汽車剎車盤重型紙箱的設(shè)計(jì)

□ 尚憲茹 □ 郭西雅 □ 胡 昕 □ 張凌語

陜西科技大學(xué) 設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院 西安 710021

1 研究背景

近年來,隨著汽車市場(chǎng)的日益擴(kuò)大,市場(chǎng)對(duì)于汽車零部件的要求隨之提高,同時(shí),對(duì)于汽車零部件運(yùn)輸包裝的要求也越來越高[1]。

由于汽車零部件品種規(guī)格眾多、形狀各異,在包裝和物流過程中產(chǎn)品損壞嚴(yán)重,而且包裝技術(shù)缺乏,包裝費(fèi)用居高不下,造成人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。此外,缺乏系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)籌規(guī)劃,包裝設(shè)備型號(hào)眾多,裝載倉儲(chǔ)效率低下[2]。對(duì)于一些重型零件的包裝,傳統(tǒng)的木箱包裝由實(shí)木板鋸拼而成,木條間存在縫隙,密封不嚴(yán),而且緩沖性能差,防振抗振能力差[3]。

一般的瓦楞紙箱包裝不能滿足重型零件強(qiáng)度的要求,但相對(duì)于一般紙箱在承重上有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[4]。可見,制訂合理的運(yùn)輸包裝尺寸,已成為汽車企業(yè)降低成本、提升物流效率的主要問題[5]?；诰G色化、標(biāo)準(zhǔn)化包裝設(shè)計(jì)理念[6],以瓦楞紙板為原材料,筆者設(shè)計(jì)了用于汽車剎車盤運(yùn)輸包裝的重型紙箱。

2 汽車剎車盤概述

目前,國(guó)內(nèi)汽車剎車盤的出口市場(chǎng)已經(jīng)形成一定規(guī)模,僅就鑄件而言,出口量估計(jì)在20萬t左右[7]。常見汽車剎車盤如圖1所示。

圖1 常見汽車剎車盤

我國(guó)是汽車剎車盤生產(chǎn)大國(guó),同時(shí)也是出口大國(guó),主要出口美國(guó)、加拿大、澳大利亞、韓國(guó)、日本等國(guó),以及歐洲[8]。汽車剎車盤出口的運(yùn)輸過程中,一般采用公路、海運(yùn)或飛機(jī)運(yùn)輸。在運(yùn)輸環(huán)節(jié),運(yùn)輸過程對(duì)包裝件造成損害的因素有沖擊、振動(dòng)、氣象條件、壓力等。產(chǎn)品的裝卸作業(yè)分為人工和機(jī)械兩種方式,裝卸作業(yè)中,拋擲、堆垛倒塌、起吊脫落、裝載機(jī)械突然啟動(dòng)和過急升降等都會(huì)對(duì)包裝件造成跌落沖擊損害。儲(chǔ)存環(huán)節(jié)也會(huì)對(duì)包裝件產(chǎn)生影響,主要影響因素有堆碼高度、重力、儲(chǔ)存環(huán)境等。

3 汽車剎車盤重型紙箱的設(shè)計(jì)

3.1 內(nèi)部緩沖結(jié)構(gòu)

圖2所示為某汽車剎車盤的緩沖包裝,此包裝為普通的0201型瓦楞紙箱,剎車盤之間采用瓦楞紙板進(jìn)行隔離。剎車盤主體為金屬件,四周及內(nèi)部有一些尖銳不規(guī)則的地方。此外,汽車零部件在運(yùn)輸過程中多為混裝運(yùn)輸,存在堆碼、沖擊和振動(dòng)等情況?？梢?這樣的包裝在運(yùn)輸過程中很容易發(fā)生破損,內(nèi)裝產(chǎn)品會(huì)相互刮擦。

在分析汽車剎車盤本體結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸環(huán)境后,根據(jù)瓦楞紙板的特性,改善緩沖結(jié)構(gòu)。緩沖結(jié)構(gòu)側(cè)面采用單層瓦楞紙板制成,瓦楞紙板折疊并組裝成特殊結(jié)構(gòu)。緩沖結(jié)構(gòu)的底部有一個(gè)襯墊。與常規(guī)的汽車剎車盤包裝相比,這樣的包裝設(shè)計(jì)節(jié)省材料,不需要附加的周轉(zhuǎn)箱費(fèi)用,降低包裝成本,并可有效保護(hù)商品。為了防止剎車盤前后晃動(dòng),緩沖結(jié)構(gòu)側(cè)面使用瓦楞紙板折疊組裝,兩個(gè)剎車盤的間隔至少為20 mm。緩沖結(jié)構(gòu)與圖3所示底部紙襯墊配合,能有效防止產(chǎn)品移動(dòng)。由此可見,內(nèi)部緩沖結(jié)構(gòu)能夠有效分隔內(nèi)裝產(chǎn)品部件,具有很強(qiáng)的緩沖作用。

圖2 汽車剎車盤緩沖包裝

圖3 底部紙襯墊

3.2 托盤

目前托盤尺寸的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有六種。1 200 mm×1 000 mm托盤是世界上使用最廣泛,也是我國(guó)使用最廣泛的尺寸,在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2934—2007《聯(lián)運(yùn)通用平托盤 主要尺寸及公差》中特別注明,1 200 mm×1 000 mm為優(yōu)先推薦托盤規(guī)格[9]。因此,從增進(jìn)我國(guó)商品出口的角度出發(fā),結(jié)合我國(guó)主要貿(mào)易伙伴采納托盤標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀[10],所設(shè)計(jì)的托盤尺寸選擇1 200 mm×1 000 mm。

3.3 防潮包裝

可以通過兩種途徑改善固體表面的疏水防潮性能:① 改變材料的表面粗糙度和表面形態(tài);② 在具有一定粗糙度的表面上涂覆低表面能物質(zhì)[11]。在紙板表面噴涂一層厚度為0.01～0.07 mm的聚乙烯或聚丙烯,可以提高紙板的氣密性和拉伸強(qiáng)度,同時(shí)也可以使紙板的防潮、防水、防油、耐污等性能得到大幅度提高。

3.4 防銹包裝

汽車零部件包裝不合理容易導(dǎo)致生銹,會(huì)使產(chǎn)品受到很大損傷,在功能方面產(chǎn)生缺陷,給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失[12]。有數(shù)據(jù)表明,汽車零部件的銹蝕問題主要出現(xiàn)在海運(yùn)過程中,海運(yùn)中由于環(huán)境特殊,一般都要經(jīng)過噴漆后噴蠟處理,或者涂抹防銹油和防銹脂。此外,一些不易使用上述方法的產(chǎn)品需要使用氣相防銹來進(jìn)行處理[13]。

3.5 包裝尺寸

為了適用出口包裝的標(biāo)準(zhǔn)化,汽車剎車盤的重型紙箱包裝必須和托盤配合使用。

剎車盤的直徑為300 mm,厚度為66 mm。根據(jù)托盤國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尺寸、產(chǎn)品尺寸,以及產(chǎn)品的間隔要求,確定每箱裝載30件產(chǎn)品,呈3×10方式排列。長(zhǎng)度方向上的產(chǎn)品件數(shù)為3,寬度方向上的產(chǎn)品件數(shù)為10。由此確定：重型紙箱內(nèi)長(zhǎng)度方向上,產(chǎn)品與瓦楞紙板的間隔為20 mm;寬度方向上,產(chǎn)品與產(chǎn)品的間隔為24 mm,產(chǎn)品與重型紙箱內(nèi)壁的間隔為32 mm。最終得到內(nèi)包裝物的尺寸長(zhǎng)為3×300+6×40=1 140 mm,寬為66×10+24×9+32×2=940 mm,高為300+20=320mm。

選用0310箱型作為剎車盤的重型紙箱。0310箱型由箱蓋、箱身和箱底組成,為雙蓋箱型,適用于大型產(chǎn)品的包裝,有抗壓強(qiáng)度高、省料、密封、交錯(cuò)堆碼強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

如圖4所示,汽車剎車盤重型紙箱采用瓦楞紙箱與瓦楞隔板結(jié)合的方式,在隔板外側(cè)上固定有若干加強(qiáng)筋。重型紙箱隔板的制造尺寸為1 154 mm×954 mm×330 mm,重型紙箱外尺寸為1 161 mm×961 mm×337 mm,重型紙箱圍箱制造尺寸為1 187 mm×987 mm×346 mm,圍箱外尺寸為1 195 mm×995 mm×354 mm,加強(qiáng)筋尺寸為100 mm×335 mm。重型紙箱成型示意圖如圖5所示。

圖4 重型紙箱包裝方式

圖5 重型紙箱成型示意圖

4 計(jì)算分析

4.1 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)Kellicutt公式,重型紙箱抗壓強(qiáng)度P為:

(1)

式中:PX為重型紙板原紙的綜合環(huán)壓強(qiáng)度,重型紙箱的楞型為ABC型,PX=203.85 N/cm;a為瓦楞常數(shù),a=19.46;J為紙箱常數(shù),J=0.98;Z為重型紙箱周邊長(zhǎng),根據(jù)計(jì)算得Z=440 cm。

計(jì)算得重型紙箱抗壓強(qiáng)度P為27 700.6 N。

一般的Kellicutt公式只適用于0201型紙箱,其它部分箱型的抗壓強(qiáng)度P′可按式(2)換算:

P′=γP

(2)

式中:γ為箱型抗壓強(qiáng)度指數(shù),γ=0.6。

計(jì)算得0310型紙箱的抗壓強(qiáng)度P′為16 620.4 N。

4.2 堆碼強(qiáng)度

加天蓋后重型紙箱外尺寸為1 200 mm×1 000 mm×371 mm,流通過程中的最大有效堆碼高度為2.72 m,托盤包裝最大高度為0.515 m,托盤高度為140 mm。

重型紙箱的堆碼強(qiáng)度Ps為:

Ps=9.81G(Nmax-1)

(3)

式中:G為單個(gè)紙箱包裝件的毛質(zhì)量,G=180 kg;Nmax為最大堆碼層數(shù),Nmax=5。

計(jì)算得重型紙箱的堆碼強(qiáng)度Ps為7 063.2 N。因?yàn)?6 620.4 N>7 063.2 N,所以滿足強(qiáng)度要求。

5 托盤建模分析

對(duì)托盤進(jìn)行建模仿真分析。為了獲得仿真結(jié)果,需要在ANSYS軟件中定義材料的彈性模量和泊松比。托盤所用的材料為蜂窩紙板,其彈性模量為225 MPa,泊松比為0.310。

ANSYS軟件可以對(duì)托盤進(jìn)行靜態(tài)壓縮仿真[14],分析托盤在受到靜態(tài)載荷時(shí)的受力情況,并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。仿真得到的托盤整體位移云圖和應(yīng)力云圖分別如圖6、圖7所示。

根據(jù)圖6、圖7可以得出:托盤表面在均布載荷的作用下,位移最大的區(qū)域是表面中心位置,其它部分的位移均勻;托盤主要受力部分在表面,且中心位置的應(yīng)力較大。托盤受到由上向下均布載荷的作用,應(yīng)力主要分布在表面部分,應(yīng)力較大值主要出現(xiàn)在表面中心,因此托盤破損主要出現(xiàn)在表面中間部分。

圖6 托盤整體位移云圖

圖7 托盤整體應(yīng)力云圖

通過對(duì)托盤抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析,如圖8所示,在托盤墊塊之間的過渡區(qū)域增設(shè)紙護(hù)角,或在四個(gè)邊都增設(shè)紙護(hù)角,從而提高強(qiáng)度,使托盤可以承受較大的應(yīng)力。

圖8 托盤設(shè)計(jì)改進(jìn)

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了用于汽車剎車盤出口包裝的重型紙箱,解決了傳統(tǒng)包裝設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的零件保護(hù)不力、包裝總成本高、裝載儲(chǔ)存效率低、標(biāo)準(zhǔn)化程度低等問題。所設(shè)計(jì)的汽車剎車盤重型紙箱具有實(shí)用價(jià)值。