某總裝車間重載吊具柔性提升方案研究

摘要：某總裝車間導入的新車型與原車型的車身工藝孔位置差異較大，現有吊具無法滿足生產需求。為此，提出了一種更換吊具支點和后托臂實現2種平臺車型共線生產的方案。該方案大幅降低了吊具的改造工作量和對相關設備的影響，縮短了吊具改造周期，降低了新車型融入的成本。基于ANSYS仿真平臺分析改造后的吊具在靜態工況和動態工況下的剛度、強度，對吊具樣件進行在線空載運行測試和帶車裝配測試。結果表明：改造后的吊具能夠滿足2種平臺車型共線生產需求。

關鍵詞：重載吊具 承載能力 柔性提升 有限元分析

中圖分類號：TH122；U467 "文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240062

Research on Flexible Lifting Scheme for Heavy Load Spreader in an Assembly Workshop

Hu Jiyong， Liu Jiejun， He Jiatang， Zhang Weilong

（FAW-Volkswagen Automotive Co.， Ltd.， Changchun 130011）

Abstract： Due to the significant difference in the position of the body pivot holes between the new model produced in an assembly workshop and the original one， the existing spreader can’t meet the production needs. Therefore， a solution is proposed to achieve co-production of 2 platform vehicle models by replacing the lifting fulcrum and rear support arm. This solution greatly reduces the modification workload of spreader and the impact on related equipment， shortens the spreader modification cycle， and reduces the cost in integrating new vehicle models. Based on the ANSYS simulation platform， the stiffness and strength analysis of the modified spreader under static and dynamic working conditions are carried out. Online no-load operation testing and vehicle assembly testing are carried out on the spreader samples. The results show that the modified spreader can meet the co-production needs of this dual platform models.

Key words： Heavy load spreader， Carrying capacity， Flexible lifting， Finite element analysis

1 前言

汽車正在向電動化、智能化、網聯化方向發展。傳統汽車制造企業需要進一步豐富產品陣容、提升產品品質，降低生產成本。充分利用現有設備、產能進行多車型、多平臺混線生產成為各主機廠的選擇。在汽車生產中，機械化輸送設備至關重要，吊具、滑板等輸送設備的生產柔性相對較低，更新成本高，更換周期長[1]。本文提出一種通過改造吊具托臂及支點機構實現不同工藝孔位置的車型共線生產的方法，降低新車型融入成本。

某車型吊具應用于總裝車間底盤裝配線，支點位置固定，僅能滿足原平臺車型的生產。受電池的影響，新車型與原車型的車身工藝孔位置差異較大。結合該車間未來的產品規劃和吊具的結構特點，綜合考慮成本投入、改造時間、質量穩定性等因素，提出一種僅更換吊具支點銷和后托臂的方案。通過ANSYS仿真平臺分析改造后的吊具在靜態工況和動態工況下的剛度、強度[2-3]，并對吊具樣件進行在線測試，能夠滿足2種平臺車型共線生產需求。

2 重載吊具改造方案

2.1 重載吊具的結構組成

重載吊具（后文簡稱吊具）的承載能力通常大于1 t，主要用于總裝車間底盤裝配線的車身輸送以及線體間車身的轉運，包括頂架、大臂、托臂及支點銷。

吊具通過4個支點銷托舉車身底部工藝孔，采用偏心鎖片將車身與吊具結合在一起。按照大臂結構型式的不同分為四柱式吊具、C型吊具和T型吊具。其中，四柱式吊具包含4個大臂，大臂上部通過軸承與頂架相連，每個大臂下部安裝獨立的托臂和支點銷，如圖1所示。

2.2 吊具的柔性提升方式

車身工藝孔位置是吊具的重要參數。目前，多平臺、跨級別的車型共線生產已成為新常態，車身工藝孔位置難以保持一致，吊具必須具備一定的柔性調整能力。提升吊具的柔性調整能力一般采用以下方案：

a. 采用滑移或旋轉機構實現支點位置調整，多車型共用一套支點，如圖2a所示；

b. 采用雙支點或多支點機構，每種車型對應一套支點，如圖2b所示；

c. 前支點共用，后支點采用托舉輪胎的方式承載不同車型。

其中方案a較常用；方案b的支點機構通常會影響車身底部零部件的裝配，如果支點超出車身范圍，還會影響工人行走，應用較少；方案c需提前安裝輪胎，僅能應用在輪胎安裝工位后，在底盤裝配線上無法應用。因此，吊具支點能否共用是實現不同車型共線生產的關鍵。

2.3 吊具改造方案制定

制定吊具的改造方案時應考慮以下因素：吊具的承載能力；線體通過性；與零部件裝配工藝的匹配性，包括底護板、門檻條、制動油管、電池、電池冷卻水管等；與相關設備的匹配性，包括轉掛升降機、開鎖站、閉鎖站、換型站、底盤托盤、車門安裝機械手、輪胎安裝機械手等；吊具是否需要返廠加工；新、舊吊具是否共線運行等。吊具結構復雜且數量較多，需要多次調整校驗才能穩定運行，對相關設備的影響較大，其改造方案應盡可能簡單。

如圖3、表1、表2所示：新車型與原車型的前支點位置在x方向上相差100 mm，在y方向上相差8 mm；后支點在x方向上相差412 mm，在y方向上相差49 mm。前支點位置差距較小，后支點差距較大，改造難度很大。

經過多輪論證后，吊具由最初的整體更換優化為僅更新吊具的支點和后托臂，大大減少了改造工作量，降低了成本，縮短了改造周期。具體方案如下：

a. 前支點：托臂、連接板等主體結構保持不變，更換前支點銷軸，新銷軸采用雙層偏心旋轉機構，其中，內層為偏心鎖片，用于車身與吊具的結合；內、外層偏心機構同時旋轉180°后，支點銷可在y方向調整8 mm，從而實現換型。如圖4所示，支點銷軸受到z向外力時可相對于托臂向上移動，支點銷中部與托臂之間安裝有彈簧，外力消失后，在彈簧彈力作用下復位；限位銷與托臂固定連接，卡在支點銷外側的限位槽中，約束了外層偏心機構的z向轉動，此時換型撥片無法撥動，當支點銷向上移動至其限位槽高出限位銷時，可撥動換型撥片；鎖緊撥片可單獨撥動，也可與換型撥片同時撥動。在轉掛點，新車型的吊具停止位置相對于原車型前移100 mm，以消除前支點在x方向上的差異。

b. 后支點：更換新的托臂及支點銷，可以旋轉調整位置，如圖5所示，當支點銷位于位置1時承載原車型，當支點銷位于位置2時承載新車型。支點銷與托臂固定連接，限位銷可約束托臂繞旋轉軸的轉動。托臂的定位孔位置保持不變，托臂與大臂的連接方式保持不變，仍通過4組螺栓連接。

c. 換型過程：改造后的吊具可實現自動換型。在轉掛升降機前設置換型站，當吊具運行至換型站時，首先檢測支點當前所處的車型位置，與吊具車組控制器中的待轉掛車型信息進行比對，如果二者不一致，則進行換型。換型時，吊具先下降一定高度，使前支點銷在受到換型機構的支撐作用時相對于托臂向上移動，直至其限位槽高出限位銷；同時將后托臂限位銷從限位孔中頂出，使其脫離限位銷的轉動約束。接著由電機驅動撥桿撥動鎖緊撥片和換型撥片使前支點銷旋轉180°，實現位置切換；后托臂在氣缸的推動下實現位置切換；然后吊具上升，在復位彈簧彈力作用下，前支點銷限位槽落入限位銷中、后托臂限位銷落入限位孔中，確保支點位置不變。最后再對吊具支點位置進行檢測，如果與待轉掛車型信息一致，吊具放行，否則，系統報警。

該吊具改造方案實現了傳統MQB平臺及新電動車平臺的共線生產，可以滿足A、B、C級多款車型的生產需求，具有較高的柔性能力。按照該方案，新支點銷、托臂加工完成后，可在生產現場直接更換，更換時間短。該方案對吊具頂架、大臂沒有損傷，可以保持較好的質量穩定性。新、舊吊具定位孔位置一致，對線上原有定位機構沒有影響，可實現新、舊吊具同時運行。

3 吊具剛度與強度分析

由于結構變化，吊具的受力也會發生變化。為確保吊具符合承載要求，對改造后的吊具進行靜態工況、動態工況下的承載能力分析。

3.1 有限元模型建立

應用HyperMesh、ANSYS軟件對吊具進行剛性和強度分析，其中，HyperMesh用于建立分析所用的有限元模型[4-8]，如圖6所示。結構模型使用殼單元與體單元混合搭建，部分螺栓、鉸鏈使用剛體單元進行簡化。該吊具頂架主體結構為方管型材，材料為Q235A，大臂及托臂材料為16Mn，如圖7所示，圖中黃色區域材料為Q235A，藍色區域為16Mn，表3為吊具材料參數。該吊具設計承載能力為3 t，按照車身重心位置的分布，前支點加載力為5 570 N，后支點加載力為9 130 N。

3.2 有限元剛度分析結果

當負載增加后，吊具支點在垂直方向的位移增大，可能會導致車身與開鎖站、底盤托盤等設備干涉，影響吊具的通過性。如圖8所示，在靜載工況下頂架的最大變形量位于吊具打開機構的支撐輪上，位移為2.43 mm，托臂及支點銷的最大位移為6.77 mm。

吊具在運行過程中可能會受到后車的碰撞沖擊載荷，此時支點在垂直方向上會有明顯的位移變化，因此，需要研究吊具在瞬時沖擊載荷下的剛度。對吊具進行了動態測試，獲取吊具承載新車型（模擬負載為3 t）時，垂向方向的動載系數為1.5。如圖9所示，在1.5倍的動載工況下，頂架的最大位移為3.87 mm，托臂及支點銷的最大位移為10.15 mm，該位移量不影響吊具的通過能力。

3.3 有限元強度分析結果

如圖10所示，在靜態工況下，頂架的最大應力為122.38 MPa，小于Q235材料屈服強度235 MPa。托臂及支點銷后的最大應力為185.09 MPa，小于16Mn材料屈服強度343 MPa。

如圖11所示，在1.5倍的動載工況下，頂架的最大應力為183.57 MPa，小于Q235材料屈服強度235 MPa。托臂及支點銷后的最大應力為277.64 MPa，小于16Mn材料屈服強度343 MPa。

（a）頂架

（b）大臂、托臂及支點銷

（a）頂架

（b）大臂、托臂及支點銷

4 吊具樣件功能驗證

由于現場設備的實際狀態與其三維數模的狀態存在一定偏差，僅采用數字化方法無法確保改造后的吊具滿足生產要求。為充分驗證吊具的通過性、與零部件裝配工藝的匹配性及與相關設備的匹配性，按照設計方案改造了1臺吊具，并將此樣件在線體上進行空載運行測試和帶車裝配測試（原車型），對新車型進行了線下模擬裝配測試，如圖12所示。

線上空載運行測試及帶車裝配測試時，吊具樣件在生產線上自動向前運行，在換型站、轉掛升降機、閉鎖站、底盤合裝、開鎖站等關鍵設備處采用手動方式完成相應的動作。吊具與線旁設備的動態距離應不低于20 mm，其中，在轉掛升降機內要確保升降機托臂的運行軌跡與吊具之間的距離大于30 mm，防止轉掛時與吊具干涉。帶車裝配測試需重點關注底盤合裝、底護板、門檻條、制動油管等零部件裝配工藝是否與吊具干涉，是否符合人機工程的要求。為減少對生產的影響，新車型裝配測試在線下進行。利用吊具上線口的電動葫蘆將吊具及車身提升至所需的裝配高度，重點檢查電池總成合裝時與吊具的間隙是否滿足要求，測試用電池總成沒有包含電池包，其他部分均與實際生產時的電池總成一致，大幅降低電池總成的質量，提升測試效率。測試結果表明，該吊具改造方案可滿足2種不同平臺車型的生產。

5 結束語

結合新車型、原車型車身工藝孔位置信息及吊具的結構特點，提出了通過更換吊具支點銷和后托臂提升吊具柔性承載能力的方案：前支點銷更換成雙層偏心旋轉機構，實現支點位置調整，并將車身與吊具結合；后支點采用旋轉機構實現2種車型工藝孔的位置切換，保留了原托臂的定位孔及與大臂的連接方式，大幅降低了改造工作量及對線體其他設備的影響，保證了吊具改造后的質量穩定性，縮短了吊具改造周期，降低了新車型融入該生產線的成本。

通過ANSYS仿真平臺對改造后的吊具進行靜態工況和動態工況下的剛度、強度分析，制作吊具樣件，對吊具樣件在線體上進行空載運行測試、帶車裝配測試（原車型），針對新車型進行了線下模擬裝配測試。結果表明，該吊具改造方案能夠滿足2種平臺車型的共線生產。

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