基于真空吸附定位的汽車車身凹陷修復裝置設計

包攀峰，歐佳順，李濤

（1.410124 湖南省 長沙市 長沙航空職業技術學院；2.410124 湖南省 長沙市 湖南省飛機維修工程技術研究中心）

0 引言

隨著人民生活水平不斷提高以及制造業的高速發展，汽車價格越來越低，成為大眾出行交通工具。隨著化石能源不斷減少，汽車制造商通過減輕整車質量以降低小轎車耗油量，有些傳統車身材料被新材料取代；或者在達到設計強度下，降低某些零件厚度，以達到輕量化目的[1-2]。相關研究表明，汽車質量每降低10%，將使得油耗下降8%、排放下降4%[3]。由于高強度鋼制造成本比其他材料低，具有較高的抗拉強度和塑性，因此目前市場上小轎車車皮的主要材料為高強度鋼[4-6]。最新研究數據顯示，高強度鋼的抗拉強度可達980，1 180 MPa 級別。相關數據顯示，目前的車皮厚度范圍0.7～1.6 mm 之間，而處于1 mm 左右的較多，尤其是日產系列的車子。汽車車板變薄固然會造成強度降低，因此在意外事故中碰撞容易造成凹陷，較小的凹陷雖然不會造成汽車性能影響，但是影響美觀，去4S 店修復凹陷需要專業技術人員和專用凹陷修復工具，且需要花費較高的修理費用。為能讓非專業修理人員對汽車車板在小事故中碰撞造成的凹陷進行修復，減少修理成本，急需研究出一種成本低廉、操作方便、專業要求低的汽車凹陷修復工具。

目前國內外對于小事故凹陷修復技術研究較少，如圖1 所示，在4S 店對于汽車車身板件表面小事故的凹陷修復方法主要有手工敲擊修復和汽車整形修復機拉伸修復，用的工具基本上就是錘子、葫蘆吊、氧乙炔焊設備等。

圖1 傳統的凹陷修復方法Fig.1 Traditional method of dent repair

具體的操作工藝為用形狀不同的錘子，在鈑件后面墊鐵塊，反復敲打，使之恢復成形[7]。這種修復需要將凹陷板從車身上拆除，過程較為復雜，花費時間較長。

車身凹陷時，利用車身修復機把墊片焊在車身上，然后用鉤子往外拉，修復凹陷的部位。對鈑金件被拉長的部位，還要進行金屬收縮，即“收火”,但是這2 種修復技術需要比較專業的維修人員才能操作，維修技術人員要進行理論培訓、實踐操作[8-12]，因此難以推廣。目前，市場上出現了一些汽車車皮凹陷修復工具，如圖2 所示，所需要的整套工具眾多，且需要輔助材料，比如需要強力膠用于固定，恢復完成后還需要用專用的清除劑清洗表面的強力膠。有些工具恢復過程完全是靠個人力道，因此容易造成凸起或者恢復不完全。以上這些對于小意外造成的凹陷修復工具存在較多的不足，基于上述問題，本文設計出了一種通用性強、操作方便、能夠快速定位、適用場合廣泛的汽車車板凹陷修復裝置。本文主要從結構原理、力學分析等方面闡述本裝置的優點。

圖2 現有市場上的凹陷修復工具Fig.2 Dent repair tools available on the market

1 結構設計與原理分析

1.1 主要結構分析

根據相關機構的研究與設計[13-15]可知，柔而有彈性的吸盤可以很方便地實現快速吸持、脫開、固定等功能，并且不損傷物體表面，采用氣力式傳動，可以快速調節定位。綜合分析當前氣力式機構的優點和汽車常用材料及厚度，本文設計了一種便于攜帶、成本低廉、操作簡單、恢復精準的汽車鈑金凹陷修復裝置，該裝置不僅可以用于小汽車凹陷修復，也可以用于其他薄板的凹陷修復，具有較廣的適用范圍和操作方便性。本裝置主要由3 根定位桿、定位桿末端的定位吸盤、恢復滑動桿、滑動桿末端吸盤、連接架、單向氣閥、氣缸等組成，其結構原理如圖3 所示。3 根定位桿套筒上端通過軸連接均勻分布在固定支架上，通過軸連接可調節固定桿套筒與固定支架的角度，以適應不同面積的凹坑定位；固定桿套筒與定位螺桿通過滑道連接（見圖4），可快速調節長度，伸長到適合長度后，轉動定位螺桿到一定角度即可固定長度；定位螺桿末端與定位吸盤通過球鉸鏈連接，以適應不同斜度的汽車表面吸附；吸盤末端有單向氣閥（單向閥門見圖5），當需要吸附時，手動真空泵通過單向氣閥將里面的空氣抽出，使得內部呈現負壓狀態，從而將吸盤吸附在汽車表面；滑動連桿安裝在氣缸內部，滑動桿表面有刻度尺，可以隨時看出恢復的高度，氣缸末端和滑動連桿末端的吸盤也有單向閥，當需要快速伸長時，打開單向閥門，需要向上拉伸時，通過真空泵將里面的空氣抽空，從而使滑動桿向上移動，滑動連桿末端的吸盤將凹陷的地方向上拉，從而實現表皮恢復，通過更換不同直徑大小的吸盤，可以適應不同面積的凹陷修復。

圖3 汽車鈑金凹陷修復工具結構圖Fig.3 Structure diagram of tool for repairing sheet dent of automobiles

圖4 固定桿套筒與定位螺桿通過滑道連接Fig.4 Fixing rod sleeve connected with positioning screw through a slideway

圖5 單向氣閥Fig.5 One-way air valve

1.2 工作原理分析

需要修復汽車鈑金薄板凹陷時，先將滑動末端吸盤定位到凹陷最低位置，然后，利用手動真空泵將吸盤內部的空氣抽出，使得內部處于真空狀態，從而吸附在凹陷處。然后，將3 個定位吸盤放到凹陷周圍合適的位置，調整定位螺桿與定位套筒的長度位置，旋轉一定角度，使其長度固定，再利用手動真空泵將定位吸盤內部的空氣抽空，使其處于真空狀態，從而牢牢吸附到支撐點表面。所有的點固定以后，利用手動真空泵通過氣缸上端單向氣閥將氣缸內的空氣慢慢抽空，當凹陷恢復到原始位置時停止抽氣，避免鈑金突出。為防止剛恢復的凹陷處由于較小的塑性變形再次凹進去，將該位置停留一定時間即可，整個凹陷修復過程就這么輕松地完成了。

2 可行性分析與受力分析

目前，市場上大部分的汽車鈑金薄板采用的材料基本為高強度鋼，具有良好塑性和恢復性能。鈑金變形主要分為彈性變形和塑性變形，目前，大部分的小事故撞傷凹陷通過外力作用可以恢復到原來形狀。為了簡化受力模型，假設碰撞凹陷面為均勻圓弧形狀，滑動桿吸盤到凹陷邊緣的距離處處相等，且為L；滑動桿與3 個定位螺桿所形成的夾角均為α；F 為滑動桿對凹陷處的拉力，F1，F2，F3分別支撐點對3 個定位螺桿的作用力；F1’定位吸盤對支撐點的反作用力；Ff為定位吸盤對支撐點的摩擦力；FN為定位吸盤對支撐點的壓力。汽車鈑金凹陷恢復過程可以看成只受到彎曲應力。受力模型如圖6 所示。

圖6 受力模型圖Fig.6 Stress model diagram

受力分析如下：

假設各定位螺桿的支撐力與氣缸的夾角均為α，能夠支撐起拉桿移動的條件可由力的平衡條件得到，如式（1）所示：

由純彎曲的正應力計算公式[14]可知，要使凹板恢復到原來位置的拉力須滿足以下條件：

式中：WZ——抗彎橫截面系數；[σ]——許用應力。

由式（1）可知，夾角α越大，F1，F2，F3所受的力越大，因此在定位時不宜采用過大的定位夾角。

對其中一個定位吸盤進行受力分析，假設定位螺桿與鈑金面的夾角為β，定位吸盤與鈑金的摩擦系數為f，圖4 中F4為吸盤的吸附力，則定位吸盤不滑動及其不掉落的條件為

式中：F——理論吸附力大小，N；P——絕對壓力，為微型真空泵的絕對真空度，kPa；S——吸盤有效面積，cm2。

將式（5）分別代入式（2）、式（3）、式（4）分別得到滑動桿末端吸盤不掉落、定位吸盤不移動和不掉落的式（6）、式（7）、式（8）。

滑動桿末端吸盤能吸附的條件為

從式（6）、式（7）、式（8）可知，在抗彎橫截面積系數WZ，鈑金材料許用應力[σ]、F1和β為定值的情況下，要同時滿足以上3 個條件是比較容易實現的，可以增加真空P 和吸盤面積S，而汽車表皮鈑金一般比較薄，因此抗彎強度不是很大，所以需要的吸附力和吸盤面積不需要很大就可以滿足。因此從以上的受力分析可知，該凹陷修復工具可以完全滿足日常生活中小事故汽車車板凹陷修復的性能要求，且普通人員也可以進行操作。

3 結論

通過以上分析可知，真空吸盤定位具有快速吸附、不損傷汽車表面材料，不留其他異物到汽車表面的優點；該汽車鈑金凹陷修復裝置更換不同直徑的吸盤具有適應不同凹陷面積大小，3 個定位桿可以實現不同角度的定位，可適用于車身任何一個部位凹陷修復。

該裝置便于攜帶，定位桿螺桿和滑動桿可以快速伸縮調節和長度定位，簡化了操作者的工作流程，對操作人員要求不是很高，故具有廣泛的市場推廣價值。

該裝置尚未制造出實物，下一步需針對實物裝置進行試驗，采集相關數據，以便改進。