汽車儀表臺橫梁尺寸公差優化

溫艷清 李瑞

（上海蔚來汽車有限公司）

駕駛艙模塊通常都是以儀表臺橫梁為基礎，裝配各種功能和裝飾零件后，裝配到白車身上，其尺寸設計是否合理將直接影響駕駛艙模塊到白車身的裝配節拍及裝配成本。由于制造過程中多個零件尺寸配合不良的情況時有發生，導致購車用戶對間隙、面差、型面匹配度、平行度、透視性、老鼠洞、特征點對齊度等方面越來越關注。儀表臺橫梁尺寸設計是否合理也直接影響駕駛艙模塊的感知質量。文章著重研究了儀表臺橫梁的尺寸優化，在早期及時規避后期可能出現的開發風險，實現提升感知質量的同時降低成本。

1 公差分析技術

在數據設計階段，很多整車廠就開始對各個產品的尺寸設計、公差分配展開研究，從產品的成本、外觀質量、功能、制造、裝配等維度去平衡公差的分布和優化產品設計，這一活動過程統稱為公差分析[1]。極值法、方和根法以及蒙特卡洛模擬法是現在廣泛運用的公差分析方法。

文章針對某車型的儀表臺橫梁，利用3DCS（基于蒙特卡洛模擬法）分析軟件，在數據未凍結階段，對其三維幾何模型進行尺寸仿真分析，優化結構尺寸設計及公差分配。在數據設計階段遏制整車試制裝配困難，避免產品試制階段大量變更、修改產品模具，從而實現成本節約。

2 3DCS 仿真模型的建立

采用3DCS 進行尺寸研究的開發流程，如圖1 所示。其原理是基于三維數模，多個部門輸入產品的定位特征以及裝配特征的制造和裝配公差信息，根據工藝路線進行虛擬的焊接、裝配，運用計算方法進行蒙特卡洛樣本量的虛擬裝配。在虛擬裝配過程中，關注公差的累積情況，對影響公差積累的原因進行分析并且評估各個因素在整個公差積累中的影響權重。尺寸工程師及產品設計工程師以此為依據對工藝方案和結構設計提出優化改進，找出成本與精度之間合理的平衡點，科學指導產品幾何尺寸公差的設計[2]。

圖1 3DCS 模型仿真分析流程示意圖

將CATIA 格式的管梁（CCB）數據、IP 骨架、IP 上飾板及白車身數據（one part）導入3DCS 仿真軟件中。根據前期定義的IP 分裝總成居中定位策略，IP 骨架需要先自定位于CCB，IP 上飾板自定位于骨架及其他飾件、電子電器件等，形成IP 分裝總成，再通過居中定位工裝，將分裝總成裝配在白車身上。其中CCB 左右兩側用M8×45 的螺栓緊固在A 柱下內板上，底部用M8的螺母緊固在地板加強梁上，前端用M8 的螺栓緊固在前圍板上。在3DCS 軟件中對CCB 幾何模型建立特征（定位孔、定位銷、定位面、測量點），通過這些特征對各部件進行裝配、賦值、計算結果測量等。CCB 的主要監測點賦值，如表1 所示。CCB 各個測量點分布，如圖2所示。

表1 儀表臺橫梁子系統監測點賦值 mm

圖2 儀表臺橫梁測定點示意圖

仿真模擬1 萬次裝車的樣本量，仿真過程中對所有零件的應力變形、重力下沉、塑性變形回彈、熱變形等忽略不計，只計算零件公差符合±3σ（σ 為標準偏差）分布情況下的孔位配合情況，分析的公差結果也符合正態分布規律。驗證目標為CCB 的緊固孔位偏移和車身的孔位公差分布重疊率，仿真分析結果的超差率（樣本偏差超出驗證目標的不合格率）小于等于5.0%，就可認定為滿足裝配要求[3]。基于搭建的3DCS 子系統仿真模型分析得出的結果，如表2 所示。基于初始的CAD 設計模型及公差定義，儀表臺橫梁和車身的尺寸匹配最差的2 點的情況，如圖3 所示（紅色部分表示車身和儀表臺橫梁的安裝點不匹配，紅色面積表示不匹配事件發生的比例）。

表2 儀表臺橫梁子系統尺寸仿真結果

圖3 初始設計CCB 的尺寸分布情況顯示界面

3 尺寸優化

3DCS 分析的結果顯示有2 個安裝結構存在50%以上的錯位現象，有4 個安裝結構存在5%～10%的錯位現象。文章針對50%以上錯位現象，進行改善設計。

3.1 拆分1 個零件的優化設計方案

鎂合金CCB 是壓鑄工藝制造的，壓鑄工藝的生產過程會影響制品的最終尺寸變化。模具精度是影響零件最終尺寸的因素之一，另一方因素通常稱之為線性尺寸變化。壓鑄工藝過程中模具溫度的波動、注射溫度的高低、冷卻速度的快慢等都會影響線性尺寸變化。

北美壓鑄協會提供的可接受的尺寸公差，如表3所示[4]。例如1 000 mm 長的鑄造零件，根據表3，其長度方向公差為：±（基本公差+附加公差×（零件長度-基礎長度））=±（0.25+0.001×（1 000-25））mm，最終取±1.2 mm。

表3 北美壓鑄協會提供的鎂合金壓鑄件尺寸公差

由仿真結果來看，CCB- MP04 有58%的概率超出公差范圍，也就是儀表臺橫梁和車身地板的裝配有49.89%的概率存在干涉，有8.66%的概率存在間隙大、工人緊固費時的現象。為了消除該Z 向公差對制造的影響，首先研究提升CCB 該貼合面的Z 向精度（方案1），同步研究整車車身地板的Z 向精度。精度提高前后的對比情況，如表4 所示。

表4 儀表臺橫梁和地板的安裝面零件精度提高前后的情況對比

第2 種方案為拆分1 個零件（會導致增加1 個供貨零件），如圖4 所示。設計Z 向的長孔吸收公差，降低對CCB 單價和車身地板的尺寸精度管控要求。

圖4 CCB 的CAD 設計方案對比示意圖

針對方案2 進行橫向功能評估，相關結果，如表5所示。從產品模具來看，變化點主要是主梁壓鑄模具尺寸變小，另外增加1 副小產品的沖壓模具，模具總投資費用會降低約20 萬元；從產品單價來看，由于主梁幾何尺寸相對更集中，產品壓鑄過程中的不合格率會降低，產品包裝運輸會更加簡潔，主梁壓鑄材料會有所減少，雖然增加了1 個金屬沖壓件，但整體成本綜合評估仍下降約10 元。所以從成本評估角度，方案2 更具有優勢。

表5 CCB 零件拆分前后的情況對比

基于優化的數據，更新仿真模型，重新仿真尺寸配合情況，增加1 個供貨零件的尺寸仿真結果，如圖5 所示。從仿真結果來看，優化后的設計100%滿足裝配需求。采用方案2 在原來的基礎上拆分1 個零件，成本及尺寸工程更具優勢，產品質量增加約24 g。

圖5 CCB 零件拆分后尺寸分析顯示界面

3.2 增加調節螺母的優化設計方案

從仿真結果來看，CCB- MP02 有58.88%的概率超出公差范圍，也就是儀表臺橫梁和車身地板的裝配有50.43%的概率存在干涉，8.45%的概率存在間隙大的問題。初始CAD 設計情況，如圖6 所示。由于CCB 結構面直接和車身貼合，當車身的裝配面或CCB 的安裝面公差超出設計要求時，將導致儀表臺橫梁干涉，裝配困難。

圖6 儀表臺橫梁和前圍的安裝面初始設計示意圖

為了消除該X 向公差對制造的影響，對這一區域的匹配面柔性可調進行研究。在儀表臺橫梁末端和車身之間增加1 個調節螺母，如圖7 所示。藍色結構件為調節螺母，調節行程為6 mm。充分考慮車身前圍及儀表臺橫梁在X 方向的公差，對調節螺母和車身預留6 mm 的間隙。在儀表臺橫梁緊固點的預緊過程中，調節螺母隨著螺栓的緊固，逐步反向旋出直到和車身前圍貼合。

圖7 調節螺母截面裝配設計圖

該項目的駕駛艙模塊質量約50 kg，在整個儀表臺模塊進入白車身預安裝位置時，制造工程師要求導入路徑的運動間隙在5 mm 以上，在預裝位置時，緊固位置處于貼合或微小間隙的狀態。為使儀表板橫梁總成不與前圍干涉并且能夠裝配到位，對儀表臺橫梁和前圍的安裝面進行仿真分析，結果顯示，如圖8 所示。顯示結果全部為綠色，沒有紅色區域，該孔裝配合格率提升為100%。所以調節螺母既可以滿足制造工程師在裝配路徑上的間隙要求，也可以滿足裝配孔位的對齊需求。

圖8 儀表臺橫梁和前圍的安裝面增加調節螺母后的尺寸分析顯示界面

4 結論

通過對儀表臺橫梁等關聯3D 數據進行3DCS 尺寸仿真研究，及早地探測了實物偏差造成的裝配困難或因干涉無法裝配的情況。通過優化產品尺寸、增加吸收公差的設計，避免了在后期試制階段，因產生的問題而進行的原因研究、產品設變、模具檢具變更等工作。與過去在匹配過程中需多次裝車才能發現問題相比，利用3DCS 軟件可以在匹配周期、樣件需求和產品變更模具修改等環節上節省大量成本。基于3DCS 軟件分析的前提條件是假設所有的約束都是剛性的，忽略產品在實際裝配過程中的塑性變形、產品熱變形和重力等方面的影響，所以當前3DCS 分析呈現的結果與實際匹配的情況相比會存在一定的偏差。