溫艷清 李瑞

（上海蔚來汽車有限公司）

駕駛艙模塊通常都是以儀表臺橫梁為基礎(chǔ)，裝配各種功能和裝飾零件后，裝配到白車身上，其尺寸設(shè)計(jì)是否合理將直接影響駕駛艙模塊到白車身的裝配節(jié)拍及裝配成本。由于制造過程中多個零件尺寸配合不良的情況時有發(fā)生，導(dǎo)致購車用戶對間隙、面差、型面匹配度、平行度、透視性、老鼠洞、特征點(diǎn)對齊度等方面越來越關(guān)注。儀表臺橫梁尺寸設(shè)計(jì)是否合理也直接影響駕駛艙模塊的感知質(zhì)量。文章著重研究了儀表臺橫梁的尺寸優(yōu)化，在早期及時規(guī)避后期可能出現(xiàn)的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)提升感知質(zhì)量的同時降低成本。

1 公差分析技術(shù)

在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段，很多整車廠就開始對各個產(chǎn)品的尺寸設(shè)計(jì)、公差分配展開研究，從產(chǎn)品的成本、外觀質(zhì)量、功能、制造、裝配等維度去平衡公差的分布和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這一活動過程統(tǒng)稱為公差分析[1]。極值法、方和根法以及蒙特卡洛模擬法是現(xiàn)在廣泛運(yùn)用的公差分析方法。

文章針對某車型的儀表臺橫梁，利用3DCS（基于蒙特卡洛模擬法）分析軟件，在數(shù)據(jù)未凍結(jié)階段，對其三維幾何模型進(jìn)行尺寸仿真分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)及公差分配。在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段遏制整車試制裝配困難，避免產(chǎn)品試制階段大量變更、修改產(chǎn)品模具，從而實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。

2 3DCS 仿真模型的建立

采用3DCS 進(jìn)行尺寸研究的開發(fā)流程，如圖1 所示。其原理是基于三維數(shù)模，多個部門輸入產(chǎn)品的定位特征以及裝配特征的制造和裝配公差信息，根據(jù)工藝路線進(jìn)行虛擬的焊接、裝配，運(yùn)用計(jì)算方法進(jìn)行蒙特卡洛樣本量的虛擬裝配。在虛擬裝配過程中，關(guān)注公差的累積情況，對影響公差積累的原因進(jìn)行分析并且評估各個因素在整個公差積累中的影響權(quán)重。尺寸工程師及產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師以此為依據(jù)對工藝方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出優(yōu)化改進(jìn)，找出成本與精度之間合理的平衡點(diǎn)，科學(xué)指導(dǎo)產(chǎn)品幾何尺寸公差的設(shè)計(jì)[2]。

圖1 3DCS 模型仿真分析流程示意圖

將CATIA 格式的管梁（CCB）數(shù)據(jù)、IP 骨架、IP 上飾板及白車身數(shù)據(jù)（one part）導(dǎo)入3DCS 仿真軟件中。根據(jù)前期定義的IP 分裝總成居中定位策略，IP 骨架需要先自定位于CCB，IP 上飾板自定位于骨架及其他飾件、電子電器件等，形成IP 分裝總成，再通過居中定位工裝，將分裝總成裝配在白車身上。其中CCB 左右兩側(cè)用M8×45 的螺栓緊固在A 柱下內(nèi)板上，底部用M8的螺母緊固在地板加強(qiáng)梁上，前端用M8 的螺栓緊固在前圍板上。在3DCS 軟件中對CCB 幾何模型建立特征（定位孔、定位銷、定位面、測量點(diǎn)），通過這些特征對各部件進(jìn)行裝配、賦值、計(jì)算結(jié)果測量等。CCB 的主要監(jiān)測點(diǎn)賦值，如表1 所示。CCB 各個測量點(diǎn)分布，如圖2所示。

表1 儀表臺橫梁子系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)賦值 mm

圖2 儀表臺橫梁測定點(diǎn)示意圖

仿真模擬1 萬次裝車的樣本量，仿真過程中對所有零件的應(yīng)力變形、重力下沉、塑性變形回彈、熱變形等忽略不計(jì)，只計(jì)算零件公差符合±3σ（σ 為標(biāo)準(zhǔn)偏差）分布情況下的孔位配合情況，分析的公差結(jié)果也符合正態(tài)分布規(guī)律。驗(yàn)證目標(biāo)為CCB 的緊固孔位偏移和車身的孔位公差分布重疊率，仿真分析結(jié)果的超差率（樣本偏差超出驗(yàn)證目標(biāo)的不合格率）小于等于5.0%，就可認(rèn)定為滿足裝配要求[3]?；诖罱ǖ?DCS 子系統(tǒng)仿真模型分析得出的結(jié)果，如表2 所示?；诔跏嫉腃AD 設(shè)計(jì)模型及公差定義，儀表臺橫梁和車身的尺寸匹配最差的2 點(diǎn)的情況，如圖3 所示（紅色部分表示車身和儀表臺橫梁的安裝點(diǎn)不匹配，紅色面積表示不匹配事件發(fā)生的比例）。

表2 儀表臺橫梁子系統(tǒng)尺寸仿真結(jié)果

圖3 初始設(shè)計(jì)CCB 的尺寸分布情況顯示界面

3 尺寸優(yōu)化

3DCS 分析的結(jié)果顯示有2 個安裝結(jié)構(gòu)存在50%以上的錯位現(xiàn)象，有4 個安裝結(jié)構(gòu)存在5%～10%的錯位現(xiàn)象。文章針對50%以上錯位現(xiàn)象，進(jìn)行改善設(shè)計(jì)。

3.1 拆分1 個零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

鎂合金CCB 是壓鑄工藝制造的，壓鑄工藝的生產(chǎn)過程會影響制品的最終尺寸變化。模具精度是影響零件最終尺寸的因素之一，另一方因素通常稱之為線性尺寸變化。壓鑄工藝過程中模具溫度的波動、注射溫度的高低、冷卻速度的快慢等都會影響線性尺寸變化。

北美壓鑄協(xié)會提供的可接受的尺寸公差，如表3所示[4]。例如1 000 mm 長的鑄造零件，根據(jù)表3，其長度方向公差為：±（基本公差+附加公差×（零件長度-基礎(chǔ)長度））=±（0.25+0.001×（1 000-25））mm，最終取±1.2 mm。

表3 北美壓鑄協(xié)會提供的鎂合金壓鑄件尺寸公差

由仿真結(jié)果來看，CCB- MP04 有58%的概率超出公差范圍，也就是儀表臺橫梁和車身地板的裝配有49.89%的概率存在干涉，有8.66%的概率存在間隙大、工人緊固費(fèi)時的現(xiàn)象。為了消除該Z 向公差對制造的影響，首先研究提升CCB 該貼合面的Z 向精度（方案1），同步研究整車車身地板的Z 向精度。精度提高前后的對比情況，如表4 所示。

表4 儀表臺橫梁和地板的安裝面零件精度提高前后的情況對比

第2 種方案為拆分1 個零件（會導(dǎo)致增加1 個供貨零件），如圖4 所示。設(shè)計(jì)Z 向的長孔吸收公差，降低對CCB 單價(jià)和車身地板的尺寸精度管控要求。

圖4 CCB 的CAD 設(shè)計(jì)方案對比示意圖

針對方案2 進(jìn)行橫向功能評估，相關(guān)結(jié)果，如表5所示。從產(chǎn)品模具來看，變化點(diǎn)主要是主梁壓鑄模具尺寸變小，另外增加1 副小產(chǎn)品的沖壓模具，模具總投資費(fèi)用會降低約20 萬元；從產(chǎn)品單價(jià)來看，由于主梁幾何尺寸相對更集中，產(chǎn)品壓鑄過程中的不合格率會降低，產(chǎn)品包裝運(yùn)輸會更加簡潔，主梁壓鑄材料會有所減少，雖然增加了1 個金屬沖壓件，但整體成本綜合評估仍下降約10 元。所以從成本評估角度，方案2 更具有優(yōu)勢。

表5 CCB 零件拆分前后的情況對比

基于優(yōu)化的數(shù)據(jù)，更新仿真模型，重新仿真尺寸配合情況，增加1 個供貨零件的尺寸仿真結(jié)果，如圖5 所示。從仿真結(jié)果來看，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)100%滿足裝配需求。采用方案2 在原來的基礎(chǔ)上拆分1 個零件，成本及尺寸工程更具優(yōu)勢，產(chǎn)品質(zhì)量增加約24 g。

圖5 CCB 零件拆分后尺寸分析顯示界面

3.2 增加調(diào)節(jié)螺母的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

從仿真結(jié)果來看，CCB- MP02 有58.88%的概率超出公差范圍，也就是儀表臺橫梁和車身地板的裝配有50.43%的概率存在干涉，8.45%的概率存在間隙大的問題。初始CAD 設(shè)計(jì)情況，如圖6 所示。由于CCB 結(jié)構(gòu)面直接和車身貼合，當(dāng)車身的裝配面或CCB 的安裝面公差超出設(shè)計(jì)要求時，將導(dǎo)致儀表臺橫梁干涉，裝配困難。

圖6 儀表臺橫梁和前圍的安裝面初始設(shè)計(jì)示意圖

為了消除該X 向公差對制造的影響，對這一區(qū)域的匹配面柔性可調(diào)進(jìn)行研究。在儀表臺橫梁末端和車身之間增加1 個調(diào)節(jié)螺母，如圖7 所示。藍(lán)色結(jié)構(gòu)件為調(diào)節(jié)螺母，調(diào)節(jié)行程為6 mm。充分考慮車身前圍及儀表臺橫梁在X 方向的公差，對調(diào)節(jié)螺母和車身預(yù)留6 mm 的間隙。在儀表臺橫梁緊固點(diǎn)的預(yù)緊過程中，調(diào)節(jié)螺母隨著螺栓的緊固，逐步反向旋出直到和車身前圍貼合。

圖7 調(diào)節(jié)螺母截面裝配設(shè)計(jì)圖

該項(xiàng)目的駕駛艙模塊質(zhì)量約50 kg，在整個儀表臺模塊進(jìn)入白車身預(yù)安裝位置時，制造工程師要求導(dǎo)入路徑的運(yùn)動間隙在5 mm 以上，在預(yù)裝位置時，緊固位置處于貼合或微小間隙的狀態(tài)。為使儀表板橫梁總成不與前圍干涉并且能夠裝配到位，對儀表臺橫梁和前圍的安裝面進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示，如圖8 所示。顯示結(jié)果全部為綠色，沒有紅色區(qū)域，該孔裝配合格率提升為100%。所以調(diào)節(jié)螺母既可以滿足制造工程師在裝配路徑上的間隙要求，也可以滿足裝配孔位的對齊需求。

圖8 儀表臺橫梁和前圍的安裝面增加調(diào)節(jié)螺母后的尺寸分析顯示界面

4 結(jié)論

通過對儀表臺橫梁等關(guān)聯(lián)3D 數(shù)據(jù)進(jìn)行3DCS 尺寸仿真研究，及早地探測了實(shí)物偏差造成的裝配困難或因干涉無法裝配的情況。通過優(yōu)化產(chǎn)品尺寸、增加吸收公差的設(shè)計(jì)，避免了在后期試制階段，因產(chǎn)生的問題而進(jìn)行的原因研究、產(chǎn)品設(shè)變、模具檢具變更等工作。與過去在匹配過程中需多次裝車才能發(fā)現(xiàn)問題相比，利用3DCS 軟件可以在匹配周期、樣件需求和產(chǎn)品變更模具修改等環(huán)節(jié)上節(jié)省大量成本?；?DCS 軟件分析的前提條件是假設(shè)所有的約束都是剛性的，忽略產(chǎn)品在實(shí)際裝配過程中的塑性變形、產(chǎn)品熱變形和重力等方面的影響，所以當(dāng)前3DCS 分析呈現(xiàn)的結(jié)果與實(shí)際匹配的情況相比會存在一定的偏差。