汽車零件裝配連接方式設計對裝配效率的影響

蔣成姣　孫軍華　李林

摘要：目前，汽車行業(yè)蒸蒸日上，在汽車制造業(yè)中存在多種零件的裝配連接，不同零件裝配連接方式對裝配效率產生不同的影響，文中分析了汽車制造中應用較多的幾種裝配連接方式，利用MTM-UAS預測標準工時分析系統(tǒng)，分別制定了螺栓螺母、螺釘、拉釘裝配以及卡接的裝配工時，得出4種連接裝配的裝配效率并且對4種連接方式的裝配工時得出一個固定標準模塊，形成一套合理規(guī)范簡潔的裝配工時分析系統(tǒng)。最后利用面向裝配的設計（DFA）和MTM-UAS對儀表板連接方式進行優(yōu)化設計，對改進前后的設計進行裝配工時對比。

關鍵詞：面向裝配的設計；MTM-UAS；裝配連接方式；裝配工時

中圖分類號：U 461 文獻標識碼：A 文章編號：1672—7312（2017）04—0383—06

0引言

在制造行業(yè)中，據統(tǒng)計，裝配任務占整個制造任務的20%～70%，平均占到了45%，裝配工時在整個制造工時里有40%～60%，零件的連接方式不同，所造成的裝配質量和裝配工時也相差很遠。而面向裝配的產品設計（DFA）在設計階段分析影響產品可裝配階段的各種因素，對產品的可裝配性和經濟指標進行分析，及早發(fā)現問題。文中通過對裝配連接問題的分析，提出利用DFA技術進行裝配優(yōu)化工藝方法分析，運用MTM-UAS方法對不同裝配連接方式的零件裝配工時進行估算，進行裝配效率分析，對不合理的裝配方式進行改進，探究不同零件裝配連接方式對裝配效率的影響。

1文獻綜述

1.1 DFA

面向裝配的設計（Design for assembly，DFA）是在產品設計階段保證產品生產中較好的可裝配性。Boothroyd通過減少裝配的零件數，保證其他零件易于裝配；Lucas考慮零件傳輸和裝配關系，對兩種裝配方向和裝配力的大小等方面進行裝配分析；Hitachi的AEM（Assembly Evaluation Method）方法用20個符號表示各種裝配操作，按百分制計算每個零件裝配性評價分，在設計的每個階段估算裝配費用，通過比較各種概念設計發(fā)現潛在的設計問題。目前裝配現狀的分析研究表明，現行的設計工作存在著以下不足：①產品設計缺乏考慮可裝配性；②零件數量多，管理及裝拆困難；③裝配過程中配合及調整量大；④裝配過程中易產生視覺誤差；⑤裝配件的制造精度不能滿足裝配要求。

在設計過程中，如果認真考慮這些因素，零件的裝配工藝性及裝配過程中大量的配合及調整工作可由面向裝配的產品設計所避免。也就是說，對上述問題的設計特征進行改進，則零件的裝配工藝性可得到很大改善。

1.2 MTM-UAS

MTM（Methods Time Measurement）是方法時間測量，主要針對人的操作動作，借助定義好的過程模塊來描述、設計和規(guī)劃工作系統(tǒng)的工具。MTM-UAS是MTM的第三代系統(tǒng)。

MTM-UAS的基本工序：①夠取和放置；②放置；③使用輔助工具；④啟動控制；⑤動作周期；⑥身體動作；⑦視力控制。MTM-UAS編碼如圖1所示。

嚴峻（2013）運用時間數據壓縮方法，建立了一套基于MTM-UAS（方法時間測定法）的預定時間系統(tǒng)，為汽車制造企業(yè)的規(guī)劃員和工業(yè)工程師提供了一項快捷高效、科學合理的時間研究工具；張鳴鶴，周炳海（2016）利用MTM-UAS系統(tǒng)對車輛裝配線工時進行優(yōu)化評價。文中運用MTM-UAS方法對不同裝配連接方式的零件裝配工時進行估算，進行裝配效率分析。

2 4種緊固件連接方式裝配工時標準模塊

緊固件在汽車裝配中起到了非常重要的作用，而一輛中小型商用車約有2 000多個緊固件。作為汽車行業(yè)最常用的裝配方式之一的機械連接就是利用緊固件將2個或者多個零件連接在一起。常用機械連接主要有螺釘連接、螺栓連接、拉（鉚）釘連接。除此之外，汽車行業(yè)較普遍且裝配效率較高的裝配連接方式還有卡扣裝配。

圖2螺釘連接有無導向特征分析

緊固件螺釘根據無導向特征，可分為最差、較好、最好的設計，如圖2所示。不同的設計工人的裝配操作存在差異，最差的設計裝備時需檢查對準，較好的設計由于頭部有導向特征，螺釘可采用放置在寬松位置，檢查操作可忽略，最好的設計在螺釘的放置過程中，位置精度可取大概的位置，因為可輕易連接，檢查對準忽略，可大大減少裝配工時，提高裝配效率。利用MTM-UAS對裝配工時進行分析，可得到最差、較好、最好螺釘連接設計定額工時，分別見表1，表2，表3.

螺栓、螺釘、拉釘、卡扣這4種連接方式作為最常用和最為基本的連接方式，在企業(yè)中大量運用，故可將其4種連接方式的裝配工時設置為一個標準模塊。

利用MTM-UAS對以上4種緊固件裝配連接工時分析，設置螺栓螺母、螺釘、拉釘、卡勾這4種裝配連接工時標準模塊，定額工時標準模塊編碼分別為M—A—n，M—B—n，M—C—n，M—D—n.A，B，C，D代表螺栓、螺釘、拉釘、卡勾這4種連接，n代表連接次數。具體編碼示意如圖3所示。

根據前面的分析，螺栓螺母標準模塊M—A—n：80+n×（m+60a+c），根據螺栓和零件均無導向特征、兩者有其一有導向特征、兩者均有導向特征，m的取值分別為195，170，160.

螺釘標準模塊M—B—n：40+n×（m+60a+c），根據螺釘和零件均無導向特征、兩者有其一有導向特征、兩者均有導向特征，m的取值分別為120，95.85.

拉釘標準模塊M—c—n：40+n×（m+c），根據拉釘和零件均無導向特征、兩者有其一有導向特征、兩者均有導向特征，m的取值分別為120，95，85.

卡扣標準模塊M—D—n：80n.形成一套合理規(guī)范簡潔的4種連接方式裝配工時計算分析系統(tǒng)。

3 DFA在汽車裝配設計改進應用

對于緊固件，在裝配連接時需考慮以下幾個方面。

3.1減少緊固件的數量和類型

3.1.1使用同一種類型的緊固件

使用同一種類型的緊固件可以減少設計、制造過程中，對多種類型緊固件的管控；同樣在購買時也會帶來批量成本優(yōu)勢；能夠降低裝配中輔助工具的種類；減少操作員的培訓；簡化裝配，提高裝配效率；可以防錯，防止產生裝配錯誤。

如圖4中原始的設計中包含2種不同高度的螺柱M3×6和M3×7.但M3×6為通用螺柱，但M3×7需專門加工。所以在改進的設計中，通過在鈑金上增加一個1 mm高度的凸包，把螺柱的裝配位置提高1 mm，這樣就可以使用同一種類型的螺柱進行裝配。

3.1.2減少緊固件數量

如圖5中，在鈑金上可以通過折邊壓緊來減少緊固件數量。在原始的設計中，2個零件需要4個螺釘固定，優(yōu)化后的設計，使得底部的零件增加折邊，相當于連接方式中卡扣的功能，使其固定，螺釘的數量將由4個減少到2個，這樣利用MTM-UAS分析，裝配公示節(jié)約290 TMU.

3.1.3避免分散的緊固件設計

應盡量把緊固件設置為一體，來減少緊固件的類型，從而減少裝配工時、提高裝配效率。如圖6中把螺栓、墊片設置為一體，從而減少裝配程序、節(jié)約工時。原始的設計相對于優(yōu)化的設計明顯從原料存放處取墊片并將墊片放置螺栓處的過程，即AB2，多浪費了45TMU.

3.2先定位后固定

如果零件的裝配先定位后固定，在零件被連接之前就能夠自動裝配到正確位置，這將降低裝配過程的調結，裝配效率增加。對那些需要使用輔助工具如拉釘槍、電批等來固定的零件，零件先定位然后固定，將會減少工作人員手工對齊零件的大量調整，輕易地將零件的固定，提高裝配效率。如圖7中原始設計，零件是不能自動對準，所以在螺釘緊固過程中零件需要不斷調節(jié)對準到正確位置，在優(yōu)化設計中基座零件上加了一個凹槽。這限制了零件的隨意移動，使得零件自動對準到正確位置，避免了在螺絲緊固操作時手動調節(jié)的動作浪費。原始設計裝配工時為295 TMU，優(yōu)化的設計裝配工時270 TMU，可節(jié)約25 TMU，并且操作起來較為輕松方便。

3.3減少零件裝配方向

零件裝配方向越少越好。裝配方向過多會有很多在裝配連接過程中對零件不斷地進行旋轉、移動和翻轉等一系列活動，大大降低零件裝配連接效率，也使得工作人員操作動作過多，產生疲勞，同時零件的旋轉、移動和翻轉等動作容易造成零件與操作臺上設備碰撞，零件可能會遭受破壞，零件裝配方向不要太多，越少越好。如圖8，原始設計包含不同的裝配方向，需要將下面2個零件先裝配好，然后零件須翻轉180°，再裝配最上面的零件；優(yōu)化的設計中整個僅有一個裝配方向，零件也不需要翻轉操作，就可以將整個零件裝配在一起，裝配過程較為簡略。優(yōu)化后的設計比原始設計裝配工時少了925-870=55 TMU.

3.4為輔助工具提供空間

在裝配連接中，極有可能要用到輔助工具，產品裝配中輔助工具需要較大的空間，以保證輔助工具和設備可以圓滿完成裝配工作，如果裝配過程中提供的空間過于小，將損害輔助工具的正常使用，裝配的質量肯定會受到影響，最槽糕的可能會導致裝配工序不能正常完成。如圖9中，原來的設計中螺釘旋具，操作空間太過于狹小，裝配過程中肯定和零部件本身發(fā)生碰撞，螺釘不能正常旋入，零件不能固定，后來設計中，螺釘旋具有較大的空間操作。

4儀表板裝配連接分析

4.1儀表板結構及裝配流程分析

汽車公司其中的一款車型的儀表板構成如圖10所示。儀表板由儀表板本體、儀表面罩、中部面罩、2個出風口、雜物箱、下圍板、副儀表盤組成。

整個儀表板裝配流程分為以下幾步。

1）儀表板先采用機械手將儀表板本體安裝到車體上，左右各使用2個螺栓連接。

2）將儀表面罩安裝在儀表板本體，其左右兩側各打2個螺釘，最下方緊固3個螺釘，最上方緊固一個螺釘。

3）將雜物箱裝配到儀表板本體，使用4個螺釘緊固。

4）將出風口裝飾件進行裝配連接，使用6個螺釘緊固。

5）中部面罩裝配比較復雜，先裝配煙灰盒裝飾板，使用2個螺釘緊固；然后裝配空調控制器裝飾罩，2個螺釘緊固；裝上空調旋鈕、暖風旋鈕、風機旋鈕；收音機裝飾罩連接，使用2個螺釘緊固。

6）將下圍板裝配至儀表板本體，用4個螺栓緊固。

7）將副儀表板先與儀表板本體用2個螺栓連接，然后將副儀表板連接在車身底部，使用6個螺栓緊固。

4.2儀表板裝配連接方式優(yōu)化

儀表板本體優(yōu)化：儀表板本體左右兩側各采用2個螺栓連接，螺栓、螺母連接費時費力，裝配效率極低，可將連接方式改為采用與儀表板本體一體的螺柱連接，連接時另一端采用螺母緊固，在裝配過程中螺柱起到了定位導向作用，儀表板可以自動對齊到裝配位置，省去拿取螺栓的工時，使得裝配工時降低。儀表板MTM-UAS裝配工時分析見表4和表5.

由此可見，儀表板原始裝配工時為35.82 s，優(yōu)化后裝配工時為22.14 s，裝配工時提高了13.68 s.

儀表面罩優(yōu)化：由于儀表面罩采用的是原來老式最基本的螺釘連接，裝配費時費力，成本較高。在常用的裝配連接中，卡接是效率最高，成本最低的連接方式，汽車裝配連接中能夠用卡接的地方盡量使用卡接。由于儀表面罩為塑料元件，連接強度和精度要求并不是特別高，故可采用裝配效率最高的卡接連接方式。將兩側螺釘優(yōu)化為A型卡爪，儀表面罩的下方的3個螺釘，優(yōu)化為3個B型卡爪，最上面的1個螺釘優(yōu)化為一個卡勾連接，如圖11所示。MTM-UAS裝配工時分析可得儀表板面罩原始裝配工時為58.68 s，優(yōu)化后裝配工時為15.12 s，工時提高43.56 s.

雜物箱優(yōu)化：雜物箱由左右各2個螺釘連接而成，可將最下方的螺釘連接改為卡扣連接，如圖12所示，由于上面的螺釘在裝配時需使用電氣槍，電氣槍操作空間長度只用11 cm長，操作時需要檢查調整，將雜物箱本是螺釘側面裝配，改為從外向里的裝配。MTM-UAS裝配工時分析雜物箱原始裝配工時為33.3 s，優(yōu)化后裝配工時為23.94 s，可提高9.36 s.

風口總成優(yōu)化：2個出風口原先分別采用6個螺釘安裝，而在滿足強度要求的基礎上，可減少緊固件的連接，在此基礎上，可在風口總成周圍采用4個卡扣連接，卡扣形式如圖13所示。MTM-UAS裝配工時分析出風口原始裝配工時為47.52 s，優(yōu)化裝配工時為17.64 s，可提高29.88 s.

中部面罩優(yōu)化：中部面罩并不是一個整體，包括煙灰缸裝飾板、空調控制器裝飾罩、收放機裝飾罩，首先安裝煙灰缸裝飾板，用2個螺釘緊固，其次安裝空調控制器裝飾罩，并且將其上面的幾個旋鈕安裝，最后安裝收放機裝飾罩，這些安裝的強度和裝配精度要求并不是特高，可將原來的螺釘優(yōu)化成裝配效率較高卡爪的形式，一線操作人員在操作過程中直接按壓卡住操作即可。MTM—UAS裝配工時分析中部面罩原始裝配工時為57.78 s，優(yōu)化裝配工時為22.14 s，工時提高35.64 s.

下圍板優(yōu)化：下圍板與儀表板本體連接方式為左右2個螺釘連接，將最下方左右兩側螺釘優(yōu)化為2個定位螺柱，這樣在下圍板不能隨意移動，被連接之前就能夠自動裝配到正確位置，降低工作人員手工操作，降低裝配過程的調節(jié)，減少操作過程中的浪費動作，在螺栓的另外一側采用螺母進行緊固，不僅能起到定位導向的作用，還有足夠的力度進行連接。MTM-UAS裝配工時分析，下圍板原始裝配工時為30.24 s，優(yōu)化后裝配工時為24.3 s，工時提高了5.94 s.

副儀表板優(yōu)化：副儀表板和儀表板本體連接，原來的裝配是朝著儀表板本體的方向打2個螺栓，而后還需要在副儀表板整個與車身底部連接6個螺栓，2處的裝配方向不同，存在2個裝配方向，給裝配帶來麻煩，將副儀表板和儀表板本體連接處打一個折彎，使得其裝配方向統(tǒng)一，將副儀表板和車身連接的地方設置為6個定位銷，并采用螺母緊固，這樣可起到緊固作用，大大減少裝配過程中副儀表板調整。MTM-UAS裝配工時分析副儀表板原始裝配工時為88.02 s，優(yōu)化后裝配工時為41.76 s，提高了46.26 s.

工時分析可得出，整個儀表板原始設計裝配工時為351.36s，而優(yōu)化后的設計裝配工時為167.58s，裝配工時提高了183.78s裝配工時提高了52.31%，S汽車公司一輛車的裝配工時大概為25min，一次性生產2 000輛，可節(jié)約工時102.1h，裝配效率提高12.25%.

5結論

就裝配效率而言，利用MTM-UAS對其裝配連接工時進行分析，螺栓螺母的連接為最基本的連接方式，螺釘連接優(yōu)之，拉釘連接更優(yōu)，卡扣連接最優(yōu)，在滿足裝配要求的前提下，盡量使用卡扣連接，并且這4種連接方式利用MTM-UAS系統(tǒng)，設置裝配工時標準模塊。在此基礎上，連接方式優(yōu)化時應考慮減少緊固件數量和類型，設計導向特征先定位后固定，減少裝配方向，為輔助工具提供空間。