基于3DCS的電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)一體化尺寸控制研究

羅錦耀　梁武生

摘 要：文章以總裝車(chē)間電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)一體化合裝的尺寸控制為研究對(duì)象，對(duì)白車(chē)身、合裝托盤(pán)、車(chē)體吊具以及底盤(pán)相關(guān)零件（前副車(chē)架、動(dòng)力電池、后橋）的裝配基準(zhǔn)和裝配公差進(jìn)行分析，結(jié)合三維偏差分析軟件3DCS，探索電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)一體化合裝的尺寸控制策略，提高底盤(pán)一體化合裝的裝配精度及一致性，從而提升車(chē)輛整車(chē)性能。

關(guān)鍵詞：3DCS 電動(dòng)汽車(chē) 底盤(pán)一體化 尺寸控制

1 引言

在國(guó)家政策的大力支持和新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用前提下，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新迭代，汽車(chē)的電動(dòng)化和智能化是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的主要趨勢(shì)，也是目前眾多汽車(chē)生產(chǎn)廠家發(fā)展追求的主要目標(biāo)。汽車(chē)要想實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化和智能化控制，對(duì)汽車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)也提出了更高的要求。

吉利位于西安的總裝車(chē)間采用的是世界一流的“底盤(pán)整體自動(dòng)合裝”工藝，46組螺栓全自動(dòng)同步擰緊，精度控制在0.15mm之內(nèi)，擰緊數(shù)據(jù)在線監(jiān)控，確保裝配精度的一致性。

當(dāng)前的總裝車(chē)間，底盤(pán)與車(chē)身的裝配、電動(dòng)汽車(chē)的電池與車(chē)身的裝配還是依靠人工分裝擰緊；底盤(pán)前懸和后懸是分開(kāi)裝配至車(chē)身，前束角，外傾角等四輪參數(shù)受車(chē)身及底盤(pán)件制造誤差影響，底盤(pán)件裝配精度及整車(chē)四輪參數(shù)一致性差；并且螺栓擰緊的數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)應(yīng)，無(wú)法確保裝配的精度的一致性。

為了提升整車(chē)性能，本文結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)一體化合裝的尺寸控制為研究對(duì)象，對(duì)白車(chē)身、合裝托盤(pán)、車(chē)體吊具以及底盤(pán)相關(guān)零件（前懸副車(chē)架、動(dòng)力電池、后懸總成）的裝配基準(zhǔn)和裝配公差進(jìn)行分析，結(jié)合三維偏差分析軟件3DCS，探索電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)一體化合裝的尺寸控制策略。具體分析如下內(nèi)容：底盤(pán)一體化合裝裝配策略；底盤(pán)一體化合裝的裝配基準(zhǔn)策略當(dāng)前設(shè)計(jì)狀態(tài)&制造精度合理性。

2 底盤(pán)一體化合裝裝配策略

2.1 合裝方式介紹

2.1.1 當(dāng)前底盤(pán)合裝方式

AGV合裝：它是通過(guò)控制臺(tái)檢測(cè)到輸送鏈上車(chē)體的位置信號(hào)，調(diào)度在等待站點(diǎn)已載有動(dòng)力電池總成、后懸總成AGV小車(chē)及載有前懸總成AGV小車(chē)按預(yù)定時(shí)間，迅速進(jìn)入輸送鏈下方，在預(yù)定區(qū)域捕獲預(yù)先固定在汽車(chē)車(chē)身上的目標(biāo)，保持穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)后，自動(dòng)舉升動(dòng)力電池總成、后懸總成及前懸總成到預(yù)定位置，人工打開(kāi)滑動(dòng)平臺(tái)全方位移動(dòng)鎖銷(xiāo)及滑動(dòng)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)鎖銷(xiāo)即可開(kāi)始裝配。

2.1.2 計(jì)劃研究的底盤(pán)一體化合裝方式

一體化合裝形式，相對(duì)常規(guī)的AGV合裝，整體合裝的托盤(pán)根據(jù)裝配需求，集成了前懸、動(dòng)力電池總成及后懸，借助吊具對(duì)車(chē)體的精準(zhǔn)定位，同時(shí)舉升前后懸架，選擇自動(dòng)打緊設(shè)備，采用M-POINT導(dǎo)向螺栓對(duì)底盤(pán)零部件進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)向擰緊，并記錄擰緊數(shù)據(jù)。

為了考慮到同平臺(tái)多車(chē)型的的柔性化使用情況，托盤(pán)定位后懸的整個(gè)部分做成滑移可調(diào)結(jié)構(gòu)。

2.2 研究的底盤(pán)一體化合裝策略

目前研究的底盤(pán)一體化合裝策略為：車(chē)體吊具定位車(chē)身；底盤(pán)零件定位在合裝托盤(pán)；合裝托盤(pán)舉升定位至車(chē)身；使用導(dǎo)向螺栓阻性擰緊底盤(pán)零件。詳見(jiàn)圖1。

基于以上合裝策略，底盤(pán)一體化合裝研究的技術(shù)難點(diǎn)為：

（1）擔(dān)心當(dāng)前的制造水平和設(shè)計(jì)無(wú)法包容合裝需求的高精度定位要求導(dǎo)致底盤(pán)相關(guān)零件（前懸副車(chē)架、動(dòng)力電池、后懸總成）安裝時(shí)出現(xiàn)擋孔；（2）擔(dān)心當(dāng)前的制造水平和設(shè)計(jì)無(wú)法滿(mǎn)足導(dǎo)向套筒容差需求+/-1.0mm。

因此需要借助三維偏差分析軟件3DCS進(jìn)行裝配定位策略&公差校核，探索適合當(dāng)前現(xiàn)狀的底盤(pán)一體化合裝的尺寸控制策略。

3 3 DCS軟件介紹&校核目標(biāo)的設(shè)定

3.1 3DCS軟件介紹

DCS-Dimensional control system（尺寸控制系統(tǒng)），尺寸變化分析是對(duì)裝配變化進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)的過(guò)程，這種裝配的變化基于裝配件公差、零部件幾何尺寸和定位點(diǎn)配置，通過(guò)DCS的功能在虛擬的環(huán)境下，對(duì)已有的三維模型進(jìn)行分析，用來(lái)模擬實(shí)際裝備時(shí)可能發(fā)生的尺寸匹配問(wèn)題。

對(duì)于3DCS的分析首先要確定假定基本條件：

（1）所有零件是剛性的；（2）產(chǎn)品制造工藝過(guò)程產(chǎn)生的公差符合正態(tài)分布，6西格瑪范圍與公差范圍相符，均值在中間；（3）仿真次數(shù)假定5000臺(tái)份（制造模擬次數(shù)）；（4）使用的數(shù)學(xué)原理為蒙特卡洛模擬法。

3.2 底盤(pán)一體化合裝裝配基準(zhǔn)策略

3.2.1 底盤(pán)件裝配托盤(pán)的裝配基準(zhǔn)策略

底盤(pán)零件前懸副車(chē)架、動(dòng)力電池總成、后懸總成均通過(guò)三個(gè)支撐面，兩個(gè)Hole-Pin的裝配定位策略裝配至合裝托盤(pán)上，詳細(xì)信息可見(jiàn)圖2。

3.2.2 托盤(pán)裝配至車(chē)身的裝配基準(zhǔn)策略

由于在實(shí)際制造中，托盤(pán)裝配至車(chē)身前端定位孔要求不能被其他裝配件遮擋，因此前端的定位孔有2種裝配基準(zhǔn)策略。

方案1：車(chē)身主定位孔H1 ?20（0～0.1），位置度0，X向車(chē)身坐標(biāo)約500mm，副定位孔H2長(zhǎng)圓孔20（0～0.1）*21（0～0.2），車(chē)身與托盤(pán)定位面輪廓度3.0；對(duì)應(yīng)托盤(pán)主定位銷(xiāo)P1&P2 ?19.5（-0.1～0），位置度0.4，托盤(pán)定位面輪廓度0.4。

方案2：車(chē)身主定位孔H1 ?20（0～0.1），位置度0，X向車(chē)身坐標(biāo)約1400mm，副定位孔H2長(zhǎng)圓孔20（0～0.1）*21（0～0.2），車(chē)身與托盤(pán)定位面輪廓度3.0；對(duì)應(yīng)托盤(pán)主定位銷(xiāo)P1&P2 ?19.5（-0.1～0），位置度0.4，托盤(pán)定位面輪廓度0.4。

方案1與方案2的區(qū)別在于僅主定位孔X向車(chē)身坐標(biāo)差異約900mm，其他支撐面與孔銷(xiāo)配合裝配信息均不發(fā)生變化。

3.2.3 校核目標(biāo)

三維偏差分析軟件3DCS校核的目標(biāo)如下：

（1）基于托盤(pán)定位車(chē)身方案1校核前懸副車(chē)架、動(dòng)力電池、后懸總成安裝孔設(shè)計(jì)需求容差。

——對(duì)比業(yè)內(nèi)合裝和當(dāng)前精度校核測(cè)點(diǎn)1～6位置的底盤(pán)零件與車(chē)身安裝螺母孔擋孔概率和需求的設(shè)計(jì)容差

測(cè)點(diǎn)1～2為前懸副車(chē)架與車(chē)身裝配孔，孔徑?20裝配車(chē)身M14螺母孔；

測(cè)點(diǎn)3～4為動(dòng)力電池與車(chē)身裝配孔，孔徑?15裝配車(chē)身M10螺母孔；

測(cè)點(diǎn)5～6為后懸總裝與車(chē)身裝配孔，孔徑?20裝配車(chē)身M14螺母孔；

前懸副車(chē)架&動(dòng)力電池安裝過(guò)孔尺寸公差0～+0.2，位置度1.5mm，后懸總成安裝過(guò)孔尺寸公差0～+0.2，位置度3.0mm，對(duì)應(yīng)車(chē)身安裝螺母孔位置度2.4mm。

（2）基于托盤(pán)定位車(chē)身方案1校核托盤(pán)導(dǎo)向套筒容差。

——對(duì)比不同車(chē)身精度下校核測(cè)點(diǎn)1～6位置托盤(pán)套筒與車(chē)身安裝螺母孔需求的設(shè)計(jì)容差。

（3）對(duì)比托盤(pán)定位車(chē)身方案1和2對(duì)測(cè)點(diǎn)1～6位置托盤(pán)套筒與車(chē)身安裝螺母孔擋孔概率的影響。

4 基于3DCS軟件校核結(jié)果的對(duì)比

4.1 底盤(pán)零件與車(chē)身安裝螺母孔擋孔概率和需求的設(shè)計(jì)容差對(duì)比結(jié)果

在3DCS軟件中按照上文裝配基準(zhǔn)策略&校核目標(biāo)的孔位大小以及位置信息裝配計(jì)算5000次的校核結(jié)果如下圖3：

位置1展示的是基于當(dāng)前制造精度下的底盤(pán)各零件測(cè)點(diǎn)1～6的擋孔的超差概率示意；位置2展示的是后懸總成的5號(hào)測(cè)量孔擋孔的敏感因子排序，其中后懸自身孔5位置度3.0占據(jù)了49.34%的影響，白車(chē)身安裝孔位置2.4占據(jù)了30.82%的影響。

經(jīng)匯總3DCS偏差分析虛擬校核的結(jié)果，對(duì)比在業(yè)內(nèi)合裝和當(dāng)前的制造精度下，基于3DCS軟件模擬計(jì)算的擋孔概率和需求容差信息詳見(jiàn)下表1；其中藍(lán)色字體的是業(yè)內(nèi)合裝較好的制造精度信息，紅色字體是當(dāng)前的制造水平。

從以上對(duì)比結(jié)果中可以得出以下結(jié)論：

（1）前懸副車(chē)架裝配至車(chē)身不擋孔的設(shè)計(jì)容差需求為＞2.42mm；動(dòng)力電池裝配至車(chē)身不擋孔的設(shè)計(jì)容差需求為＞2.18mm；后懸總成裝配至車(chē)身不擋孔的設(shè)計(jì)容差需求為＞2.67mm。

（2）當(dāng)前設(shè)計(jì)的前懸副車(chē)架、動(dòng)力電池、后懸總成安裝孔孔徑大小和位置度滿(mǎn)足校核需求。

4.2 托盤(pán)導(dǎo)向套筒容差校核結(jié)果對(duì)比

根據(jù)業(yè)內(nèi)合裝和當(dāng)前的制造水平，通過(guò)校核11種排列組合（主要針對(duì)車(chē)身主定位位置度，車(chē)身安裝孔位置度），校核結(jié)果對(duì)比如下表2。

從表2校核結(jié)果對(duì)比中，可以得出如下結(jié)論：

如果要滿(mǎn)足導(dǎo)向套筒容差+/-1，SGMW的車(chē)身制造精度必須要提高，其中托盤(pán)與車(chē)身的主定位精度位置度為0mm，副定位位置精度為0.5mm，車(chē)身上底盤(pán)零件的安裝螺母位置度精度需要提升至位置度1.0mm。

4.3 托盤(pán)定位至車(chē)身方案1和2對(duì)導(dǎo)向套筒容差影響對(duì)比

受到裝配無(wú)遮擋的設(shè)計(jì)要求，上文介紹托盤(pán)定位到車(chē)身有2種定位方案，且底盤(pán)一體化合裝自動(dòng)打緊的導(dǎo)向螺栓的要求的容差設(shè)計(jì)為+/-1.0mm。

在此前提下2種方案車(chē)身上托盤(pán)定位孔位置度分別為0mm和1.0mm時(shí)的3DCS虛擬偏差案分析校核的結(jié)果詳細(xì)信息如下表3。

從表3結(jié)果對(duì)比上看，可以得出如下結(jié)論：

（1）方案2在定位套筒要求設(shè)計(jì)容差+/-1.0mm的前提下，擋孔概率要低于方案1。即托盤(pán)在車(chē)身的定位方案選擇方案2更利于底盤(pán)一體化合裝方案。

（2）從3DCS虛擬偏差分析模擬得出對(duì)導(dǎo)向套筒容差+/-1.0mm影響擋孔的最大敏感因子為車(chē)身上的安裝螺母位置度2.4mm。

5 結(jié)論

本文以基于3DCS軟件對(duì)底盤(pán)一體化合裝的尺寸控制要求進(jìn)行模擬分析，得出了前懸副車(chē)架、動(dòng)力電池、后懸總成安裝需求的設(shè)計(jì)容差和制造公差要求，對(duì)比分析了托盤(pán)在車(chē)身上2種定位方案的優(yōu)劣，給出能實(shí)現(xiàn)底盤(pán)一體化合裝的具體優(yōu)化方向。

（1）前懸副車(chē)架裝配至車(chē)身不擋孔的設(shè)計(jì)容差需求為＞2.42mm；動(dòng)力電池裝配至車(chē)身不擋孔的設(shè)計(jì)容差需求為＞2.18mm；后懸總成裝配至車(chē)身不擋孔的設(shè)計(jì)容差需求為＞2.67mm。（2）底盤(pán)一體化安裝的實(shí)現(xiàn)需要保證車(chē)身上底盤(pán)零件的安裝螺母位置度高于1.5mm。（3）托盤(pán)在車(chē)身上的主定位選擇靠后端對(duì)動(dòng)力電池、后懸總成的導(dǎo)向套筒的安裝更有利。

本文在提高電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)總裝底盤(pán)一體化合裝的自動(dòng)化研究上做了較為充分的虛擬驗(yàn)證，在節(jié)省產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的前提下，盡量減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)更改的次數(shù)，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性；在降低制造成本的前提下，優(yōu)化了制造工藝控制參數(shù)，避免盲目投入成本。

本文內(nèi)容均為理論設(shè)計(jì)虛擬模擬研究，后續(xù)會(huì)繼續(xù)跟進(jìn)確認(rèn)在實(shí)際制造中與以上結(jié)論的吻合度，從而更完善的實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際制造的相互印證。

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