四杆机构在车门包边上的应用

农明满

【摘 要】随着消费市场需求的提高和汽车制造产业的发展，车门包边要求也越来越高。文章阐述汽车车门包边的基本原理、包边机的分类及包边质量的需求，并尝试从工艺构建分析、运动轨迹模拟仿真、包边力学计算等方面，分析和验证四杆包边机构在桌式包边设备中的可行性，指出其技术优势，介绍其在汽车车门包边中的应用效果，并总结归纳出开发要点和注意事项，给后续汽车车门包边设备的开发提供一定的参考。

【关键词】四杆机构；车门；内板；外板；翻边；包边

【中图分类号】U463.834 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）02-0076-03

0 前言

随着人民生活水平的不断提高，个人可支配收入随之提高，加上工业化的发展，汽车价格不断地下滑，汽车逐步由原来体现身份的奢侈品，慢慢转变成人们日常生活的必需品。消费需求的提升，给汽车产业带来迅猛的发展。在过去的2016年，中国汽车产量和销量分别达到了2 811.9万辆和2 802.8万辆，比2015年同期分别增长14.5%和13.7%，无论产销量还是增长率，均已位居全球首位。而随着人们生活品质和认知水平的提高，对汽车的外观和性能也提出了更高的要求，如造型优美、性能可靠、安全性强等，这也对汽车制造技术提出了越来越严苛的挑战。车身门盖的生产是汽车制造过程中的重要一环，而车门包边又是涉及车门性能及外观质量的一个关键步骤，包好边的车门，具有加固、防锈、美观等功能，如何实现良好的车门包边，将直接影响整车静态和动态的感知质量，进而影响消费者的购买欲。因此，如何根据产品特点选用合适的包边执行机构来满足包边质量要求，需要我们进行分析和验证。

1 包边的基本工艺

通常来说，由于冲压模具拔模角的影响，以及内板要放置到外板内的问题，车门外板翻边角度一般为90°～110°，如果包边一步到位，钢板变形过大，很容易导致车门产生表面凹凸、变形、褶皱、圆角不均等缺陷，因此实际的包边过程包括以下几个步骤：内外板扣合、预包边、主包边（如图1所示）。在进行包边之前，首先把冲压车间送过来的外板跟焊接好的内板扣合在一起，然后用包边设备上的压刀或者滚轮对外板翻边进行45°左右的预包边，最后把翻边包成0°，这时，外板和内板能充分地贴合，可以起到美化外观和强化结构的作用。实际生产中，预包边还可以根据外板的形状和翻边的初始角度，结合不同的包边设备进行灵活处理，在一定范围内选择最佳的预包边角度，比如翻边角度过大，可以先预包边到50°，甚至再细分成2步预包边，从而保证良好的包边质量。

衡量包边质量的好坏，主要有以下几个指标：内外板的包边贴合程度、车门间隙和段差、外观圆角的均匀性、表面质量。包边贴合程度直接影响车门的密封性能，如果过松，车门进入涂装后会由于内外板之间的间隙而导致密封胶烘烤固化过程中起泡失效；过紧，则板材容易变形。要达到比较好的效果，包边厚度一般等于理论3层板厚度加上（0，+0.3）的公差，这也是经过反复试验和验证得出的可执行标准。而间隙和段差，则影响整车的匹配，间隙段差超差或波动过大，会导致外观质量下降，无法体现汽车造型设计的创意，甚至导致开关门过程中零件相互干涉，造成零件掉漆生锈，行驶过程中也容易导致风阻加大，噪音增大，燃油经济性下降，进而影响消费者对该汽车品牌的评价。各汽车厂基于成本投入和制造水平的差异，会有不同的尺寸公差标准。而外观圆角和表面质量，也直接关系到整车的美观程度，外观圆角清晰而一致性好，表面质量不产生凹凸、波浪等缺陷，则能很好地体现造型设计风格。一般来说，在造型设计阶段，就会对外观圆角提出明确的要求，以便能实现造型本身的创意。上文所说的这些质量测量指标，在生产制造过程中，受多方面因素的影响。比如，包边压力的大小、外板受力的速度、压刀切入角度及保压时间等。

根据包边工艺的不同，包边设备可以分为三大类：压机包边模、桌式包边机、机器人滚边机。压机包边模与冲压模具类似，主要是利用200 t左右的大型压力机作为驱动源，分为上、下模，对车门零件进行整体包边，该设备前期投资高、占用场地大，优点是生产节拍高，可达60～80 JPH。桌式包边机则是一台小型工作站，利用小型液压缸或电机作为动力源，通过多组机构的连杆动作，对零件进行包边，其场地占用小，比较灵活，生产节拍高，可达60 JPH，比较适合产量高的专线生产。而机器人滚边机，则是利用滚轮对零件进行反复滚动实现包边，生产节拍较低，一般在40 JPH以下，但它的柔性化程度高，适合小批量、多品种的产品生产要求。各汽车厂都会根据自身产品的特点和厂房规划，选用适合自身的包边设备。结合某公司产量高、物流多处交叉、场地多变的特点，桌式包边設备得到较为广泛的应用。而针对桌式包边设备，传统的单杠杆包边机构虽然结构简单，但是包边过程中角度变化较大，包边质量不够稳定，已无法满足包边质量提升的迫切需求。鉴于此，我们结合包边的特点和需求，对四杆包边机构的开发进行简单的分析和验证。

2 四杆机构的构建

常见桌式包边设备的包边执行单元一般是由预包边机构、主包边机构及胎模组成（如图2所示）。预包边机构和主包边机构分别对车门外板翻边进行预包边和主包边，而胎模工作面跟车门外板表面一致，可对外板起到支承和定型的作用，可有效地避免包边过程中，包边压力对车门造成外表面缺陷。

在设计过程中，我们可以根据上面所说的包边工艺，构建2组四杆机构来分别执行预包边和主包边2个动作。如图3所示，首先预包四杆机构进行动作，对车门外板翻边进行90°～45°预包边。然后预压机构打开，四杆主压机构进入，对车门外板翻边从45°～0°的主包边，为确保翻边产生塑性变形不反弹，一般会保持压力1～2 s，之后四杆主压机构打开，一个包边循环结束。在设计过程中，应考充分考虑材料强度、干涉避让空间、驱动力及输出压力等因素。

3 四杆机构的运动轨迹规划

影响包边质量的一个重要因素就是翻边受力角度，良好的包边切入角度会带来良好的包边质量，而不好的切入角度，则可能会引起多种质量缺陷，如下塌、凹陷、外翻、内板切边外露等，严重的可导致车门零件报废。传统的手工计算不但费时费力，而且不够直观，随着计算机技术的飞速发展，我们可以利用3D运动分析软件对四杆机构进行运动仿真。利用“西门子”开发的Unigraphics NX三维软件，进入运动仿真环境，导入四杆机构的3D数模，定义活动连杆和运动副，结合驱动源，可以对机构进行精确运动仿真模拟。而且，除了单个机构的仿真，还可以通过定义时间次序，对整套设备进行联动分析模拟。通过运动模拟仿真，我们可以快速、有效地验证每一个区域的包边切入角度，寻找最优的包边设计方案。如图4、图5所示，对比传统的单杠杆包边机构，四杆機构在任意的运动过程中，均能保持相同的包边切入角度，使得被包的汽车车门零件受力均匀，质量一致性高。而且，因为实际生效的行程只有很短的一段，所以我们可以通过设定不同的旋转点来满足不同的包边形状。例如，预压过程中把翻边从90°包到45°，需要的横向力较多，我们可以把连杆的旋转点设置得低一些。而主压过程中，需要纵向力更多一些，我们可以把连杆的旋转点设置得高一些。此外，运动仿真还可以提前检查机构内部及机构之间的间隙，避免干涉，从而减少后期干涉造成的返工，节约人员的投入、缩短装配和调试周期。

4 四杆机构的压力计算

一般来说，每家汽车厂所用的车门板材，基于定位的不同，厚度可能会有所差别，而根据车门板材厚度和屈服强度的不同，则其所需的包边压力也不尽相同。针对市面上大部分汽车所用厚度为0.75 mm以下的钢材薄板，预包边的单位压力为65 kN/mm，主包边的单位压力为160 kN/mm，均能满足包边需求。如果包边压力过低，则车门不能够被包贴合，外观圆角偏大而且不均匀，容易影响车门的性能和外观。在设计过程中，为确保能输出足够的包边压力，还需对四杆包边机构进行最低压力计算校核。

在四杆机构中，为了简化计算，我们可以把压刀和刀座作为刚体，根据杠杆力矩平衡原理，F1×L1=[F2/cos（a）]×L2，如图6所示，在主压机构中，我们假设油缸直径D=125 mm，油压P=10 MPa，那么F1=π×（D/2）2×P=122.6 kN。为避免分力过大，包边工艺中a的取值一般不超过30°。代入力臂设计数据，则F2=F1×L1×cos（a）/L2=122.6×180×cos30°/160=119 kN。在实际应用中，a的取值一般比30°还要小，再加上压刀和刀座自身的重力，机构实际产生的包边压力会比119 kN更大。按照主包边标准单位压力为160 kN/mm，以常见的车门轮廓边为700 mm的标准长度来计算，所需的包边压力为160×700=112 kN，因此该机构完全可以满足包边压力的需要。如需要比700 mm更长的包边长度，也可以通过改变力臂及增大液压缸径来满足包边压力需求。这样通过形成几个系列标准机构，可以实行模块化设计，大幅缩短开发周期。

预压机构中，我们为了避免干涉，采用双液压缸形式，取油缸直径D=80 mm，油压P=10 MPa，代入力臂设计数据，那么F1=2×π×（D/2）2×P=100 kN，结合预压所需的标准单位压力为65 kN/mm，完全可以满足1 500 mm长度的预压。这样就能应对绝大部分车门轮廓边的包边，从而能够形成模块化设计。而在实际应用中，预压压力过大可能会导致包边变形，我们可以通过调节液压缸压力，找到最佳的工艺参数，以实现良好的包边质量。

5 四杆机构的技术优势和应用效果

由以上分析可知，四杆包边机构主要有以下技术优势：{1}包边动作过程中压刀角度不变，使得被包的汽车车门零件受力均匀，质量一致性高；{2}结构简单可靠，采用分体式易于维修，包边质量调试方便；{3}通过形成标准机构，减少机构种类，可以进行模块化设计和制造，有比较好的通用性，利于快速成线投产；{4}动作简单，速度快，生产节拍高，可达60 JPH。基于以上优势，以该技术为主体自主开发的桌式包边设备，在某公司的车门包边上得到了大规模的推广和应用，打破了少数专业公司的垄断，先后生产了多款miniVAN、MPV畅销车型，产销量连续多年位居国内汽车行业前列，并已走出国门，产品远销东南亚、中东、非洲、拉美等地区的新兴市场。

6 结语

结合四杆包边机构的设计分析过程可以看出，四杆机构是一种质量优良的包边机构，有比较广泛的适应性，可满足大部分汽车车门的包边需求。同时我们发现，包边设备的开发，要根据产品结构特征选用相应的包边方案。包边机构必须在保证强度的前提下，满足运动空间需求，以及主预包边最小压力要求。同时，也要求我们除了设计之外，对包边设备的制造和装配，以及包边设备的调试，都需跟踪监测到位，只有这样，才能获得良好的包边质量，生产出合格的车门总成零件。

参 考 文 献

[1]闻邦春.机械设计手册（第二卷）[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]Unigraphics Solutions Inc.UG运动分析培训教程[M].胡晓康，译.北京：清华大学出版社，2003.

[3]张世晓.静态感知质量在汽车新产品研发过程中的应用研究[J].企业科技与发展，2016（1）.

[责任编辑：陈泽琦]