多分支線束穿孔的線化模擬虛擬分析方法研究

摘要：提出了一種多分支汽車線束穿孔操作線化虛擬分析的方法，通過(guò)對(duì)線束三維數(shù)據(jù)主干及分支等的長(zhǎng)度、分叉位置、線束接插件尺寸測(cè)算，并依據(jù)測(cè)算建立線束的圖形化等效模擬圖。在模擬圖的長(zhǎng)度方向上，逐一識(shí)別計(jì)算不同穿孔截面尺寸是否滿足穿孔間隙要求。依據(jù)分析結(jié)果，提出線束分支出線點(diǎn)位置設(shè)計(jì)優(yōu)化、線束實(shí)物零件捆扎優(yōu)化建議。該方法解決了復(fù)雜多分支線束數(shù)據(jù)階段穿孔可行性虛擬分析的難點(diǎn)，縮短了實(shí)物驗(yàn)證的周期，降低了產(chǎn)品開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：多分支；線束；穿孔；線化；虛擬分析

在汽車裝配工藝的同步工程分析中，軟質(zhì)零件的虛擬分析是一個(gè)難點(diǎn)。因其軟質(zhì)的特性，使得虛擬環(huán)境下的三維數(shù)據(jù)無(wú)法真實(shí)模擬實(shí)物狀態(tài)。

對(duì)于整車線束的裝配，鑒于轎車籠式車身結(jié)構(gòu)及整車電器件的布置，基于車身線束一體化、低成本方案考慮，多分支線束穿越鈑金腔體孔的工藝是線束裝配同步工程分析的一個(gè)主要內(nèi)容。以往的分析方式，只是簡(jiǎn)單地選擇分支中2～3個(gè)尺寸較大的接插件進(jìn)行穿孔間隙的分析，未考慮各分支線束及其小型接插件的尺寸因?qū)嶋H包扎方向所增加的穿孔部分的整體尺寸。本文通過(guò)建立多分支線束的圖形化等效模擬圖，提出了一種有效的虛擬分析方法。

車身結(jié)構(gòu)及汽車線束設(shè)計(jì)

1.車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車是一個(gè)極其復(fù)雜的產(chǎn)品。汽車車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從是否敞通來(lái)看，一般分為發(fā)動(dòng)機(jī)艙與乘員艙兩部分。從安全、密封及NVH等因素考慮，發(fā)動(dòng)機(jī)艙與乘員艙之間設(shè)計(jì)有前圍鈑金進(jìn)行分隔，少部分三廂轎車車型也在乘員艙與后備艙之間進(jìn)行了硬隔離。圖1展示了典型的轎車車身車艙結(jié)構(gòu)形式。

因功能的需求，車輛前圍鈑金須開設(shè)若干孔洞實(shí)現(xiàn)諸如制動(dòng)、轉(zhuǎn)向及空調(diào)等系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)連接。如轉(zhuǎn)向管柱孔用于轉(zhuǎn)向管柱的穿越以連接方向管柱與轉(zhuǎn)向機(jī)；制動(dòng)助力器孔用于助力器推桿的穿越以連接制動(dòng)助力器與制動(dòng)踏板；空調(diào)管孔用于空調(diào)進(jìn)出水管的穿越以連接冷卻模塊與蒸發(fā)箱。圖2展示了某車型前圍鈑金上的開孔結(jié)構(gòu)。

2.汽車線束設(shè)計(jì)

分散布置于車身各處的電氣模塊使得傳導(dǎo)線束也需排布到對(duì)應(yīng)位置以進(jìn)行傳導(dǎo)連接，如連接至車輛前、后部保險(xiǎn)杠處的照明燈、雷達(dá)等，連接至前艙的動(dòng)力總成、蓄電池及熔體盒等，連接至乘員艙的儀表板、座椅、側(cè)氣簾及頂棚等，連接到車門的玻璃升降器、揚(yáng)聲器及開關(guān)等。

為便于設(shè)計(jì)、制造及裝配，整車線束一般分為底板線束（或乘員艙線束）、發(fā)動(dòng)機(jī)艙線束、前/后保險(xiǎn)杠線束、頂棚線束及車門線束。而從傳導(dǎo)效率和成本維度考慮，底板線束通常與發(fā)動(dòng)機(jī)艙線束進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)，稱之為車身主線束。

一般地，車身主線束承載了整車90%以上的電氣接口數(shù)量，占據(jù)95%以上的整車線束長(zhǎng)度和98%以上的整車線束重量。其在車身上的整理、排布作業(yè)已經(jīng)成為整車裝配的一個(gè)主要工藝過(guò)程，通常需要3～4個(gè)工位的作業(yè)才能完成。而一體式集成的設(shè)計(jì)，使其在前圍鈑金開口處的穿孔作業(yè)成為了一個(gè)瓶頸工序。

車身主線束裝配工藝

鑒于線束的長(zhǎng)度和重量，為便于零件包裝、運(yùn)輸及裝配，車身主線束通常以一定的捆扎方式送料至裝配工位，作業(yè)者利用助力設(shè)備搬運(yùn)車內(nèi)，而后進(jìn)行拆解、排布和固定作業(yè)。

主流的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流水線裝配工藝中，乘員艙底板為需要做拆解整理的線束準(zhǔn)備作業(yè)提供了相比發(fā)動(dòng)機(jī)艙更便利且具防護(hù)性的臨時(shí)放置區(qū)域，而發(fā)動(dòng)機(jī)艙緊湊的作業(yè)空間和前圍鈑金線束開口位置的結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)不便利，使得一體式設(shè)計(jì)的車身主線束穿孔工藝基本為從乘員艙往發(fā)動(dòng)機(jī)艙方向進(jìn)行穿越。

線束穿孔虛擬分析，主要評(píng)估穿越段線束的截面最大徑向尺寸是否小于鈑金開口直徑，并預(yù)留一定的穿越間隙余量，一般取開口直徑大于等于穿越物截面最大徑向尺寸的1.3倍。

線束穿孔工藝虛擬分析

下面以某車型車身主線束穿越前圍鈑金孔進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙為例進(jìn)行穿孔可行性的虛擬分析演示。

1.代號(hào)及命名

為便于分析，參考植物的枝干結(jié)構(gòu)，對(duì)主干、分支及枝節(jié)等進(jìn)行定義及編號(hào)賦予。

主干，為從根部（起點(diǎn)）開始，選取枝干鋪展拉伸時(shí)，沿枝干生長(zhǎng)方向長(zhǎng)度最長(zhǎng)的主枝。分支，為除主干外，從主干分叉出去的其余枝干。直接從主干分叉的，為一級(jí)分支，從一級(jí)分支分叉的，為二級(jí)分支，以此類推。枝節(jié)，為分支的分叉點(diǎn)。枝葉，為除上述外的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如線束末端的接插頭、線束上的固定卡子、線槽、密封圈等。圖3展示了主干、分支及枝節(jié)的定義示例。

圖4展示了某車型車身主線束在發(fā)動(dòng)機(jī)艙部分的線束主干及分支情況。這里，對(duì)主干以代號(hào)M標(biāo)記。第1分支以代號(hào)B1標(biāo)記，第2分支以代號(hào)B2標(biāo)記，以此類推。B1分支與主干的枝節(jié)以代號(hào)P1標(biāo)記，以此類推。

2.尺寸測(cè)量

按先主干、再一級(jí)分支、后二級(jí)分支的順序，在三維數(shù)據(jù)應(yīng)用程序中測(cè)量各段線束的長(zhǎng)度。同時(shí)，測(cè)量記錄各分支枝節(jié)在主干或上級(jí)分支長(zhǎng)度方向上的起始坐標(biāo)。

測(cè)量所有分支末端的線束接插頭的徑向最大尺寸。徑向?yàn)榇┛孜矬w在前圍鈑金開孔徑向方向上的最大通過(guò)尺寸。圓形截面的線束，徑向最大尺寸為其直徑；矩形截面的接插頭，徑向最大尺寸為其兩短邊之間的距離。線束上的其他產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，可評(píng)估后確定是否進(jìn)行測(cè)量并納入分析，一般地，固定卡子因尺寸相對(duì)較小，對(duì)評(píng)估影響不大，可忽略不作測(cè)量分析；而線束線槽等尺寸較大的，應(yīng)進(jìn)行測(cè)量納入分析。

圖5展示了在某三維數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件中對(duì)線束主干段長(zhǎng)度分段測(cè)量的示例，將分段長(zhǎng)度相加后即為主干線束的長(zhǎng)度，示例主干總長(zhǎng)約為1019mm。圖6展示了對(duì)線束接插件徑向最大尺寸測(cè)量的示例，示例為主干線束末端接插頭，其兩短邊間距離約為53mm。圖7展示了分支B1的分段長(zhǎng)度測(cè)量示例，將分段長(zhǎng)度相加后即為分支B1的長(zhǎng)度，示例分支B1的總長(zhǎng)約為303mm，枝節(jié)P1距離主干起始位置距離約為63mm。

圖8展示了分支B2的分段長(zhǎng)度測(cè)量示例，將分段長(zhǎng)度相加后即為分支B2的長(zhǎng)度，示例分支B2的總長(zhǎng)約為1502mm，枝節(jié)P2距離主干起始位置距離約為73mm（圖上未顯示測(cè)量值）。圖9展示了分支B3的分段長(zhǎng)度測(cè)量示例，將分段長(zhǎng)度相加后即為分支B3的長(zhǎng)度，示例分支B3的總長(zhǎng)約為484mm，枝節(jié)P3距離主干起始距離約為325mm（圖上未顯示測(cè)量值）。圖10展示了分支B4的分段長(zhǎng)度測(cè)量示例，將分段長(zhǎng)度相加后即為分支B4的長(zhǎng)度，示例分支B4的總長(zhǎng)約為258mm，枝節(jié)P4距離主干起始距離約為350mm（圖上未顯示測(cè)量值）。

圖11展示了分支B5的分段長(zhǎng)度測(cè)量示例，將分段長(zhǎng)度相加后即為分支B5的長(zhǎng)度，示例分支B5的總長(zhǎng)約為476mm，枝節(jié)P5距離主干起始距離約為676mm（圖上未顯示測(cè)量值）。圖12展示了分支B6的分段長(zhǎng)度測(cè)量示例，將分段長(zhǎng)度相加后即為分支B6的長(zhǎng)度，示例分支B6的總長(zhǎng)約為707mm，枝節(jié)P6距離主干起始位置距離約為698mm（圖上未顯示測(cè)量值）。

圖13展示了分支B7、B8、B9、B10和B11的分段長(zhǎng)度測(cè)量示例，將分段長(zhǎng)度相加后即為各分支的長(zhǎng)度，示例分支B7的總長(zhǎng)約為221mm，B8的總長(zhǎng)約為75mm，B9的總長(zhǎng)約為91mm，B10的總長(zhǎng)約為197mm，B11的總長(zhǎng)約為183mm。枝節(jié)P7 、P8 、P9距離主干起始位置距離約為764mm（圖上未顯示測(cè)量值），枝節(jié)P10、P11距離主干起始位置距離約為831mm（圖上未顯示測(cè)量值）。

圖14展示了分支B12的分段長(zhǎng)度測(cè)量示例，將分段長(zhǎng)度相加后即為分支B12的長(zhǎng)度，示例分支B12的總長(zhǎng)約為339mm，枝節(jié)P12距離主干起始位置距離約為906mm（圖上未顯示測(cè)量值）。

圖15展示了B3的二級(jí)分支B1-B3的分段長(zhǎng)度測(cè)量示例，將分段長(zhǎng)度相加后即為分支B1-B3的長(zhǎng)度，示例分支B1-B3的總長(zhǎng)約為209mm，枝節(jié)P1-B3距離枝節(jié)P3在分支B3上的距離約為243mm（圖上未顯示測(cè)量值）。

圖16展示了B12的二級(jí)分支B1-B12的分段長(zhǎng)度測(cè)量示例，將分段長(zhǎng)度相加后即為分支B1-B12的長(zhǎng)度，示例分支B1-B12的總長(zhǎng)約為323mm，枝節(jié)P1-B12距離枝節(jié)P12在分支B12上的距離約為87mm（圖上未顯示測(cè)量值）。

3.數(shù)據(jù)整理及線化分析

（1）線化繪圖" 從右向左畫一橫軸，橫軸起點(diǎn)為前圍鈑金開孔，即車身主線束在發(fā)動(dòng)機(jī)艙段的主干起點(diǎn)。軸上坐標(biāo)點(diǎn)距離起始點(diǎn)的距離，即實(shí)際線束沿鋪展方向距離主干起始點(diǎn)的距離。在橫軸以下，按所測(cè)量并計(jì)算的主干、各分支長(zhǎng)度，以各對(duì)應(yīng)枝節(jié)所處位置為其起始點(diǎn)，依次從右向左畫線，作為各分支在分析圖上的線化符號(hào)，并將不同的線徑標(biāo)記在線束對(duì)應(yīng)段。按各枝葉即線束結(jié)構(gòu)在主干或分支上的位置，在圖上對(duì)應(yīng)分支的位置進(jìn)行標(biāo)記。圖17展示了按上述線束實(shí)例繪制的線化分析圖。

（2）風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段分析" 以一垂直于橫軸的線，由左向右推進(jìn)。與某一位置的推進(jìn)線同時(shí)相交的主干、分支和枝葉的線化符號(hào)，即表示在線束穿孔時(shí)，這些主干、分支和枝葉將共同組成同一時(shí)刻的穿越物。而由這些主干、分支和枝葉所組成的穿越物的整體徑向尺寸就是穿孔工藝可行性的分析對(duì)象，其應(yīng)滿足其1.3倍小于等于前圍鈑金開孔直徑。而同時(shí)與推進(jìn)線相交數(shù)量最多的橫軸位置，即為風(fēng)險(xiǎn)較高的位置。

圖18展示了1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)段位置。在該風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段內(nèi)，與推進(jìn)線同時(shí)相交的線束段有主干M，分支B2、B5、B6、B7、B8、B9、B10和B11，相交的接插件有枝葉L1-B3，可能相交的線束接插件有L1-（B1-B3）、L1-B9（B8末端接插件尺寸較小，此處評(píng)估后暫不列入分析）。

（3）風(fēng)險(xiǎn)截面分析" 將風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段內(nèi)與推進(jìn)線相交的所有線束（包含主干和分支）、接插件的截面尺寸模擬排布在一起，模擬測(cè)量并確定由這些線束和接插件截面組成的穿孔截面是否滿足前述“車身主線束裝配工藝”中的間隙余量要求。

圖19展示了風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段截面模擬排布的各線束及接插件穿孔截面情況。模擬排布僅為一種可能的情況，并依據(jù)這種可能的情況測(cè)量并給出大致的穿越物的綜合尺寸，以此尺寸（圖上為直徑約114mm）與前圍鈑金開孔尺寸進(jìn)行比較。

當(dāng)穿越物截面尺寸顯著地不滿足間隙余量要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行方案應(yīng)對(duì)，包括但不限于更改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如更改部分分支出線枝節(jié)點(diǎn)后延，使其避開風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段；或進(jìn)行部分線束來(lái)料反向困扎，如本分析案例中反向捆扎分支B3、B8、B9，使線束分支B8和接插件枝節(jié)L1-B3、L1-B9避開風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段。

結(jié)語(yǔ)

因?qū)嶋H線束零件存在設(shè)計(jì)、制造公差，穿孔時(shí)各線束及接插件也不可能完全按理想狀態(tài)排布并時(shí)刻保持同一位置，故上述針對(duì)三維數(shù)據(jù)的虛擬裝配分析，僅從數(shù)據(jù)及理論角度提出潛在的風(fēng)險(xiǎn)及建議，結(jié)論僅供參考。除非分析結(jié)果顯著地表明風(fēng)險(xiǎn)很低，否則應(yīng)進(jìn)行樣件驗(yàn)證或?qū)嵻囼?yàn)證以最終評(píng)估裝配方案的可行性。

針對(duì)數(shù)據(jù)的虛擬裝配分析SE（Simultaneous Engineering），是當(dāng)今汽車設(shè)計(jì)及工藝開發(fā)領(lǐng)域同步工程的一個(gè)重要活動(dòng)。與傳統(tǒng)的串行開發(fā)模式相比，同步工程能顯著地加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度，降低生產(chǎn)制造成本，把目前大多按階段進(jìn)行的跨部門（包括產(chǎn)品、材料、工藝、工裝、物流及售后服務(wù)等）工作盡可能進(jìn)行同步作業(yè)，以避免后續(xù)部門的需求導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不斷更改。