轎車車身與動力電池裝配偏差分析

于 洋，劉加光，劉安琴

（煙臺理工學院 機電工程學院，山東 煙臺 264003）

合理的產品零部件公差是控制車身質量和成本的源頭。零部件幾何尺寸和公差（Geometry Dimensioning & Tolerancing, GD&T）設計貫穿了整車零部件的設計、制造加工和焊接裝配的全過程。因此，合理地確定零部件制造檢測基準、設計零部件GD&T及優化工藝方案可以有效地減少設計變更，最大限度地消除零部件無法制造的問題[1-2]。國內汽車工程師對多工序裝配誤差累計計算方面做了很多研究，但依舊無法趕超國外車企[3-6]。本文以新能源汽車動力電池與車身的裝配為例，采用二維尺寸鏈計算多工序累計裝配誤差與三維偏差驗證仿真分析相結合的方法，設計了電池相關聯零部件安裝孔 GD&T，有效地保證了動力電池作為汽車底盤上重要部件與車身之間的安裝精度。

1 動力電池裝配孔介紹

以某品牌汽車為例，圖 1（a）為下車體總成安裝示意圖，圖 1（b）為動力電池示意圖。動力電池的14個安裝點分別對應車身上14個安裝螺母。其中 1—2是前車體上的兩個安裝螺母，3—10是前地板總成上的八個安裝螺母，11—12是后地板總成上的兩個安裝螺母。電池安裝點 13—14對應的是與下車體螺接安裝板上的兩個安裝螺母，由于該安裝螺母不在下車體總成中，本文對此不做研究。

圖1 下車體總成與動力電池安裝示意圖

2 幾何尺寸和公差設計

2.1 尺寸鏈分析

下車體總成鈑金件焊接流程為門檻內板加強板與門檻內板焊接形成的門檻內板總成、前地板本體及座椅橫梁合拼形成前地板總成。最終前地板總成、前機艙總成、后地板總成合拼形成下車體總成。焊接過程中由于基準轉換、焊接變形、夾具誤差等因素產生公差累積，電池安裝孔的幾何公差增加。因此，需綜合考慮以上影響因素設計合理的公差值。根據焊接層級，通過二維尺寸鏈計算，分析動力電池安裝螺母的誤差累積[5-7]，如圖2所示。

圖2 二維尺寸鏈分析

圖中，W1為電池安裝螺母相對于加強板定位孔的位置度公差；M1為地板本體-右與門檻貼合面的面輪廓度公差；M2為地板本體-左與門檻貼合面的面輪廓度公差；W2為電池安裝主定位孔相對于門檻加強板定位孔的位置度公差；A1A2為基準轉換；W0為多工序裝配累積公差。尺寸鏈誤差累計關系為

2.2 局部基準

考慮到電池安裝的自定位形式，為便于控制功能孔的公差，提高電池安裝精度和效率，依據電池安裝形式在下車體總成上設計了局部基準如圖3所示。L1—L4組成的面作為第一基準體系（控制Z向平動，繞X轉動，繞Y轉動）；M為主基準孔（控制X向平動，Y向平動）；N為副基準孔（控制繞Z轉動）。

圖3 動力電池安裝局部基準

2.3 尺寸鏈分析

門檻內板-左及門檻內板-右分別由四個螺母用于安裝動力電池，且作為焊接過程的第一道工序。理想的裝配效果是電池安裝孔和安裝過孔“雙眼皮”即不遮擋。內尺寸要素（孔）的設計公差值應采用最大實體要求。

式中，MMVS為最大實體實效尺寸；MMRS為最大實體合成尺寸；MMS為最大實體尺寸；LMS為最小實體尺寸；t1，t1'為幾何公差，t1'是當被測要素偏離最大實體尺寸時，在t1基礎上由尺寸公差補償得到。

在該品牌車型中，門檻加強板電池安裝孔尺寸D1=φ12.5mm，門檻內板上的安裝過孔尺寸D2=φ14.5mm，基于公式（1）擬定兩套方案。方案1：兩孔的位置度公差分別為t1=φ1，t2=φ1；方案 2：孔的位置度公差分別為t1=φ1，t2=φ1.4。在忽略裝配定位孔的孔銷浮動與尺寸公差的前提下，根據式（2）、式（3）計算兩孔裝配后單邊擋孔最大值，如表 1所示，兩種情況下單邊擋孔分別為0.1 mm和0.3 mm，擋孔量相差3倍。顯然，方案1更合理。

表1 單邊擋孔量計算表 單位：mm

3 尺寸偏差三維仿真分析

3DCS軟件采用蒙特卡羅模擬法進行公差模擬分析，取樣5 000次。仿真載體為三維模型，根據零件的工裝夾具、工藝流程、裝配順序建立分析模型，將經二維尺寸鏈計算與實際經驗結合得到的公差值附加到結構的裝配和測量等特征處，根據分析目標進行仿真計算，針對超差位置給出合理的優化方案，減少現場裝配風險，提高裝配效率。

做幾點假設：零部件假設為剛性，即不考慮零部件本身可能的彈性和塑形變形；所有仿真數據都基于99.73%極限區間用于組裝尺寸概率統計曲線的擬合；生產能力達到6Sigma水平。上文分析了門檻內板-左及門檻內板右上安裝孔的位置度公差，由于不同層級鈑金件焊接時產生誤差累積，結合式（1），給定影響安裝點間隙要素的最終公差值如表2所示，借助3DCS軟件模擬計算圖1(a)3號安裝點的間隙干涉情況，驗證設計公差是否可行。

表2 影響電池安裝點間隙的要素公差表

結果如圖 4所示，下車體上電池安裝孔位置度的影響因子為82.53%，電池安裝過孔位置度的影響因子為14.85%，為影響電池安裝精度排名前兩位的主要因素。保證裝配合格率為99.75%的公差為1.77，裝配孔銷間隙下限為-0.03，裝配孔銷間隙上限為 1.64。間隙下限為負值，仿真結果顯示在極限狀態下存在干涉。但是孔銷間隙中呈近似正態分布，實際裝配過程極限下的干涉量為0.03很小，驗證此設計可行。

圖4 統計分析結果

4 結論

本文針對動力電池總成與車身裝配的匹配問題，從借助二維尺寸鏈計算誤差累計到運用三維尺寸分析模擬實際裝配狀態，驗證了裝配關聯零部件公差設計值，如下車體上電池安裝孔的位置度公差，動力電池上安裝過孔的位置度公差及相關孔銷的尺寸公差。保證項目在圖紙階段對關鍵孔位幾何公差的有效把控。