析論證。

關鍵詞：車身制造；輸送線；簡易吊具；設計分析

引言

汽車制造自福特公司在1905年采用流水線生產以來，經過100多年的發展，流水線的制造模式已經得到廣泛應用，并且自動化也日漸融入其中。目前，西方發達國家流水線多采用自動化方式，具體就是電氣控制輸送方式，更多的采用氣缸、液壓泵、電機等高成本設備，這提高了汽車的制造節拍。但是，針對我們國家的實際情況，絕大部分汽車制造廠家并未一味照搬國外的汽車生產模式，而更多考慮了制造成本和使用價值的平衡問題，在汽車四大傳統車間均相當程度上采用電動葫蘆或者氣動葫蘆的生產線輸送方式，使用更多的人力進行設備操作，比如電動葫蘆、氣動葫蘆和簡易吊具配合，人力進行輸送。這種制造策略是適應我國經濟發展水平和制造能力的，我國的汽車制造業在這些年也得到了迅速發展，這與我們的低成本制造理念是密切相關的。

在流水線中，輸送方式是重中之重，它關系著該生產線的生產節拍、人機操作工程、安全等諸多方面。目前，人力吊運方式在國內采用普遍，在車身車間、總裝車間都有相當數量的應用。但是各公司工裝開發過程中對吊具設計流程介紹不多，對吊具設計涉及的廣度和深度沒有明確的認識，這一定程度上影響到吊具設計開發質量、制造和安裝調試進度。文章就人力吊運（通常有電動葫蘆和氣動葫蘆兩種）吊具的簡易設計進行簡單分析，旨在從簡易吊具的結構、占用空間、重量、人機操作等方面進行探討其設計理念和設計要點，以更好指導我們對吊具的設計，開發出實用、輕量化、易操作的吊具來滿足我們的生產制造需求。

1 簡易吊具設計要點淺析

1.1 簡易吊具的一般結構

圖1

按照工作原理來分，大致有下面幾個典型結構：吊耳、吊具架、吊鉤三部分。吊耳用來安裝在電動葫蘆、氣動葫蘆上，接受動力輸入（葫蘆中有升降電機和行走電機），通常用鏈條來連接，通過升降電機收放鏈條實現吊具上下動作，同時葫蘆可以在工字鋼上直線滑移（移動速度與行走電機參數有關，可以在一定范圍內調節），實現上下、前后二維運動，從而吊運產品零件。由于零件的特殊性，通常不同的吊具吊運不同的零件，其專有性很強，這在一定程度上也說明了柔性吊具設計中會受到更多的輸入需求的約束，設計難度也更大。在此，為了分析方便，將所吊運產品零件通常為吊重。

吊耳數量的設計對整個吊具的平衡有很大的影響。當吊具吊鉤的連接方式為剛性連接時，一個吊耳進行吊掛需要考慮吊重加吊具架兩者的重心與吊耳的位置保持豎直狀態，即要求兩者的重心在空間位置的X、Y汽車坐標基本相同，這樣才能保證吊重保持水平起吊狀態，不會發生太大的傾斜變化；兩個吊耳進行吊掛則要求吊重加吊具架兩者的重心基本保持在兩個吊耳連線的豎直投影中，三個及以上吊耳進行吊掛要求吊重加吊具架兩者的重心落在吊耳組成的區域Z向投影中即可。在此簡單介紹一下汽車坐標系，在汽車車身設計中采用右手定則確定坐標系，X為汽車的長度方向，Y為寬度方向，Z為高度方向。坐標零平面按汽車滿載時確定，一般取沿車架縱梁上緣上表面平直且較長一段所在平面作為高度方向坐標的零平面，無車架的車輛可沿車身底板下表面平直且較長一段所在平面作為高度方向坐標的零平面；零平面上方為正，下方為負。將通過汽車前輪理論中心線并垂直于高度方向零平面的平面作為長度方向坐標的零平面。零平面前方為負，后方為正。把汽車的縱向對稱中心平面作為寬度方向坐標的零平面，零平面左側為負，右側為正。以下坐標均指上述汽車坐標。從數學分析中顯知一個吊耳或者兩個吊耳的設計不利于現場的安裝調試，因此通常都會增加剪刀叉機構來進行平衡吊具架。剪刀叉可以消除平面傾斜度，殘余力由機構本身承擔。當多吊耳進行起吊時，容易保證吊具架的水平狀態，通常不會采用剪刀叉結構。當吊具吊鉤的連接方式為柔性連接，即通過鏈條進行連接時，由于吊重通常體積比較大，吊鉤的數量通常都為多個，所以此時對吊耳的要求基本同上。基本上，少吊耳的吊具需要剪刀叉進行吊具架的平衡，而多吊耳的吊具則不需要剪刀叉結構進行吊具架的平衡。對剪刀叉結構，如果吊重在70Kg以上都會設置安全防護裝置，放置在剪刀叉安裝基礎上。由于剪刀叉僅僅是保持吊具架的水平，所以其基本可以認為不受力，僅僅是維持水平平衡的一個力矩差而已。剪刀叉的安裝基礎是和葫蘆剛性相連，剪刀叉下面連著吊具架，通過吊耳柔性鏈接到葫蘆上。吊具架的上升高度與剪刀叉的收縮高度有關，這需要在設計之初就明確的。

吊具架是吊具的主體，通常都是焊接件，材料為有良好焊接性能的低碳鋼，通常選Q235A。其承受吊重的重力作用，在其上按照各種性能要求添加剪刀叉、氣缸、吊鉤的剛性轉化零件等，以及鏈條放置位、安裝安全保護裝置，上面這些統屬于吊具的主體部分，是吊掛等結構的安裝基礎，需要考慮強度和剛度要求。在吊具架上結構布置通常有以下幾種形式：（1）吊鉤+剛性連接+手動操作進行打開和夾緊。（2）吊鉤+剛性連接+氣控，一般用氣缸控制吊鉤的收縮和打開，在空運或者停放時通常打開，進行吊運時將吊鉤收縮到位，吊住零件進行輸送。（3）吊鉤+柔性連接+手動操作進行吊勾和脫勾。這三種形式在車間使用都是非常普遍，通常根據生產工藝要求進行吊具吊勾方式的設計。

吊鉤是連接各部件和產品的結構，比如葫蘆的吊鉤是連接吊耳的，這里主要指吊掛產品零件的鉤子，通常針對汽車零件的吊掛位置進行力學等分析，然后再確定吊鉤的形式為柔性連接抑或剛性連接。吊鉤有時吊掛A面，則需要增加尼龍墊塊，以防止吊掛時刮傷A面。吊鉤非標設計時要注意強度校驗，防止吊掛強度不足。

1.2 簡易吊具的分類

按照吊具的動力來源不同，可以分為電動葫蘆吊具、氣動葫蘆吊、助力吊掛；按照功能分類，可以分為上線吊具、下線吊具、拼臺間輸送吊具；按照吊掛形式來分，又可以分為自動吊鉤、人力吊掛兩種。

1.3 簡易吊具設計注意要點

下面就簡易吊具在設計開發過程中需要注意的幾點著重介紹如下。在進行受力分析之前，我們需要明確一下吊具內部各部件的相對位置關系。對簡易吊具而言，吊具架是是連接吊重與葫蘆的部分，進行吊運時吊具架可以上下、前后移動。至于吊鉤，可以人力輔助勾吊，也可自行定位勾吊，相對吊具架有獨立運動。

1.3.1 平面傾斜度

首先明確我們的設計意圖：（1）當吊具空載時，即沒有吊重時，要求吊具架在吊耳作用下保持水平狀態；（2）當吊具吊起零件時，要求吊重保持水平狀態。這兩者中條件2必須滿足，條件1讓步滿足，最好都要盡量滿足。

當采用一個吊耳時，首先葫蘆吊起吊具架，當然吊具架上安裝有各種機構，這時如果要保持吊具架為水平狀態，理論上要求吊具架的重心要在吊耳的豎直下方，即保持X、Y值相同。如果兩者相差太遠，就會導致吊具架明顯的傾斜。當X值偏差過大，會導致吊具架和吊重呈現前后傾斜的姿態，如果Y值偏差過大，會導致吊具架和吊重呈左右傾斜的姿態。下面就是單吊耳時吊具架與葫蘆在空載時的簡單示意圖2，當吊具重心位置在點1處時吊具架保持水平；當吊具架的重心在位置2時，吊具架就會傾斜，傾斜角度為23連線與豎直方向的夾角，其中點3位吊耳的懸掛點。對于空載時吊具架的重心，我們可以控制其在Y向保持與吊耳的Y值相同，這樣即使吊具架發生傾斜，僅發生在XOZ平面，即吊具架呈前后傾斜狀態，同時可以優化吊具架的結構或者增加配重來調節重心位置，改善傾斜狀態。此時，吊具架的平面傾斜度就是23連線與13連線的夾角。

1、2-吊具架的重心位置，3-葫蘆懸掛點

圖2 空載時吊具架與葫蘆連接示意圖

當吊具吊起零件后，我們為保持零件在吊起時保持水平狀態，也要注意保持其重心符合一定的幾何條件。有三個理論重心需要關注：吊具架的重心1、吊重的重心2、吊具架和吊重兩者的合成重心3，這些都可以在設計過程或設計之初確定的。從數學分析，重心3必然是重心1和重心2的杠桿平衡點。當吊具架和吊重剛性連接時，我們要求的是零件在吊起的狀態保持水平，所以我們最終要保證重心2與吊耳在同一條豎直直線上，即重心2的X、Y值要與吊具架的吊耳的X、Y值相同。實際上這很難實現，因為如果零件在吊起時保持水平，數學反求可知，重心2的X、Y值要與吊具架的吊耳的X、Y值相同；又知重心3的X、Y值要與吊具架的吊耳的X、Y值相同，且重心3重心1和重心2的杠桿平衡點，這就要求重心1的X、Y值要與吊具架的吊耳的X、Y值相同。設計很難滿足三者的重心恰好在同一條豎直線上?，F在這點很多設計者并沒有注意到，很多的吊具設計存在著這樣的缺陷，到最后只能在安裝階段進行彌補，增加了安裝調試的難度，這些問題其實是來源于設計階段沒有很好的控制實現保持水平的幾何條件。

在汽車車身設計中通常Y向基本對稱，所以在左右傾斜方面程度不大，可以接受略微傾斜。在X向需要我們重點關注，如果車身傾斜過大，一是不利于輸送，因為車身在前進過程中掃略面積增大，需要更大的空間通過，也需要吊具升起更高高度，客觀上影響到了鋼結構的布置，這些都是先期輸入，不會因為吊具的設計進行更改；二是不利于產品定位，傾斜過大，使得車身進工裝定位銷困難，很難放置產品，同時也會對定位銷造車損壞。對于吊具設計，吊重的重心2是輸入條件，吊具架是我們的設計對象，需要控制吊耳的安裝位置，除去結構、力學、空間的考慮外，還要控制幾何條件。吊具的實際狀態為吊耳懸掛點與重心3在同一條豎直直線上，如果要保持吊重的水平狀態，就要求重心2和重心1兩者的質心與吊耳有相同的X、Y值，這需要調整重心1的位置；這與空載時重心1的位置基本確定有一定的沖突，這需要在兩者之間尋求一個平衡點，同時近似滿足兩者，優先滿足條件2。

通過上述分析，可以知道當采用一個吊耳吊掛吊具架，吊具架和吊鉤剛性連接時，吊重若保持理論水平狀態，可以通過增加配重來改變吊具架的重心進而改變兩者重心的位置；這可能會影響空載時吊具的水平狀態，需要尋找一個平衡即要求吊重基本保持水平又要求空載吊具架傾斜角度不致過大。此時吊重的平面傾斜度為34連線與豎直方向的夾角，該角度需要控制在一定的范圍內，保持吊重處于近似水平狀態。

下面再就多吊耳的平面傾斜度再分析一下，也即3個或以上的吊耳通過柔性鏈條與葫蘆連接。以3各吊耳設置為例，設計時吊具架重心可以大致確定，根據結構可以微調；采用不同長度的鏈條使得葫蘆懸掛點與吊具架的重心保持豎直，則基本保證空載時吊具架處于水平狀態。這個安裝調試的工作比較簡單，鏈條長度可以在設計初給出參考，以便于調整。

1為吊具架重心 2-葫蘆懸掛點

圖4空載時葫蘆與吊具架連接示意圖

當吊具架下吊掛產品零件時，吊重有一重心，該重心位置一般不能改變。這個重心的位置與圖三中空載的吊具架的重心可能不在一條豎直直線上，會導致吊重不能保持水平狀態。這個問題比較容易解決，通常設計時以吊重為輸入條件，很容易控制吊具架的重心位置，然后再通過柔性鏈條來控制葫蘆懸掛點的位置，理論和實踐都一致證明這個很容易實現三者同在一條豎直直線上，從而來保證吊重的水平狀態，來滿足輸送過程空間及人機工程的要求。其他情形的分析方法同上，不再一一贅述。

1.3.2 力學平衡分析。單吊耳時，吊重受有重力和吊鉤的拉力，兩者保持平衡。依據產品本身的剛度會在產品選擇合適的位置進行吊掛，在產品本身較重的情況下還需要對吊鉤的柔性鏈條進行強度方面的校驗，保證吊掛不會發生斷裂失效。吊具架受有吊具本身的重力、柔性鏈條對吊具架的下拉力、葫蘆對吊具架的拉力（作用點在吊耳處）；此時，危險截面應為葫蘆吊耳的柔性鏈條處，應該對鏈條規格如截面直徑加以限制，保證強度要求。

多吊耳時，吊具結構的受力狀況得以好轉，鏈條受力被分散，安全系數增加?？傮w來說，在受力分析這方面，可以利用更多的經驗數據來進行設計。

1.3.3 人工操作事項。簡易吊具的輸送通常都有人工輔助，在吊重上升過程中，操作者人工輔助可以保證吊重基本處于水平狀態，還可以放置吊重在上升過程中的水平面內的轉到，使得吊重平穩升降和前進。這些都會存在一定的安全隱患，需要操作者注意操作規程，防止事故發生。

當吊具運動部分出現卡滯時要及時檢修，更換新零件。由于吊具重量大，且屬高空工作，其危險程度較高，所以必須注意日常保養工作，出現問題要馬上解決。

2 簡易吊具的發展方向

2.1 缺點

體積大，重量也大，占用相當的空間，一定程度上影響輸送便利性和員工的操作性；簡易吊具的動力源選擇有限，電動/氣動葫蘆的縱向滑移速度有一定的限制，會對高節拍有所影響。

2.2 優點

結構簡單，焊接強度較好；型鋼下料，利于加工；安裝調試方便。

2.3 發展方向

現在的焊接吊具架一般都比較笨重，因此輕量化一直是汽車輸送吊具的改進方向?？梢愿淖兪褂貌牧希瑑灮附咏Y構等方法進行減重，目前還處于探索狀態。另外，由于現在生產線都在追求柔性化和高節拍，所以對葫蘆的輸送速度要求提高，目前葫蘆的前進速度略慢，在基于安全的前提下還有提速的空間，所以這應該也算是簡易吊具的一個發展趨勢。最后，由于現在的簡易吊具往往體積龐大，操作性比較差，考慮到人機工程，減小簡易吊具的體積增加其操作性也應是簡易吊具的發展方向。以我們目前的經濟發展水平來看，在相當長一段時間內我們的制造業可能還會繼續使用簡易吊具，因此也需要我們對簡易吊具的設計、制造、安裝調試進行一定關注，來保證汽車焊裝生產線的生產水平。

3 結束語

針對簡易吊具存在的生產現狀，分析簡易吊具的優缺點和今后的發展方向。重點關注簡易吊具在設計過程中忽略的設計要求，明確吊具設計的兩大前提：（1）當吊具空載時要求吊具架保持水平狀態；（2）當吊具吊起零件時，要求吊重保持水平狀態。通過引入平面傾斜度分析單吊耳和多吊耳兩種情況下吊重的水平保持狀態，介紹了設計、安裝調試過程中各個注意事項。當然還有一些考慮不到或者不周全的地方，敬請指正。

作者簡介：李飛（1981-），男，河南南陽，工程師，碩士，目前主要從事車身工裝夾具設計、汽車焊裝生產線的開發工作。