徐 衡

（江西科技學院教務處，江西南昌330098）

汽車儀表盤模外裝飾加熱機構(gòu)設(shè)計

徐 衡

（江西科技學院教務處，江西南昌330098）

基于模外裝飾工藝流程設(shè)計了主要由加熱板、導軌副、滾珠絲杠副組成的汽車儀表盤的模外裝飾加熱機構(gòu)，通過對導軌副和滾珠絲杠副工作載荷的計算，選定其型號。設(shè)計了加熱機構(gòu)的溫度控制系統(tǒng)，分別計算其可控硅調(diào)節(jié)特性、石英加熱器放大系數(shù)和石英燈時間常數(shù)，以此獲得加熱機構(gòu)整體特性的傳遞函數(shù)。采用Matlab對該傳遞函數(shù)進行了仿真分析，基于Abaqus對薄膜加熱過程同樣進行了仿真分析。結(jié)果表明，設(shè)計的加熱機構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性；加熱瓦正對薄膜的溫度范圍為393．4～398．5 K，加熱溫度較均勻，熱量損失約為10．6％。

汽車儀表盤；模外裝飾；加熱機構(gòu)；溫度控制系統(tǒng)；仿真

0 前言

模外裝飾工藝是模內(nèi)裝飾工藝的延伸，是指將熱塑性薄膜裁成一定尺寸加熱軟化后，采用真空高壓技術(shù)使其變形后覆貼在基材輪廓面上［1-3］。模外裝飾是利用各種熱壓成型工藝（如氣壓、液壓等各種方式）來完成工件表面的包覆，形成“立體涂裝”的新技術(shù)。模外裝飾工藝可以對任何材質(zhì)的外殼進行表面貼膜裝飾，其應用范圍極為廣泛，包括家電產(chǎn)品的控制裝飾面板、電子產(chǎn)品的裝飾面殼、汽車內(nèi)飾件的外殼和汽車標致等等?，F(xiàn)基于模外裝飾工藝流程對汽車儀表盤模裝飾設(shè)備的加熱機構(gòu)進行進行詳細設(shè)計，對導軌副和滾珠絲杠副的工作載荷進行了計算并選定了其型號，設(shè)計了其溫度控制系統(tǒng)，并且驗證了其穩(wěn)定性，最后對薄膜的加熱過程進行了仿真分析。

1 模外裝飾工藝設(shè)備

如圖1所示為模外裝飾設(shè)備，主要由機架、模腔機構(gòu)（上模腔、下模腔、下模臺、壓邊框）、換膜機構(gòu)（滾筒、裁刀）和加熱機構(gòu)（底板、加熱板）組成。模外裝飾工藝流程為：（1）將汽車儀表盤外殼置于下模腔內(nèi)的下模臺上；（2）換膜機構(gòu)首先將薄膜移至模腔機構(gòu)位置，滾筒下壓將薄膜貼緊壓邊框，到位后往外移動鋪膜，然后切刀移動裁膜，最后換膜機構(gòu)回位；（3）壓邊框下壓，將薄膜固定在下模腔邊框上；（4）上模腔下壓與下模腔合攏，形成封閉的腔體；（5）采用真空機同時對上模腔和下模腔進行抽真空處理，使其壓力值達到2 kPa；（6）加熱機構(gòu)的加熱板移至模腔位置，對薄膜進行加熱處理，加熱完成后回到原位；（7）下模腔內(nèi)的下模臺上移，對薄膜進行預拉伸處理，使薄膜初步貼合在汽車儀表盤外殼表面；（8）采用空氣壓縮機對上模腔進行加壓處理，使薄膜更完全地貼覆在汽車儀表盤外殼表面上，待卸壓后開模取出汽車儀表盤并修剪多余的薄膜。

圖1 模外裝飾設(shè)備Fig．1 Film surface decoration equipment

2 加熱機構(gòu)

模外裝飾設(shè)備是采用熱成型技術(shù)和真空成型技術(shù)對熱塑性材料進行加工得到制品的設(shè)備，主要包括上料、預熱、加熱、成型4個工序，其中，預熱和加熱工序在模外裝飾設(shè)備的加熱機構(gòu)中進行，用來對熱塑性材料進行加熱，使其軟化到一定程度，是片材在成型過程中的一道重要工序。主要是因為首先片材的軟化效果在很大程度上決定了片材最后的成型，如果在加熱過程中，溫度沒有控制好，就會使得片材在成型時達不到預期的效果，導致產(chǎn)生廢品，增加次品率。其次在熱成型過程中，加熱階段的能量消耗比較大，能源成本高，出于成本節(jié)約或者能耗評估的需要，也需對加熱系統(tǒng)進行評估分析。其三將片材加熱到成型溫度所需的時間，一般約為整個成型工作周期的50％～80％。

如圖2所示為模外裝飾設(shè)備的加熱機構(gòu)，其主要作用是對模外裝飾薄膜進行加熱處理。該加熱機構(gòu)主要由底座、上加熱板、導桿、導軌副、滾珠絲杠副和氣壓缸等組成，其運動過程是氣壓缸活塞推動加熱板至加工作區(qū)域，然后加熱板開始對薄膜進行加熱處理，加熱完成后，加熱板返回初始位置，以此完成一個工作周期。

圖2 加熱機構(gòu)Fig．2 Heating mechanism

3 機械設(shè)計

3.1 導軌副工作載荷計算和選型

加熱機構(gòu)是用來移動加熱部件的單方向往復運動，需要承受的載荷不大，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預緊方便等優(yōu)點［4］。

（1）滑塊承受工作載荷（Fmax）計算及導軌副選型

工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素，本設(shè)計中的工作臺水平布置，采用雙導軌，雙滑塊的支撐形式。垂直于臺面的工作載荷全部由滑塊承擔，則單個滑塊所受的最大垂直方向載荷為：

式中 G——移動部件質(zhì)量，取值500 N

F——外加載荷

在無外加載荷情況下，將G＝500 N代入式（1）中得最大工作載荷Fmax＝125 N。

根據(jù)工作載荷Fmax以及導軌長度選用直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG25型［5］，其額定動載荷Ga＝17．7 k N，額定靜載荷Goa＝22．6 k N。

（2）距離額定壽命（L）的計算

KL系列JSA-LG25型導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度約為150～180℃，每根導軌上一個滑塊，精度為4級，工作速度較小，載荷小，L可按式（2）計算［6］：

式中 Goa——額定靜載荷，取值9．5 k N

Fmax——最大工作載荷，取值0．125 k N

fH——硬度系數(shù)，取值1．0

fT——溫度系數(shù)，取值0．73

fC——接觸系數(shù)，取值1．0

fR——精度系數(shù)，取值0．9

fW——載荷系數(shù)，取值1．5

計算可得L＝1048．5 km，大于預期值50 km，故距離額定壽命滿足要求。

3.2 滾珠絲杠副工作載荷計算和選型

行程為550 mm，傳動時間為2 s，滾珠絲杠副直徑為32 mm，導程為5 mm，精度等級取4級，滾珠絲杠支撐形式：兩端固定。

（1）Fmax可按式（3）計算：

式中 Fx——進給方向載荷，取值為零

Fy——橫向載荷，取值為零

Fz——垂直載荷，取值為零

K——顛覆力矩影響系數(shù)，取值為1．1

μ——導軌的摩擦因素，取值為0．05

計算可得Fmax＝25 N。

（2）最大動載荷（FQ）的計算及選型

FQ可按式（4）～（5）計算，其中fW＝1．2，fH＝1．0：

式中 L0——滾珠絲杠副的壽命，L0＝3240 106r

T——使用壽命，數(shù)控機床及一般機電設(shè)備取T＝15000 h

n——絲杠每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，n＝3600 r/min

計算可得FQ＝443．91 N，選CDM系列2004-2．5型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20 mm，導程為4 mm，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級取4級，額定動載荷為9309 N，高于FQ，滿足要求。

（3）穩(wěn)定性驗算

滾珠絲杠屬于受軸向力的細長桿，如果軸向負載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，失穩(wěn)時的臨街載荷（Fk）應滿足式（6）：

式中 fk——絲杠支撐系數(shù)，取值為4

K——壓桿穩(wěn)定系數(shù)，取值為3

E——材料的彈性模量，取值為2．1×105MPa

I——絲杠按底徑（d2）確定的截面慣性矩，I＝πd24/64＝31043 mm2

a——滾珠絲杠兩端支撐間的距離，取值為655 mm

代入數(shù)值得Fk＝2×105N，遠大于工作載荷Fmax＝25 N，故絲杠不會失穩(wěn)。

綜上所述，選用的滾珠絲杠副型號能夠完全滿足使用要求。

4 溫度控制系統(tǒng)

4.1 溫度控制原理

可控硅為調(diào)解機構(gòu)，根據(jù)計算機給的指令，將輸入電壓（Uc）放大，輸出電壓（UL）給石英燈，石英燈將輸出電壓（UL）轉(zhuǎn)換為加熱熱流（q），溫度檢測將傳感器安在薄膜平面，反饋給計算機以達到調(diào)節(jié)輸入電壓（Uc）控制加熱熱流的目的，圖3所示為溫度控制系統(tǒng)圖。

圖3 溫度控制系統(tǒng)圖Fig．3 Temperature control system diagram

4.2 可控硅調(diào)節(jié)特性

分析可控硅功率調(diào)節(jié)裝置時輸入量為計算機的輸出值，輸出量為加到石英燈加熱器上的電壓，放大倍數(shù)［GSCR（s）］可以按式（7）～（8）計算：

式中 UL——可控硅調(diào)節(jié)的輸出電壓

Uc——可控硅調(diào)節(jié)的輸入電壓

KSCR——可控硅的絕對放大倍數(shù)

KSCR（Uc）——可控硅的相對放大倍數(shù)

τSCR——可控硅時間常數(shù)

s——時間

可控硅的相對放大倍數(shù)［KSCRR（Uc）］為：

可控硅的調(diào)節(jié)特性計算公式為：

4.3 石英加熱器放大系數(shù)［G（s）］的計算

分析石英燈加熱器時，輸入量為可控硅調(diào)節(jié)的輸出電壓，輸出量為石英燈加熱熱流，G（s）可表示為：

式中 q（UL）——石英燈加熱熱流

UL——石英燈工作電壓，即可控硅輸出電壓

KLAMP——與石英加熱器構(gòu)造有關(guān)的常數(shù)

KLAMP（UL）——石英燈加熱器的絕對放大倍數(shù)

τ——石英燈時間常數(shù)

石英燈加熱器的相對放大倍數(shù)定義為：

式中 UL基準——石英燈的基準電壓

4.4 石英燈時間常數(shù)的計算

石英燈功率的近似關(guān)系為：

式中 PL（UL）——石英燈功率，kW

k——燈的規(guī)格系數(shù)，1 kW的石英燈k＝1

1 kW石英燈的時間常數(shù)關(guān)系式：

將式（4）代入式（13），得：

4.5 加熱機構(gòu)整體計算

加熱機構(gòu)特性：

式中 τq——熱流計的時間常數(shù)

Kq——傳感器的絕對放大倍數(shù)，Kq＝1

KSCRxLAMP——被控對象絕對放大倍數(shù)

KSCRRxLAMPR——加熱機構(gòu)的相對放大倍數(shù)

基準電壓為石英燈的工作電壓220 V，可控硅的相對放大倍數(shù)：

石英燈的相對放大倍數(shù)：

石英燈相對220 V放大倍數(shù)：

將式（10）帶入式（22）得：

將式（20）和式（23）相乘得到整體的相對放大系數(shù)：

4.6 加熱機構(gòu)穩(wěn)定性分析

采用Matlab對加熱機構(gòu)的整體傳遞進行仿真［7-9］，并對其進行穩(wěn)定性分析。根據(jù)可控硅、石英燈和傳感器的時間常數(shù)，將數(shù)值帶入式（18）得：

將式（25）輸入Matlab后得到Bode圖如圖4所示，由圖4可知，加熱機構(gòu)為三階系統(tǒng)，對數(shù)相頻特性正、負穿越次數(shù)之差為零，因此該系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

圖4 加熱機構(gòu)的伯德圖Fig．4 Bode diagram of the heating mechanism

4.7 薄膜加熱仿真分析

加熱板長為500 mm，寬為460 mm，與薄膜的相對距離為100 mm，在加熱板上布置9個加熱瓦，其邊長為120 mm，相互之間間隔22．5 mm。薄膜材料為聚甲基聚丙烯酸甲酯（PMMA），厚度為0．2 mm，密度為1．17 g/cm3，狀態(tài)變量為19個，導熱系數(shù)為0．209 W/（m·K），比熱為2344 J/（kg·K），熱膨脹系數(shù)為8．5×10－5，薄膜的輻射率為0．9，加熱瓦的加熱溫度為440 K。采用Abaqus軟件對薄膜加熱過程進行仿真分析［10-12］，圖5所示為加熱后薄膜的溫度分布圖。從圖中可以看出，加熱瓦正對薄膜區(qū)域的溫度最高，為398．5 K，然后呈向外擴散式降低，其周圍薄膜的溫度為393．4 K，約有10．6％的熱量損失，符合設(shè)計要求。

圖5 薄膜溫度分布圖Fig．5 Film temperature distribution

5 結(jié)論

（1）根據(jù)模外裝飾工藝流程設(shè)計了汽車儀表盤的模外裝飾加熱機構(gòu)，加熱機構(gòu)主要由加熱板、加熱瓦、導桿、導軌副、滾珠絲杠副和底座組成；

（2）通過計算導軌副和滾珠絲杠副的工作載荷，導軌副選用KL系列的JSA-LG25型，滾珠絲杠副選CDM系列2004-2．5型；

（3）設(shè)計了加熱機構(gòu)的溫度控制系統(tǒng)，并且得到了加熱機構(gòu)特性的傳遞函數(shù)，采用Matlab得到了其系統(tǒng)伯德圖，驗證了加熱機構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性；

（4）采用Abaqus對加熱機構(gòu)的薄膜加熱過程進行了仿真分析，分析結(jié)果表明其加熱瓦正對薄膜區(qū)域的溫度最高為398．5 K，往邊緣溫度逐漸降低，其周圍薄膜的溫度為393．4 K，加熱溫度比較均勻，約有10．6％的熱量損失。

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［12］章 凱．雙向拉伸塑料薄膜橫拉成型的數(shù)值模擬研究［D］．南昌：南昌大學機電工程學院，2006．

Design of Heating System of Outside Mold Decoration of Automobile Dashboards

XU Heng
（Dean’s Office，Jiangxi University of Technology，Nanchang 330098，China）

A heating system of automobile dashboards was designed on the basis of the technological procedure of outside mold decoration，which was mainly composed of heating plates，guide rails and ball screws．The model of heating system was determined by calculating the work load of guide rails and ball screws．A temperature control system was also designed，and the transfer function of overall characteristics of the heating system was obtained by calculating thyristor regulation characteristics，quartz heater amplification coefficient and quartz lamp time constant．The transfer function was also simulated by a Matlab software，and the analysis results indicated that the heating system had a high stability．The heating process for thin films was also simulated by an Abaqus software．The analysis results indicated that the temperature of the heating tile on film was in the range of 393．4～398．5 K，the heating temperature was uniformly only with about 10．6％of heat loss．

automobile dashboard；outside mold decoration；heating mechanism；temperature control system；simulation

TQ320．66

B

1001-9278（2017）01-0105-05

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．019

2016-07-12

江西省2014年第二批科技專項（20142BBE50061）；江西省2013年第五批科技專項（20135BBG70010）

聯(lián)系人，xuheng1977＠163．com