薛 皓,侯 沖,劉俊威,葉子儒,劉 林
基于儀表板手套箱匹配問題解決的設計策略優(yōu)化
薛 皓,侯 沖,劉俊威,葉子儒,劉 林
(上汽通用汽車有限公司武漢分公司,湖北 武漢 430000)
文章以某車型出現(xiàn)儀表板總成打緊后,儀表板下體與手套箱垂直間隙超差問題為例,系統(tǒng)分析儀表板手套箱、儀表板下飾板、公差調(diào)節(jié)螺母及儀表板橫梁等對間隙超差問題的不利貢獻及影響。結合問題的分析、解決和驗證過程,針對實車出現(xiàn)的尺寸匹配問題,定義工程開發(fā)目標,制定有效控制手套箱兩側垂直間隙的定位銷修偏預變形策略。在此基礎上作進一步的探索研究和歸納總結,為后續(xù)其他項目的儀表板與手套箱匹配設計提供參考。
儀表板;手套箱;公差調(diào)節(jié)螺母;定位銷預變形;匹配問題
儀表板系統(tǒng)是指位于汽車內(nèi)部,前排座椅與前擋風玻璃之間的裝飾及功能件總成。儀表板系統(tǒng)包括起主要支撐作用的儀表板橫梁總成(Cross Car Beam, CCB)和直接面對乘員的儀表板總成(Instrument Panel, IP)。儀表板總成由儀表板本體、儀表面罩板、中控面板、手套箱、膝部擋板、出風口、裝飾板、左右端蓋等組成,是車廂內(nèi)最引人注目的部分,它的造型、質感、舒適性直接影響乘員對內(nèi)飾的評價。然而,儀表板本體與手套箱的間隙超差問題一直是儀表板開發(fā)中的重點與難點,可能導致該間隙超差的原因很多,儀表板總成出廠間隙、運輸工裝、儀表板總成在整車打緊的過程、公差調(diào)節(jié)器、儀表板總成周邊環(huán)境件的裝配等等。本文針對某車型出現(xiàn)的間隙超差問題,通過對不同方案的驗證,同時結合實際需求,進一步研究有效解決方案。
本文研究車型的儀表板手套箱區(qū)域的零件主要包括手套箱、儀表板本體、公差調(diào)節(jié)螺母。本車型項目階段,實車出現(xiàn)儀表板本體與手套箱匹配間隙超差問題(間隙設計狀態(tài)(2.0±0.8)mm,如圖1所示,實際狀態(tài)4號點間隙超差0.2 mm)。
圖1 儀表板本體與手套箱匹配間隙測點示意圖
為分析本車型儀表板本體與手套箱間隙超差的原因,對供應商廠內(nèi)和該車型廠內(nèi)的實車檢測數(shù)據(jù)跟蹤和收集。該車型項目造車階段共18輛,儀表板總成在檢具上與實車上的數(shù)據(jù)顯示,1號點均值1.253 mm,前后間隙平均變化量0.767 mm;4號點均值2.831 mm,裝車前后平移偏差0.7 mm。儀表板本體與手套箱間隙在裝車打緊前后產(chǎn)生變化量。產(chǎn)生的變化趨勢如圖2所示,手套箱垂直側1號和4號點間隙值變化明顯,3號和6號點裝車前后間隙變化量分別為-0.033 mm和0.125 mm,手套箱下方間隙變化較小,保持在設計要求尺寸范圍內(nèi),如表1、圖2所示。
表1 實車間隙數(shù)據(jù)測量
測點均值變化量 supplier裝車 12.0191.253-0.767 22.0941.703-0.392 32.0562.022-0.033 42.1312.8310.700 52.1562.6060.450 62.1502.2750.125 72.0611.828-0.233 82.0081.828-0.181 91.7361.625-0.111
圖2 手套箱間隙變化示意圖
為調(diào)查間隙變化原因,首先對儀表板本體和手套箱以及CCB的定位結構進行解析,如圖3所示。
圖3 儀表板總成定位關系示意圖
手套箱和儀表板本體的定位關系——手套箱與儀表板本體是通過左右共四個卡抓實現(xiàn)連接,中間有一個凸臺對手套箱C-C向進行限位。接點集中在手套箱的下部,如圖3(a)所示。
1)儀表板本體和CCB的定位關系——儀表板本體通過螺栓打緊固定在CCB上,與懸臂支架通過定位銷與孔位配合,如圖3(b)所示。
2)CCB與車身的定位關系——儀表板總成與車身的定位關系主要通過CCB連接的,所以僅需要分析CCB與車身的定位關系即可。CCB與車身通過左側進行C/C向定位,右側采用公差調(diào)節(jié)器吸收CCB和車身的公差,如圖3(c)所示。
對比測量儀表板橫梁總成(Cross Car Beam, CCB)打緊前后儀表板本體安裝點的位移量。測量結果顯示CCB的安裝點打緊前后最大變化1.3 mm,C/C向往車內(nèi)變化,即CCB打緊過程中,儀表板會受到C/C向的擠壓力。
基于以上分析,初判儀表板本體與手套箱間隙變化是由于儀表板總成安裝過程中受到C/C向的擠壓力導致。為驗證以上結論,對儀表板本體與手套箱間隙變化和C/C向的擠壓力進行測量。
單獨對初始CCB右側公差調(diào)節(jié)螺母處施加100N,初始CCB上部支架變形量3 mm。對此,使用焊接新支架來提升強度的CCB進行裝配,對儀表板總成進行模擬受力打緊,對超差的4號點進行測量。同時,對比該車型 NS3-1實際測量數(shù)據(jù)。當受力大小提升時,NS3-1測點間隙呈變大趨勢,當力施加至200 N,測量點間隙已超差至3 mm。
公差調(diào)節(jié)螺母包含支座、固定螺母、摩擦片、活動螺母及緊固螺栓。摩擦片固定在活動螺母上,固定螺母與支座一起通過結構固定在端部支架上,如圖4所示。
圖4 公差調(diào)節(jié)螺母爆炸示意圖
公差調(diào)節(jié)螺母工作過程為緊固螺栓在螺釘槍的作用下旋轉時,由于螺栓與活動螺母之間的扭矩1大于活動螺母與固定螺母之間的扭矩2,使螺栓帶動活動螺母與固定螺母產(chǎn)生相對旋轉運動,逐步縮小活動螺母與A柱之間的設計間隙,直至調(diào)節(jié)螺母貼緊A柱,如圖5所示。
圖5 公差調(diào)節(jié)螺母原理及受力分析示意圖
調(diào)節(jié)螺母貼緊鈑金后,活動螺母與固定螺母之間的相對運動停止,緊固螺栓攻透摩擦片,與調(diào)節(jié)螺母之間開始產(chǎn)生相對運動,直至螺栓貼緊車身與凸焊螺母緊固,CCB就被可靠地連接在A柱上。
試驗驗證發(fā)現(xiàn),調(diào)節(jié)螺母與A柱接觸后,調(diào)節(jié)螺母與A柱間的相對旋轉運動并沒有立刻終止,而是調(diào)節(jié)螺母繼續(xù)旋轉一定圈數(shù)。這就相當于在CCB端部支架與A柱鈑金之間墊了大于設計厚度的墊塊,使CCB端部支架發(fā)生變形。
1)CCB強度。由于儀表板總成與CCB之間采用螺釘連接,更準確地說是儀表板系統(tǒng)的強度(包含儀表板總成和CCB)會影響手套箱與儀表板本體的間隙,該原因為根本原因。
2)公差調(diào)節(jié)螺母。由于CCB與鈑金之間需要公差調(diào)節(jié)螺母吸收公差,公差調(diào)節(jié)螺母在反轉頂住車身鈑金后還會繼續(xù)施力,導致CCB端部支架產(chǎn)生變形量,從而影響手套箱與儀表板本體的間隙,該原因為主要原因。
根據(jù)前文分析可知,儀表板本體與手套箱間隙超差受三個因素的影響,根據(jù)公差調(diào)節(jié)螺母、CCB強度和儀表板本體的實際狀態(tài),提出三個解決方案:1)選擇合適的公差調(diào)節(jié)螺母以降低反轉壓力;2)增強CCB端部強度以減小變形量;3)對儀表板本體定位銷修偏以預變形抵消打緊變形量。以下針對每種方案的可行性分別做進一步分析。
本車型的儀表板系統(tǒng)采用左側定位,右側以公差調(diào)節(jié)螺母吸收CCB與車身公差,確保儀表板總成位于正確的安裝點。
CCB端部支架變形,即反饋給調(diào)節(jié)螺母一個正壓力,引起調(diào)教螺母與A柱之間產(chǎn)生阻止旋轉的摩擦力。端部支架變形量不斷增大,摩擦力就不斷增大。當摩擦力產(chǎn)生的扭矩3加上螺紋旋轉扭矩2等于螺栓攻摩擦片扭矩1時,即1=2+3,調(diào)節(jié)螺母的相對旋轉運動終止,如圖5所示。
目前所使用的三種調(diào)節(jié)螺母中,寶特的公差調(diào)節(jié)螺母產(chǎn)生的壓力最低,性能最優(yōu)。WITOL的工差調(diào)節(jié)螺母表現(xiàn)居中,性能優(yōu)于ITW,相比寶特會產(chǎn)生較高的摩擦扭矩。當前本車型所用公差調(diào)節(jié)螺母類型為ITW,由于其他車型已有應用且沒有發(fā)現(xiàn)類似問題。更換公差調(diào)節(jié)螺母類型的方案實施難度大,如表2所示。
表2 公差調(diào)節(jié)螺母類型信息表
調(diào)節(jié)螺母類型扭矩T1/Nm扭矩T2/Nm內(nèi)徑R1/mm外徑R2/mm產(chǎn)生壓力/N ITW0.60.05714505 WITOL0.20.017(10*)14(21*)174(122*) 寶特0.20.03714156
3.2.1CCB及儀表板總成CAE分析
儀表板本體通過兩個定位銷,與CCB上有對應的定位孔相匹配。針對CCB懸臂支架上的兩個定位孔進行CCB打緊前后位置變化分析。觀察對比7款不同車型CCB公差調(diào)節(jié)螺母打緊下,懸臂支架上兩點的位移量差異。其中,Program2為本車型。
表3 不同車型CCB模擬打緊后懸臂支架上測點位移量
ProgramProgram1Program2Program3Program4Program5Program6Program7 Point 1100 N0.8402.3400.8570.2320.8000.3601 280 150 N1.2503.5101.2850.3491.2100.5401.870 200 N1.6704.6801.7130.465 0.720 Point 2100 N0.9002.29000.186 0.430 150 N1.3503.43000.2791.1500.6402.110 200 N1.8104.58000.372 0.850
CCB懸臂支架在結構上靠近CCB右側端部支架,在打緊公差調(diào)節(jié)螺栓的過程中,端部支架偏軟,當公差調(diào)節(jié)螺母打緊至與車身鈑金貼合后,繼續(xù)多轉幾圈推動端部支架向車內(nèi)方向產(chǎn)生變形量,端部支架帶動懸臂支架向車內(nèi)方向移動,產(chǎn)生圖6所示1、2點相應的位移量。在不同的施力大小下,不同車型產(chǎn)生不同的位移量。對比之下,本車型懸臂支架產(chǎn)生的位移量最大,150 N模擬壓力下,位移量達到了3.51 mm。將CCB裝配至儀表板總成,再次模擬施加不同大小的力,測量儀表板本體兩點位移量變化情況。如表4所示。
表4 不同車型儀表板模擬打緊后懸臂支架上測點位移量
ProgramProgram1Program2Program3Program4Program5Program6Program7 Point 1100 N0.3400.6200.6690.1640.4200.1300.460 150 N0.5100.9401.0040.2460.6300.2000.700 200 N0.6901.2501.3380.328 0.260 Point 2100 N0.4000.6100.1500.106 0.140 150 N0.6100.9200.2260.1600.6000.2000.700 200 N0.8101.2200.3010.213 0.270
儀表板總成打緊,150 N模擬外力施加下,儀表板本體測量點位移量0.94 mm,CCB懸臂支架定位孔帶動儀表板本體定位銷,使儀表板本體向車內(nèi)方向位移。Program3在1點處采用相同定位結構,模擬結果與本車型趨勢一致。
圖6 CCB及儀表板總成測點示意圖
圖7 CCB端部支架變形示意圖
進一步分析產(chǎn)生位移量的原因,如圖7所示,通過與其他車型CCB端部公差調(diào)節(jié)螺母與CCB軸心的距離發(fā)現(xiàn),本車型公差調(diào)節(jié)螺母距離軸心有229.92 mm,相同的打緊力下容易產(chǎn)生較大的力矩,使CCB端部支架變形量增大?;谝陨戏治?,可判定儀表板本體與手套箱垂直間隙超差是由于CCB結構偏軟,導致打緊之后端板推動懸臂支架將儀表板本體向車內(nèi)方向移動。
3.2.2CCB及儀表板總成方案驗證
以增加支架提高CCB強度的方式進行驗證,在檢具上,通過數(shù)顯測力計模擬本車型儀表板右側打緊受力,儀表板本體與手套箱間隙值相比于NS3-1實車狀態(tài)有明顯改善,金屬支架、橫梁和右端部支架形成穩(wěn)定的結構“三角形”,此區(qū)域強度提高,模擬公差調(diào)節(jié)螺母打緊后,端部支架受力后變形量由3 mm調(diào)整為0.25~0.5 mm,如圖8所示。
使用增加支架后的CCB進行裝配,對儀表板總成進行模擬受力打緊,對超差的4號點進行測量。同時,對比本車型 2.0T NS3-1實際測量數(shù)據(jù)。當受力大小提升時,NS3-1測點間隙呈變大趨勢,當力施加至200 N,測量點間隙已超差。CCB加焊金屬支架,隨受力增大,測量點間隙較為穩(wěn)定,當力施加至200 N,測量點間隙變化量0.1 mm,依然保持在設計范圍內(nèi)。
圖8 CCB及儀表板總成變形量對比示意圖
根據(jù)CCB新增支架的方案,供應商對方案進行改進意見,擴大支架與端蓋的接觸面,優(yōu)化焊接工藝。但是考慮到CCB增加支架的方案一方面會使單車成本增加1.4元,工裝費用增加20萬元;另一方面更改周期90天,無法控制車輛投產(chǎn)之后2個月的問題狀態(tài),最終不予采用。
針對儀表板本體定位銷進行修偏,通過預變形的原理分析,使儀表板本體打緊前產(chǎn)生一部分變形量,令右側垂直間隙變小,抵消打緊之后產(chǎn)生的變形量,如圖9、圖10所示。
對儀表板本體定位銷進行1 mm和1.5 mm修偏,使兩個定位銷中心軸沿C-C向偏移,平衡儀表板總成打緊造成的偏移。統(tǒng)計6臺1 mm手工樣件,13臺1.5 mm手工樣件后均值對比如圖9所示。
圖9 儀表板本體定位銷修偏示意圖
圖10 儀表板本體預變形原理示意圖
儀表板本體定位銷修偏1.5 mm后裝車,垂直間隙上端點均值有明顯改善,間隙值控制在設計范圍內(nèi)。綜合更改成本、影響車型、更改效果等因素分析,修改儀表板本體定位銷是合適的解決辦法。
表5 儀表板本體定位銷未修偏與修偏狀態(tài)對比表
均值變化量均值變化量均值變化量 supplier裝車supplier裝車supplier裝車 2.0191.253-0.7662.6131.275-1.3382.7571.675-1.082 2.0941.703-0.3912.5441.633-0.9112.6792.018-0.661 2.0562.022-0.0342.2501.942-0.3082.4142.196-0.218 2.1312.8310.7001.4382.6501.2121.3322.4111.079 2.1562.6060.4501.6442.4750.8311.5182.1930.675 2.1502.2750.1251.9192.2000.2811.7391.9640.225 2.0611.828-0.2332.0501.975-0.0752.1112.054-0.057 2.0081.828-0.1801.9251.750-0.1752.0251.893-0.132 1.7361.625-0.1111.5671.425-0.1421.6821.529-0.153 初始樣件儀表板本體預變形1 mm手工樣件儀表板本體預變形1.5 mm手工樣件
儀表板本體定位銷修偏從本車型投產(chǎn)當天開始執(zhí)行。共對95臺下線車輛進行數(shù)據(jù)測量,每臺車測量手套箱周邊9個點。數(shù)據(jù)如表6所示。
表6 實車測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
測點間隙均值/mm單邊間隙一致性/mm左右間隙一致性/mm 11.9980.178-0.179 22.0470.178-0.116 32.1090.178-0.088 42.1760.117-0.179 52.1630.117-0.116 62.1970.117-0.088 72.2390.373 82.2240.373 91.8850.373
從以上列表中可以看出,對本車型儀表板本體定位銷修偏措施改善明顯,95臺車的測量數(shù)據(jù)中沒有出現(xiàn)間隙超差現(xiàn)象,單邊間隙一致性和左右垂直間隙一致性趨于穩(wěn)定值0 mm。
(長期跟蹤該車型共計39 434臺,儀表板本體與手套箱間隙問題缺陷58臺,包括零件質量問題在內(nèi),缺陷率1.47‰)
本車型儀表板本體與手套箱間隙問題的分析與解決,對此類問題的根本所在有了進一步的掌握。在問題解決過程中,根據(jù)問題表現(xiàn)出的狀態(tài),從以下兩個方面進行總結與展望。
1)通過對比其他車型儀表板總成打緊之后儀表板本體與手套箱的間隙狀態(tài),間隙變化量呈現(xiàn)各有不同,根據(jù)分布情況,建議設定參考值。以儀表板端部施加150N壓力時,手套箱間隙變化量為0.5 mm作參考,在項目初期可以提前把控間隙變化走勢。減小打緊變形對間隙值的影響,更好地跟蹤和解決手套箱間隙這一匹配難題。
2)從實測的儀表板本體與間隙變形量上看,對比本車型公差調(diào)節(jié)螺母品牌ITW和其他車型公差調(diào)節(jié)螺母品牌寶特,在相同的標準件尺寸狀態(tài)下,寶特是目前所使用的調(diào)節(jié)螺母中性能最優(yōu)的一種,并且已在多款車型上普及,可以作為目前摩擦式公差調(diào)節(jié)螺母的首選。
為更好地防止公差調(diào)節(jié)螺母因摩擦力不足導致多轉幾圈,使車身鈑金與CCB支架間隙變大,公差調(diào)節(jié)螺母在設計方向上已有一種驗證有效的方案,即凸臺式調(diào)節(jié)螺母。公差調(diào)節(jié)螺母的活動螺母在貼合車身鈑金的時候,調(diào)節(jié)螺母開的凸臺與鈑金開的梅花型槽配合,貼合后凸臺進入梅花通孔中停止轉動,有效地避免了調(diào)節(jié)螺母與鈑金貼合后繼續(xù)旋轉的風險。
[1] 陶靚.手套箱開啟過程的動力學分析及性能設計[J]. 汽車技術,2021(7):58-62.
[2] 程世奇,孔君麗,秦穎,等.汽車手套箱技術方案選擇策略[J].汽車工程師,2018(9):43-45.
[3] 范華山. NX-XB項目手套箱前期工藝開發(fā)及結構優(yōu)化[J].汽車與新動力,2022(3):70-75.
[4] 楊勇,郝旭飛.汽車手套箱的設計開發(fā)[J].汽車科技, 2020(1):41-45.
[5] 秦昀.儀表板手套箱設計與驗證研究[J].研究與開發(fā), 2017(8):59-61.
[6] 汪洪清.汽車儀表板手套箱開發(fā)研究[J].汽車實用技術,2015(3):52-55.
Optimization of Design Strategy Based on Vehicle Glove Box Matching Problem Solving
XUE Hao, HOU Chong, LIU Junwei, YE Ziru, LIU Lin
( SAIC General Motors Company Limited, Wuhan Branch, Wuhan 430000, China )
This paper takes the issue of excessive vertical clearance between the lower body of the instrument panel and the glove box after a certain vehicle model's instrument panel assembly is tightened as an example, and systematically analyzes the adverse contributions and impacts of the glove box, the lower body of the instrument panel, tolerance adjusting nuts, and the cross car beam on the issue of excessive clearance. Based on the analysis, resolution and verification process of the problem, in order to address the size matching problem that occurs on the actual vehicle, define engineering development goals, and develop an effective positioning pin deviation and pre deformation strategy to control the vertical clearance on both sides of the glove box. On this basis, further exploration, research, and summarization will be conducted to provide reference for the matching design of dashboard and glove box in other subsequent projects.
Instrument panel; Glove box; Tolerance adjusting nut; Positioning pin pre-deformation;Matching problem
U463.7
A
1671-7988(2023)12-85-07
薛皓(1992-),男,研究方向為汽車內(nèi)飾件設計開發(fā),E-mail:xuehao825@163.com。
10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.017