基于真空吸附定位的汽车车身凹陷修复装置设计

包攀峰，欧佳顺，李涛

（1.410124 湖南省 长沙市 长沙航空职业技术学院；2.410124 湖南省 长沙市 湖南省飞机维修工程技术研究中心）

0 引言

随着人民生活水平不断提高以及制造业的高速发展，汽车价格越来越低，成为大众出行交通工具。随着化石能源不断减少，汽车制造商通过减轻整车质量以降低小轿车耗油量，有些传统车身材料被新材料取代；或者在达到设计强度下，降低某些零件厚度，以达到轻量化目的[1-2]。相关研究表明，汽车质量每降低10%，将使得油耗下降8%、排放下降4%[3]。由于高强度钢制造成本比其他材料低，具有较高的抗拉强度和塑性，因此目前市场上小轿车车皮的主要材料为高强度钢[4-6]。最新研究数据显示，高强度钢的抗拉强度可达980，1 180 MPa 级别。相关数据显示，目前的车皮厚度范围0.7～1.6 mm 之间，而处于1 mm 左右的较多，尤其是日产系列的车子。汽车车板变薄固然会造成强度降低，因此在意外事故中碰撞容易造成凹陷，较小的凹陷虽然不会造成汽车性能影响，但是影响美观，去4S 店修复凹陷需要专业技术人员和专用凹陷修复工具，且需要花费较高的修理费用。为能让非专业修理人员对汽车车板在小事故中碰撞造成的凹陷进行修复，减少修理成本，急需研究出一种成本低廉、操作方便、专业要求低的汽车凹陷修复工具。

目前国内外对于小事故凹陷修复技术研究较少，如图1 所示，在4S 店对于汽车车身板件表面小事故的凹陷修复方法主要有手工敲击修复和汽车整形修复机拉伸修复，用的工具基本上就是锤子、葫芦吊、氧乙炔焊设备等。

图1 传统的凹陷修复方法Fig.1 Traditional method of dent repair

具体的操作工艺为用形状不同的锤子，在钣件后面垫铁块，反复敲打，使之恢复成形[7]。这种修复需要将凹陷板从车身上拆除，过程较为复杂，花费时间较长。

车身凹陷时，利用车身修复机把垫片焊在车身上，然后用钩子往外拉，修复凹陷的部位。对钣金件被拉长的部位，还要进行金属收缩，即“收火”,但是这2 种修复技术需要比较专业的维修人员才能操作，维修技术人员要进行理论培训、实践操作[8-12]，因此难以推广。目前，市场上出现了一些汽车车皮凹陷修复工具，如图2 所示，所需要的整套工具众多，且需要辅助材料，比如需要强力胶用于固定，恢复完成后还需要用专用的清除剂清洗表面的强力胶。有些工具恢复过程完全是靠个人力道，因此容易造成凸起或者恢复不完全。以上这些对于小意外造成的凹陷修复工具存在较多的不足，基于上述问题，本文设计出了一种通用性强、操作方便、能够快速定位、适用场合广泛的汽车车板凹陷修复装置。本文主要从结构原理、力学分析等方面阐述本装置的优点。

图2 现有市场上的凹陷修复工具Fig.2 Dent repair tools available on the market

1 结构设计与原理分析

1.1 主要结构分析

根据相关机构的研究与设计[13-15]可知，柔而有弹性的吸盘可以很方便地实现快速吸持、脱开、固定等功能，并且不损伤物体表面，采用气力式传动，可以快速调节定位。综合分析当前气力式机构的优点和汽车常用材料及厚度，本文设计了一种便于携带、成本低廉、操作简单、恢复精准的汽车钣金凹陷修复装置，该装置不仅可以用于小汽车凹陷修复，也可以用于其他薄板的凹陷修复，具有较广的适用范围和操作方便性。本装置主要由3 根定位杆、定位杆末端的定位吸盘、恢复滑动杆、滑动杆末端吸盘、连接架、单向气阀、气缸等组成，其结构原理如图3 所示。3 根定位杆套筒上端通过轴连接均匀分布在固定支架上，通过轴连接可调节固定杆套筒与固定支架的角度，以适应不同面积的凹坑定位；固定杆套筒与定位螺杆通过滑道连接（见图4），可快速调节长度，伸长到适合长度后，转动定位螺杆到一定角度即可固定长度；定位螺杆末端与定位吸盘通过球铰链连接，以适应不同斜度的汽车表面吸附；吸盘末端有单向气阀（单向阀门见图5），当需要吸附时，手动真空泵通过单向气阀将里面的空气抽出，使得内部呈现负压状态，从而将吸盘吸附在汽车表面；滑动连杆安装在气缸内部，滑动杆表面有刻度尺，可以随时看出恢复的高度，气缸末端和滑动连杆末端的吸盘也有单向阀，当需要快速伸长时，打开单向阀门，需要向上拉伸时，通过真空泵将里面的空气抽空，从而使滑动杆向上移动，滑动连杆末端的吸盘将凹陷的地方向上拉，从而实现表皮恢复，通过更换不同直径大小的吸盘，可以适应不同面积的凹陷修复。

图3 汽车钣金凹陷修复工具结构图Fig.3 Structure diagram of tool for repairing sheet dent of automobiles

图4 固定杆套筒与定位螺杆通过滑道连接Fig.4 Fixing rod sleeve connected with positioning screw through a slideway

图5 单向气阀Fig.5 One-way air valve

1.2 工作原理分析

需要修复汽车钣金薄板凹陷时，先将滑动末端吸盘定位到凹陷最低位置，然后，利用手动真空泵将吸盘内部的空气抽出，使得内部处于真空状态，从而吸附在凹陷处。然后，将3 个定位吸盘放到凹陷周围合适的位置，调整定位螺杆与定位套筒的长度位置，旋转一定角度，使其长度固定，再利用手动真空泵将定位吸盘内部的空气抽空，使其处于真空状态，从而牢牢吸附到支撑点表面。所有的点固定以后，利用手动真空泵通过气缸上端单向气阀将气缸内的空气慢慢抽空，当凹陷恢复到原始位置时停止抽气，避免钣金突出。为防止刚恢复的凹陷处由于较小的塑性变形再次凹进去，将该位置停留一定时间即可，整个凹陷修复过程就这么轻松地完成了。

2 可行性分析与受力分析

目前，市场上大部分的汽车钣金薄板采用的材料基本为高强度钢，具有良好塑性和恢复性能。钣金变形主要分为弹性变形和塑性变形，目前，大部分的小事故撞伤凹陷通过外力作用可以恢复到原来形状。为了简化受力模型，假设碰撞凹陷面为均匀圆弧形状，滑动杆吸盘到凹陷边缘的距离处处相等，且为L；滑动杆与3 个定位螺杆所形成的夹角均为α；F 为滑动杆对凹陷处的拉力，F1，F2，F3分别支撑点对3 个定位螺杆的作用力；F1’定位吸盘对支撑点的反作用力；Ff为定位吸盘对支撑点的摩擦力；FN为定位吸盘对支撑点的压力。汽车钣金凹陷恢复过程可以看成只受到弯曲应力。受力模型如图6 所示。

图6 受力模型图Fig.6 Stress model diagram

受力分析如下：

假设各定位螺杆的支撑力与气缸的夹角均为α，能够支撑起拉杆移动的条件可由力的平衡条件得到，如式（1）所示：

由纯弯曲的正应力计算公式[14]可知，要使凹板恢复到原来位置的拉力须满足以下条件：

式中：WZ——抗弯横截面系数；[σ]——许用应力。

由式（1）可知，夹角α越大，F1，F2，F3所受的力越大，因此在定位时不宜采用过大的定位夹角。

对其中一个定位吸盘进行受力分析，假设定位螺杆与钣金面的夹角为β，定位吸盘与钣金的摩擦系数为f，图4 中F4为吸盘的吸附力，则定位吸盘不滑动及其不掉落的条件为

式中：F——理论吸附力大小，N；P——绝对压力，为微型真空泵的绝对真空度，kPa；S——吸盘有效面积，cm2。

将式（5）分别代入式（2）、式（3）、式（4）分别得到滑动杆末端吸盘不掉落、定位吸盘不移动和不掉落的式（6）、式（7）、式（8）。

滑动杆末端吸盘能吸附的条件为

从式（6）、式（7）、式（8）可知，在抗弯横截面积系数WZ，钣金材料许用应力[σ]、F1和β为定值的情况下，要同时满足以上3 个条件是比较容易实现的，可以增加真空P 和吸盘面积S，而汽车表皮钣金一般比较薄，因此抗弯强度不是很大，所以需要的吸附力和吸盘面积不需要很大就可以满足。因此从以上的受力分析可知，该凹陷修复工具可以完全满足日常生活中小事故汽车车板凹陷修复的性能要求，且普通人员也可以进行操作。

3 结论

通过以上分析可知，真空吸盘定位具有快速吸附、不损伤汽车表面材料，不留其他异物到汽车表面的优点；该汽车钣金凹陷修复装置更换不同直径的吸盘具有适应不同凹陷面积大小，3 个定位杆可以实现不同角度的定位，可适用于车身任何一个部位凹陷修复。

该装置便于携带，定位杆螺杆和滑动杆可以快速伸缩调节和长度定位，简化了操作者的工作流程，对操作人员要求不是很高，故具有广泛的市场推广价值。

该装置尚未制造出实物，下一步需针对实物装置进行试验，采集相关数据，以便改进。