汽車儀表板與手套箱間隙過大成因分析及解決方法

左志華，丁新橋，徐勝橋

（1.上海通用汽車有限公司整車制造工程部，上海 201201；2.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

引言

汽車（特別是轎車）車身生產(chǎn)投入大，產(chǎn)量高，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求近乎苛刻。20 世紀(jì) 90 年代初，由美國密西根大學(xué)吳賢銘先進(jìn)制造技術(shù)中心倡導(dǎo)、美國政府支持、三大汽車公司（GM、Ford、Chrysler) 實(shí)施的“2mm”工程，在短短三年內(nèi)使美國主要品牌車身的制造偏差從 1993 年的 4～5mm減少到 1996年的 2mm ，迅速達(dá)到世界領(lǐng)先水平。國內(nèi)部分汽車制造企業(yè)，于 1997年提出了具有中國汽車工業(yè)特色的、車身質(zhì)量控制的“2mm”工程的概念和目標(biāo)，得到了政府和工業(yè)界的認(rèn)可。

汽車整車尺寸匹配是汽車開發(fā)中的最重要的內(nèi)容之一，也是體現(xiàn)一個(gè)汽車公司制造水平高低的重要標(biāo)志。汽車尺寸匹配的質(zhì)量保證通常從兩方面著手，一方面通過虛擬仿真技術(shù)，防止低級(jí)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，保證設(shè)計(jì)尺寸匹配；另一方面在零部件的制造中大量使用檢具、三坐標(biāo)等測(cè)量手段，嚴(yán)格監(jiān)控零件的尺寸，保證零部件符合設(shè)計(jì)要求。但是數(shù)模虛擬匹配與實(shí)樣匹配還有諸多差別，如零件剛度、裝配工藝的影響等無法在虛擬匹配中體現(xiàn)；另外，單個(gè)零部件在檢具上符合尺寸要求并不能保證零件在相互匹配中滿足要求。這些問題只能在實(shí)樣零件制造后，通過實(shí)體匹配才能發(fā)現(xiàn)[1]。高品質(zhì)汽車車身內(nèi)飾的材質(zhì)及裝配工藝，可以提高客戶對(duì)車輛持久的愉悅度，反映汽車制造工藝的水平。汽車車身內(nèi)飾尺寸，尤其是儀表板各組件的尺寸匹配，尤為重要。本文就汽車整車制造過程中的手套箱與儀表板之間出現(xiàn)的間隙過大的現(xiàn)象做出分析研究，并給出解決方法。

1 汽車車身儀表板總成的組成結(jié)構(gòu)

由于車身是內(nèi)飾的安裝載體，汽車內(nèi)飾的安裝，尤其是儀表板(主機(jī)廠簡稱 IP)及其附件的安裝，尤為重要。汽車車身儀表板總成包含儀表板骨架、蒙皮、手套箱、儀表顯示板以及其他許多電氣線束及附屬物件。經(jīng)主機(jī)廠驗(yàn)證評(píng)估，其他附件及電氣線束等對(duì)儀表板總成安裝時(shí)無影響。本文的研究對(duì)象主要是汽車儀表板骨架（主機(jī)廠簡稱CCB）、蒙皮及手套箱。

CCB是儀表板的骨架，它是儀表板總成在車身上的安裝基礎(chǔ)。CCB一般是由厚度為1mm鍍鋅鋼材制成，具有較好的力學(xué)性能。手套箱與儀表板蒙皮是聚乙烯（PE）材質(zhì)。如圖1是某型乘用車的IP總成結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是某型乘用車的CCB總成結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是某型乘用車的蒙皮結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是是某型乘用車的手套箱總成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 某型乘用車的IP總成結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 某型乘用車的CCB總成數(shù)模示意圖

圖3 某型乘用車儀表板蒙皮數(shù)模示意圖

圖4 某型乘用車手套箱數(shù)模示意圖

2 汽車車身儀表板總成的安裝工藝

2.1 IP總成與車身連接關(guān)系

IP總成在安裝時(shí)，是利用機(jī)械臂以整體吊裝進(jìn)入車身內(nèi)部。在Y向左側(cè)通過兩個(gè)螺栓將CCB固定連接在車身內(nèi)側(cè)板上。Y向右側(cè)也是通過兩個(gè)螺栓以及公差調(diào)節(jié)器連接在右側(cè)內(nèi)車身板上。由于車身裝配本身公差帶的存在，在裝配時(shí)，IP與左側(cè)車身鈑金貼合沒有間隙，由于車身零部件在制造時(shí)一般存在尺寸公差，IP和右側(cè)車身鈑金存在一定的間隙且存在波動(dòng)，右側(cè)通過公差調(diào)節(jié)器連接CCB與車身鈑金。當(dāng)車身存在一定尺寸誤差時(shí)，公差調(diào)節(jié)器通過旋出塊的旋出多少來貼近車身鈑金，起到聯(lián)接的作用，從而克服尺寸誤差帶來的不利影響。如圖5所示公差調(diào)節(jié)器位置。

圖5 公差調(diào)節(jié)器位置

公差調(diào)節(jié)器可以根據(jù) CCB與車身間隙大小進(jìn)行調(diào)節(jié)處理，可以滿足一定車身尺寸誤差范圍內(nèi)IP的順利安裝問題，以保證CCB與車身裝配的靈活性，這對(duì)于批量生產(chǎn)汽車的整車制造企業(yè)來說尤為重要。

2.2 公差調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與原理

公差調(diào)節(jié)器是由旋出塊、襯套和靜止塊三部分組成，如圖6所示。襯套鑲嵌在旋出塊內(nèi)表面。旋出塊通過外螺紋和帶有內(nèi)螺紋的靜止塊連接。靜止塊和焊接螺母與CCB右端鈑金固定連接。

圖6 公差調(diào)節(jié)器示意圖

當(dāng)螺栓攻入襯套之后，襯套位于螺栓與旋出塊之間，它們形成過盈配合，通過產(chǎn)生的靜摩擦力矩 MC帶動(dòng)旋出塊轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí) MC為主動(dòng)力矩。旋出塊通過螺紋與靜止塊旋轉(zhuǎn)，克服兩者的摩擦力矩 MB直至旋出塊與右側(cè)車身鈑金貼合。此時(shí)，旋出塊右端面與車身鈑金內(nèi)面會(huì)產(chǎn)生摩擦力矩MBIW。其中MB和MBIW為從動(dòng)摩擦力矩。

當(dāng)MBIW=MC-MB時(shí)，旋出塊停止轉(zhuǎn)動(dòng)，它與右側(cè)車身內(nèi)板貼合，消除CCB與車身鈑金件的間隙，螺栓繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至與焊接螺母連接。

當(dāng)MBIW＜MC-MB時(shí)，旋出塊雖然與右側(cè)車身內(nèi)板貼合，但仍然旋轉(zhuǎn)，靜止塊與車身鈑金距離有可能增加。

這就是IP與車身右側(cè)打緊過程。

2.3 手套箱、IP蒙皮與CCB連接關(guān)系

IP蒙皮通過螺釘安裝在CCB上，形成一個(gè)整體。手套箱下端通過卡爪與IP蒙皮鉸接，使得手套箱可以繞下端邊線作中心軸旋轉(zhuǎn)。手套箱上端與IP沒有連接點(diǎn)。手套箱左右兩側(cè)各以一個(gè)鎖舌與IP蒙皮相連，如圖7所示。

圖7 手套箱安裝示意圖

3 手套箱間隙過大現(xiàn)象的產(chǎn)生

3.1 旋出塊所受車身內(nèi)板件約束反力的計(jì)算

某型乘用車采用的公差調(diào)節(jié)器的旋出塊端面外圓半徑R=27.8mm，旋出塊端面內(nèi)圓半徑r=13.8mm，旋出塊端面與車身摩擦系數(shù)μ=0.3，查閱設(shè)計(jì)工程標(biāo)準(zhǔn)得知旋出塊和襯套MC為1.2n·m，旋出塊與靜止塊力矩MB為0.15n·m，這里取MBIW為兩者之差為1.05N·M。

根據(jù)摩擦力矩計(jì)算公式：MBIW=2μF(R2+R×r+r2)/3(R+r)

得出旋出塊與車身之間正壓力F為：

代入數(shù)值求出F=163.8N?？芍現(xiàn)min=163.8N。

圖8 CCB右端板受力結(jié)構(gòu)圖

3.2 手套箱間隙過大現(xiàn)象的產(chǎn)生

如圖8，CCB右端板與公差調(diào)節(jié)器的位置可以知道，接近橫梁位置的上端調(diào)節(jié)器對(duì)右端板的變形可以忽略，重點(diǎn)討論右端板下端的公差調(diào)節(jié)器對(duì)右端鈑金下方的作用力及變形。其實(shí)，它是一個(gè)簡單的懸臂梁問題。它的下端與左端板連接在一起，F(xiàn)′=163.8N，為公差調(diào)節(jié)器對(duì) CCB右端板下端的作用力。此時(shí) F′克服左右懸臂的彈性力，使下端向左平移。當(dāng)CCB右側(cè)與內(nèi)車身安裝時(shí)，在緊固公差調(diào)節(jié)器的螺栓時(shí)，CC向當(dāng)IP裝配完成時(shí)，手套箱與IP之間的右側(cè)間隙有偏大的情況出現(xiàn)，比正常2mm多出0.75～1mm。當(dāng)公差調(diào)節(jié)器在打緊的時(shí)候，旋出塊貼住車身鈑金端面產(chǎn)生靜摩擦力矩，阻止旋出塊繼續(xù)旋轉(zhuǎn)使旋出塊與襯套發(fā)生脫離。CCB端面板件承受163.8N的力而不發(fā)生變形。圖9是某整車制造廠的一款車型手套箱編號(hào)點(diǎn)，表1是手套箱裝配完成前后實(shí)際檢測(cè)值。

圖9 某車型手套箱間隙檢測(cè)點(diǎn)標(biāo)記

表1 某車型手套箱裝配完前成后實(shí)際檢測(cè)值（單位：mm）

從表1，我們可以看出IP手套箱間隙裝配前后1點(diǎn)的變化0.5mm。

3.3 手套箱間隙過大試驗(yàn)測(cè)試

我們選取某整車制造廠的一款新車型，通過測(cè)力器作用在手套箱附近的公差調(diào)節(jié)器上，如圖10所示。在三種不同的推力作用下，測(cè)量手套箱上1～6號(hào)點(diǎn)標(biāo)記的間隙變化量，如表2所示。注意：間隙變化量在0.5mm以內(nèi)合格。

圖10 手套箱模擬受力圖

表2 IP公差調(diào)節(jié)器處受力與間隙變化

實(shí)際測(cè)量過程中，發(fā)現(xiàn)承受163.8N，CCB端面右側(cè)板件向左移動(dòng)，從而導(dǎo)致1點(diǎn)間隙變大。

3.4 手套箱間隙過大產(chǎn)生的原因

當(dāng)公差調(diào)節(jié)器在打緊的時(shí)候，旋出塊與螺栓之間產(chǎn)生的摩擦力矩較大，克服旋出塊貼住車身內(nèi)飾板端面產(chǎn)生靜摩擦力矩及旋出塊與靜止塊摩擦力矩，致使CCB端面板件受力而發(fā)生較大變形，致使手套箱和蒙皮下端向左移動(dòng)，而使手套箱與蒙皮之間的間隙發(fā)生變化，其中1點(diǎn)間隙變化超過工藝標(biāo)準(zhǔn)，如圖11。CCB右端面為1mm的鍍鋅鋼板，其剛度為210GPa左右。如果其剛度增加，足以克服公差調(diào)節(jié)器中旋出塊與螺栓的摩擦力矩，使旋出塊與車身板材停止相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖11 手套箱1點(diǎn)間隙變大示意圖

4 手套箱間隙過大現(xiàn)象的產(chǎn)生解決方法

4.1 手套箱間隙過大解決方法一

CCB右端板材為鍍鋅優(yōu)質(zhì)碳素鋼，為了抵御該板材的彈性變形，增加其剛度，可以采用高強(qiáng)度鋼或者合金鋼，以提高其力學(xué)性能，尤其是剛度。這樣在公差調(diào)節(jié)器打緊的時(shí)候，可以減少該板材的彈性變形。從而保證手套箱下端不向右平移。但是在實(shí)際批量整車生產(chǎn)中，成本是必須考慮的問題。更換材料，意味著成本大量增加。顯然，這種方法不是最好的。

4.2 手套箱間隙過大解決方法二

仔細(xì)分析IP與右端板的連接方式的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)IP與右端板下端有一個(gè)定位銷進(jìn)行定位。如圖12所示。通過更改定位銷的位置，使IP下端提前產(chǎn)生向右的變形。

圖12 定位銷的位置

改變生產(chǎn)工藝，使 CCB右端板的定位銷孔向右移動(dòng)1mm，定位銷在安裝的時(shí)候會(huì)使IP下端向右移動(dòng)，當(dāng)公差調(diào)節(jié)器打緊的時(shí)候，CCB右端板帶動(dòng)IP及手套箱向左移動(dòng)，正好抵消先前向右的偏移量，如圖13所示。這樣，很好地解決了手套箱1點(diǎn)間隙偏大的問題，如圖14所示。這種方法簡單而實(shí)用，節(jié)約成本，只需要在CCB右端板模具上做小小的改動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)。

圖14 偏調(diào)方案原理示意圖

5 總結(jié)

在整車制造和裝配過程中，車身尺寸產(chǎn)生變化，原因往往是多方面的。有的是車身零部件誤差的累積效應(yīng)，有的是材料力學(xué)性能的局限，有的是裝配和加工工藝產(chǎn)生的影響。本文分析了主機(jī)廠某型車手套箱間隙過大現(xiàn)象的原因，尤其是公差調(diào)節(jié)器的工作原理和作用，從零部件受力的角度，仔細(xì)分析手套箱1點(diǎn)位置產(chǎn)生的具體原因，并給出了解決方案，這種方案能以最低的成本，有效地解決整車裝配中的實(shí)際問題，很好的控制了手套箱各點(diǎn)的間隙。

[1] http://blog.sina.com.cn/s/blog_95d97f340100vk3r.html.