轎車車身與動(dòng)力電池裝配偏差分析

于 洋，劉加光，劉安琴

（煙臺(tái)理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264003）

合理的產(chǎn)品零部件公差是控制車身質(zhì)量和成本的源頭。零部件幾何尺寸和公差（Geometry Dimensioning & Tolerancing, GD&T）設(shè)計(jì)貫穿了整車零部件的設(shè)計(jì)、制造加工和焊接裝配的全過程。因此，合理地確定零部件制造檢測基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)零部件GD&T及優(yōu)化工藝方案可以有效地減少設(shè)計(jì)變更，最大限度地消除零部件無法制造的問題[1-2]。國內(nèi)汽車工程師對(duì)多工序裝配誤差累計(jì)計(jì)算方面做了很多研究，但依舊無法趕超國外車企[3-6]。本文以新能源汽車動(dòng)力電池與車身的裝配為例，采用二維尺寸鏈計(jì)算多工序累計(jì)裝配誤差與三維偏差驗(yàn)證仿真分析相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了電池相關(guān)聯(lián)零部件安裝孔 GD&T，有效地保證了動(dòng)力電池作為汽車底盤上重要部件與車身之間的安裝精度。

1 動(dòng)力電池裝配孔介紹

以某品牌汽車為例，圖 1（a）為下車體總成安裝示意圖，圖 1（b）為動(dòng)力電池示意圖。動(dòng)力電池的14個(gè)安裝點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)車身上14個(gè)安裝螺母。其中 1—2是前車體上的兩個(gè)安裝螺母，3—10是前地板總成上的八個(gè)安裝螺母，11—12是后地板總成上的兩個(gè)安裝螺母。電池安裝點(diǎn) 13—14對(duì)應(yīng)的是與下車體螺接安裝板上的兩個(gè)安裝螺母，由于該安裝螺母不在下車體總成中，本文對(duì)此不做研究。

圖1 下車體總成與動(dòng)力電池安裝示意圖

2 幾何尺寸和公差設(shè)計(jì)

2.1 尺寸鏈分析

下車體總成鈑金件焊接流程為門檻內(nèi)板加強(qiáng)板與門檻內(nèi)板焊接形成的門檻內(nèi)板總成、前地板本體及座椅橫梁合拼形成前地板總成。最終前地板總成、前機(jī)艙總成、后地板總成合拼形成下車體總成。焊接過程中由于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、焊接變形、夾具誤差等因素產(chǎn)生公差累積，電池安裝孔的幾何公差增加。因此，需綜合考慮以上影響因素設(shè)計(jì)合理的公差值。根據(jù)焊接層級(jí)，通過二維尺寸鏈計(jì)算，分析動(dòng)力電池安裝螺母的誤差累積[5-7]，如圖2所示。

圖2 二維尺寸鏈分析

圖中，W1為電池安裝螺母相對(duì)于加強(qiáng)板定位孔的位置度公差；M1為地板本體-右與門檻貼合面的面輪廓度公差；M2為地板本體-左與門檻貼合面的面輪廓度公差；W2為電池安裝主定位孔相對(duì)于門檻加強(qiáng)板定位孔的位置度公差；A1A2為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換；W0為多工序裝配累積公差。尺寸鏈誤差累計(jì)關(guān)系為

2.2 局部基準(zhǔn)

考慮到電池安裝的自定位形式，為便于控制功能孔的公差，提高電池安裝精度和效率，依據(jù)電池安裝形式在下車體總成上設(shè)計(jì)了局部基準(zhǔn)如圖3所示。L1—L4組成的面作為第一基準(zhǔn)體系（控制Z向平動(dòng)，繞X轉(zhuǎn)動(dòng)，繞Y轉(zhuǎn)動(dòng)）；M為主基準(zhǔn)孔（控制X向平動(dòng)，Y向平動(dòng)）；N為副基準(zhǔn)孔（控制繞Z轉(zhuǎn)動(dòng)）。

圖3 動(dòng)力電池安裝局部基準(zhǔn)

2.3 尺寸鏈分析

門檻內(nèi)板-左及門檻內(nèi)板-右分別由四個(gè)螺母用于安裝動(dòng)力電池，且作為焊接過程的第一道工序。理想的裝配效果是電池安裝孔和安裝過孔“雙眼皮”即不遮擋。內(nèi)尺寸要素（孔）的設(shè)計(jì)公差值應(yīng)采用最大實(shí)體要求。

式中，MMVS為最大實(shí)體實(shí)效尺寸；MMRS為最大實(shí)體合成尺寸；MMS為最大實(shí)體尺寸；LMS為最小實(shí)體尺寸；t1，t1'為幾何公差，t1'是當(dāng)被測要素偏離最大實(shí)體尺寸時(shí)，在t1基礎(chǔ)上由尺寸公差補(bǔ)償?shù)玫健?/p>

在該品牌車型中，門檻加強(qiáng)板電池安裝孔尺寸D1=φ12.5mm，門檻內(nèi)板上的安裝過孔尺寸D2=φ14.5mm，基于公式（1）擬定兩套方案。方案1：兩孔的位置度公差分別為t1=φ1，t2=φ1；方案 2：孔的位置度公差分別為t1=φ1，t2=φ1.4。在忽略裝配定位孔的孔銷浮動(dòng)與尺寸公差的前提下，根據(jù)式（2）、式（3）計(jì)算兩孔裝配后單邊擋孔最大值，如表 1所示，兩種情況下單邊擋孔分別為0.1 mm和0.3 mm，擋孔量相差3倍。顯然，方案1更合理。

表1 單邊擋孔量計(jì)算表 單位：mm

3 尺寸偏差三維仿真分析

3DCS軟件采用蒙特卡羅模擬法進(jìn)行公差模擬分析，取樣5 000次。仿真載體為三維模型，根據(jù)零件的工裝夾具、工藝流程、裝配順序建立分析模型，將經(jīng)二維尺寸鏈計(jì)算與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)結(jié)合得到的公差值附加到結(jié)構(gòu)的裝配和測量等特征處，根據(jù)分析目標(biāo)進(jìn)行仿真計(jì)算，針對(duì)超差位置給出合理的優(yōu)化方案，減少現(xiàn)場裝配風(fēng)險(xiǎn)，提高裝配效率。

做幾點(diǎn)假設(shè)：零部件假設(shè)為剛性，即不考慮零部件本身可能的彈性和塑形變形；所有仿真數(shù)據(jù)都基于99.73%極限區(qū)間用于組裝尺寸概率統(tǒng)計(jì)曲線的擬合；生產(chǎn)能力達(dá)到6Sigma水平。上文分析了門檻內(nèi)板-左及門檻內(nèi)板右上安裝孔的位置度公差，由于不同層級(jí)鈑金件焊接時(shí)產(chǎn)生誤差累積，結(jié)合式（1），給定影響安裝點(diǎn)間隙要素的最終公差值如表2所示，借助3DCS軟件模擬計(jì)算圖1(a)3號(hào)安裝點(diǎn)的間隙干涉情況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)公差是否可行。

表2 影響電池安裝點(diǎn)間隙的要素公差表

結(jié)果如圖 4所示，下車體上電池安裝孔位置度的影響因子為82.53%，電池安裝過孔位置度的影響因子為14.85%，為影響電池安裝精度排名前兩位的主要因素。保證裝配合格率為99.75%的公差為1.77，裝配孔銷間隙下限為-0.03，裝配孔銷間隙上限為 1.64。間隙下限為負(fù)值，仿真結(jié)果顯示在極限狀態(tài)下存在干涉。但是孔銷間隙中呈近似正態(tài)分布，實(shí)際裝配過程極限下的干涉量為0.03很小，驗(yàn)證此設(shè)計(jì)可行。

圖4 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)動(dòng)力電池總成與車身裝配的匹配問題，從借助二維尺寸鏈計(jì)算誤差累計(jì)到運(yùn)用三維尺寸分析模擬實(shí)際裝配狀態(tài)，驗(yàn)證了裝配關(guān)聯(lián)零部件公差設(shè)計(jì)值，如下車體上電池安裝孔的位置度公差，動(dòng)力電池上安裝過孔的位置度公差及相關(guān)孔銷的尺寸公差。保證項(xiàng)目在圖紙階段對(duì)關(guān)鍵孔位幾何公差的有效把控。