汽車剎車盤重型紙箱的設計

□ 尚憲茹 □ 郭西雅 □ 胡 昕 □ 張凌語

陜西科技大學 設計與藝術學院 西安 710021

1 研究背景

近年來,隨著汽車市場的日益擴大,市場對于汽車零部件的要求隨之提高,同時,對于汽車零部件運輸包裝的要求也越來越高[1]。

由于汽車零部件品種規格眾多、形狀各異,在包裝和物流過程中產品損壞嚴重,而且包裝技術缺乏,包裝費用居高不下,造成人力、物力、財力的浪費。此外,缺乏系統化、標準化的統籌規劃,包裝設備型號眾多,裝載倉儲效率低下[2]。對于一些重型零件的包裝,傳統的木箱包裝由實木板鋸拼而成,木條間存在縫隙,密封不嚴,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度的要求,但相對于一般紙箱在承重上有很強的優勢[4]。可見,制訂合理的運輸包裝尺寸,已成為汽車企業降低成本、提升物流效率的主要問題[5]。基于綠色化、標準化包裝設計理念[6],以瓦楞紙板為原材料,筆者設計了用于汽車剎車盤運輸包裝的重型紙箱。

2 汽車剎車盤概述

目前,國內汽車剎車盤的出口市場已經形成一定規模,僅就鑄件而言,出口量估計在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

我國是汽車剎車盤生產大國,同時也是出口大國,主要出口美國、加拿大、澳大利亞、韓國、日本等國,以及歐洲[8]。汽車剎車盤出口的運輸過程中,一般采用公路、海運或飛機運輸。在運輸環節,運輸過程對包裝件造成損害的因素有沖擊、振動、氣象條件、壓力等。產品的裝卸作業分為人工和機械兩種方式,裝卸作業中,拋擲、堆垛倒塌、起吊脫落、裝載機械突然啟動和過急升降等都會對包裝件造成跌落沖擊損害。儲存環節也會對包裝件產生影響,主要影響因素有堆碼高度、重力、儲存環境等。

3 汽車剎車盤重型紙箱的設計

3.1 內部緩沖結構

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行隔離。剎車盤主體為金屬件,四周及內部有一些尖銳不規則的地方。此外,汽車零部件在運輸過程中多為混裝運輸,存在堆碼、沖擊和振動等情況。可見,這樣的包裝在運輸過程中很容易發生破損,內裝產品會相互刮擦。

在分析汽車剎車盤本體結構及運輸環境后,根據瓦楞紙板的特性,改善緩沖結構。緩沖結構側面采用單層瓦楞紙板制成,瓦楞紙板折疊并組裝成特殊結構。緩沖結構的底部有一個襯墊。與常規的汽車剎車盤包裝相比,這樣的包裝設計節省材料,不需要附加的周轉箱費用,降低包裝成本,并可有效保護商品。為了防止剎車盤前后晃動,緩沖結構側面使用瓦楞紙板折疊組裝,兩個剎車盤的間隔至少為20 mm。緩沖結構與圖3所示底部紙襯墊配合,能有效防止產品移動。由此可見,內部緩沖結構能夠有效分隔內裝產品部件,具有很強的緩沖作用。

圖2 汽車剎車盤緩沖包裝

圖3 底部紙襯墊

3.2 托盤

目前托盤尺寸的國際標準有六種。1 200 mm×1 000 mm托盤是世界上使用最廣泛,也是我國使用最廣泛的尺寸,在國家標準GB/T 2934—2007《聯運通用平托盤 主要尺寸及公差》中特別注明,1 200 mm×1 000 mm為優先推薦托盤規格[9]。因此,從增進我國商品出口的角度出發,結合我國主要貿易伙伴采納托盤標準的現狀[10],所設計的托盤尺寸選擇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;② 在具有一定粗糙度的表面上涂覆低表面能物質[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度,同時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致生銹,會使產品受到很大損傷,在功能方面產生缺陷,給企業帶來經濟損失[12]。有數據表明,汽車零部件的銹蝕問題主要出現在海運過程中,海運中由于環境特殊,一般都要經過噴漆后噴蠟處理,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品需要使用氣相防銹來進行處理[13]。

3.5 包裝尺寸

為了適用出口包裝的標準化,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。根據托盤國際標準尺寸、產品尺寸,以及產品的間隔要求,確定每箱裝載30件產品,呈3×10方式排列。長度方向上的產品件數為3,寬度方向上的產品件數為10。由此確定：重型紙箱內長度方向上,產品與瓦楞紙板的間隔為20 mm;寬度方向上,產品與產品的間隔為24 mm,產品與重型紙箱內壁的間隔為32 mm。最終得到內包裝物的尺寸長為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,適用于大型產品的包裝,有抗壓強度高、省料、密封、交錯堆碼強度高等優點。

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合的方式,在隔板外側上固定有若干加強筋。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 計算分析

4.1 抗壓強度

根據Kellicutt公式,重型紙箱抗壓強度P為:

(1)

式中:PX為重型紙板原紙的綜合環壓強度,重型紙箱的楞型為ABC型,PX=203.85 N/cm;a為瓦楞常數,a=19.46;J為紙箱常數,J=0.98;Z為重型紙箱周邊長,根據計算得Z=440 cm。

計算得重型紙箱抗壓強度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度P′可按式(2)換算:

P′=γP

(2)

式中:γ為箱型抗壓強度指數,γ=0.6。

計算得0310型紙箱的抗壓強度P′為16 620.4 N。

4.2 堆碼強度

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。

重型紙箱的堆碼強度Ps為:

Ps=9.81G(Nmax-1)

(3)

式中:G為單個紙箱包裝件的毛質量,G=180 kg;Nmax為最大堆碼層數,Nmax=5。

計算得重型紙箱的堆碼強度Ps為7 063.2 N。因為16 620.4 N>7 063.2 N,所以滿足強度要求。

5 托盤建模分析

對托盤進行建模仿真分析。為了獲得仿真結果,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軟件可以對托盤進行靜態壓縮仿真[14],分析托盤在受到靜態載荷時的受力情況,并根據結果進行優化。仿真得到的托盤整體位移云圖和應力云圖分別如圖6、圖7所示。

根據圖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,且中心位置的應力較大。托盤受到由上向下均布載荷的作用,應力主要分布在表面部分,應力較大值主要出現在表面中心,因此托盤破損主要出現在表面中間部分。

圖6 托盤整體位移云圖

圖7 托盤整體應力云圖

通過對托盤抗壓強度進行分析,如圖8所示,在托盤墊塊之間的過渡區域增設紙護角,或在四個邊都增設紙護角,從而提高強度,使托盤可以承受較大的應力。

圖8 托盤設計改進

6 結束語

筆者設計了用于汽車剎車盤出口包裝的重型紙箱,解決了傳統包裝設計中出現的零件保護不力、包裝總成本高、裝載儲存效率低、標準化程度低等問題。所設計的汽車剎車盤重型紙箱具有實用價值。