四桿機構在車門包邊上的應用

農明滿

【摘 要】隨著消費市場需求的提高和汽車制造產業的發展，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量的需求，并嘗試從工藝構建分析、運動軌跡模擬仿真、包邊力學計算等方面，分析和驗證四桿包邊機構在桌式包邊設備中的可行性，指出其技術優勢，介紹其在汽車車門包邊中的應用效果，并總結歸納出開發要點和注意事項，給后續汽車車門包邊設備的開發提供一定的參考。

【關鍵詞】四桿機構；車門；內板；外板；翻邊；包邊

【中圖分類號】U463.834 【文獻標識碼】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，加上工業化的發展，汽車價格不斷地下滑，汽車逐步由原來體現身份的奢侈品，慢慢轉變成人們日常生活的必需品。消費需求的提升，給汽車產業帶來迅猛的發展。在過去的2016年，中國汽車產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%，無論產銷量還是增長率，均已位居全球首位。而隨著人們生活品質和認知水平的提高，對汽車的外觀和性能也提出了更高的要求，如造型優美、性能可靠、安全性強等，這也對汽車制造技術提出了越來越嚴苛的挑戰。車身門蓋的生產是汽車制造過程中的重要一環，而車門包邊又是涉及車門性能及外觀質量的一個關鍵步驟，包好邊的車門，具有加固、防銹、美觀等功能，如何實現良好的車門包邊，將直接影響整車靜態和動態的感知質量，進而影響消費者的購買欲。因此，如何根據產品特點選用合適的包邊執行機構來滿足包邊質量要求，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，以及內板要放置到外板內的問題，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，很容易導致車門產生表面凹凸、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：內外板扣合、預包邊、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板扣合在一起，然后用包邊設備上的壓刀或者滾輪對外板翻邊進行45°左右的預包邊，最后把翻邊包成0°，這時，外板和內板能充分地貼合，可以起到美化外觀和強化結構的作用。實際生產中，預包邊還可以根據外板的形狀和翻邊的初始角度，結合不同的包邊設備進行靈活處理，在一定范圍內選擇最佳的預包邊角度，比如翻邊角度過大，可以先預包邊到50°，甚至再細分成2步預包邊，從而保證良好的包邊質量。

衡量包邊質量的好壞，主要有以下幾個指標：內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外板之間的間隙而導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，這也是經過反復試驗和驗證得出的可執行標準。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，會導致外觀質量下降，無法體現汽車造型設計的創意，甚至導致開關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致風阻加大，噪音增大，燃油經濟性下降，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準。而外觀圓角和表面質量，也直接關系到整車的美觀程度，外觀圓角清晰而一致性好，表面質量不產生凹凸、波浪等缺陷，則能很好地體現造型設計風格。一般來說，在造型設計階段，就會對外觀圓角提出明確的要求，以便能實現造型本身的創意。上文所說的這些質量測量指標，在生產制造過程中，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。

根據包邊工藝的不同，包邊設備可以分為三大類：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動源，分為上、下模，對車門零件進行整體包邊，該設備前期投資高、占用場地大，優點是生產節拍高，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，通過多組機構的連桿動作，對零件進行包邊，其場地占用小，比較靈活，生產節拍高，可達60 JPH，比較適合產量高的專線生產。而機器人滾邊機，則是利用滾輪對零件進行反復滾動實現包邊，生產節拍較低，一般在40 JPH以下，但它的柔性化程度高，適合小批量、多品種的產品生產要求。各汽車廠都會根據自身產品的特點和廠房規劃，選用適合自身的包邊設備。結合某公司產量高、物流多處交叉、場地多變的特點，桌式包邊設備得到較為廣泛的應用。而針對桌式包邊設備，傳統的單杠桿包邊機構雖然結構簡單，但是包邊過程中角度變化較大，包邊質量不夠穩定，已無法滿足包邊質量提升的迫切需求。鑒于此，我們結合包邊的特點和需求，對四桿包邊機構的開發進行簡單的分析和驗證。

2 四桿機構的構建

常見桌式包邊設備的包邊執行單元一般是由預包邊機構、主包邊機構及胎模組成（如圖2所示）。預包邊機構和主包邊機構分別對車門外板翻邊進行預包邊和主包邊，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。

在設計過程中，我們可以根據上面所說的包邊工藝，構建2組四桿機構來分別執行預包邊和主包邊2個動作。如圖3所示，首先預包四桿機構進行動作，對車門外板翻邊進行90°～45°預包邊。然后預壓機構打開，四桿主壓機構進入，對車門外板翻邊從45°～0°的主包邊，為確保翻邊產生塑性變形不反彈，一般會保持壓力1～2 s，之后四桿主壓機構打開，一個包邊循環結束。在設計過程中，應考充分考慮材料強度、干涉避讓空間、驅動力及輸出壓力等因素。

3 四桿機構的運動軌跡規劃

影響包邊質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量，而不好的切入角度，則可能會引起多種質量缺陷，如下塌、凹陷、外翻、內板切邊外露等，嚴重的可導致車門零件報廢。傳統的手工計算不但費時費力，而且不夠直觀，隨著計算機技術的飛速發展，我們可以利用3D運動分析軟件對四桿機構進行運動仿真。利用“西門子”開發的Unigraphics NX三維軟件，進入運動仿真環境，導入四桿機構的3D數模，定義活動連桿和運動副，結合驅動源，可以對機構進行精確運動仿真模擬。而且，除了單個機構的仿真，還可以通過定義時間次序，對整套設備進行聯動分析模擬。通過運動模擬仿真，我們可以快速、有效地驗證每一個區域的包邊切入角度，尋找最優的包邊設計方案。如圖4、圖5所示，對比傳統的單杠桿包邊機構，四桿機構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定不同的旋轉點來滿足不同的包邊形狀。例如，預壓過程中把翻邊從90°包到45°，需要的橫向力較多，我們可以把連桿的旋轉點設置得低一些。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點設置得高一些。此外，運動仿真還可以提前檢查機構內部及機構之間的間隙，避免干涉，從而減少后期干涉造成的返工，節約人員的投入、縮短裝配和調試周期。

4 四桿機構的壓力計算

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進行最低壓力計算校核。

在四桿機構中，為了簡化計算，我們可以把壓刀和刀座作為剛體，根據杠桿力矩平衡原理，F1×L1=[F2/cos（a）]×L2，如圖6所示，在主壓機構中，我們假設油缸直徑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°。代入力臂設計數據，則F2=F1×L1×cos（a）/L2=122.6×180×cos30°/160=119 kN。在實際應用中，a的取值一般比30°還要小，再加上壓刀和刀座自身的重力，機構實際產生的包邊壓力會比119 kN更大。按照主包邊標準單位壓力為160 kN/mm，以常見的車門輪廓邊為700 mm的標準長度來計算，所需的包邊壓力為160×700=112 kN，因此該機構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準機構，可以實行模塊化設計，大幅縮短開發周期。

預壓機構中，我們為了避免干涉，采用雙液壓缸形式，取油缸直徑D=80 mm，油壓P=10 MPa，代入力臂設計數據，那么F1=2×π×（D/2）2×P=100 kN，結合預壓所需的標準單位壓力為65 kN/mm，完全可以滿足1 500 mm長度的預壓。這樣就能應對絕大部分車門輪廓邊的包邊，從而能夠形成模塊化設計。而在實際應用中，預壓壓力過大可能會導致包邊變形，我們可以通過調節液壓缸壓力，找到最佳的工藝參數，以實現良好的包邊質量。

5 四桿機構的技術優勢和應用效果

由以上分析可知，四桿包邊機構主要有以下技術優勢：{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，質量一致性高；{2}結構簡單可靠，采用分體式易于維修，包邊質量調試方便；{3}通過形成標準機構，減少機構種類，可以進行模塊化設計和制造，有比較好的通用性，利于快速成線投產；{4}動作簡單，速度快，生產節拍高，可達60 JPH。基于以上優勢，以該技術為主體自主開發的桌式包邊設備，在某公司的車門包邊上得到了大規模的推廣和應用，打破了少數專業公司的壟斷，先后生產了多款miniVAN、MPV暢銷車型，產銷量連續多年位居國內汽車行業前列，并已走出國門，產品遠銷東南亞、中東、非洲、拉美等地區的新興市場。

6 結語

結合四桿包邊機構的設計分析過程可以看出，四桿機構是一種質量優良的包邊機構，有比較廣泛的適應性，可滿足大部分汽車車門的包邊需求。同時我們發現，包邊設備的開發，要根據產品結構特征選用相應的包邊方案。包邊機構必須在保證強度的前提下，滿足運動空間需求，以及主預包邊最小壓力要求。同時，也要求我們除了設計之外，對包邊設備的制造和裝配，以及包邊設備的調試，都需跟蹤監測到位，只有這樣，才能獲得良好的包邊質量，生產出合格的車門總成零件。

參 考 文 獻

[1]聞邦春.機械設計手冊（第二卷）[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]Unigraphics Solutions Inc.UG運動分析培訓教程[M].胡曉康，譯.北京：清華大學出版社，2003.

[3]張世曉.靜態感知質量在汽車新產品研發過程中的應用研究[J].企業科技與發展，2016（1）.

[責任編輯：陳澤琦]