基于尺寸工程的汽車發(fā)動機(jī)罩與亮條配合不良解決方案

曾平，劉鵬，高欽杰

(廣汽乘用車有限公司，廣東廣州 511434)

0 引言

隨著消費(fèi)水平的提高，汽車購買消費(fèi)者逐漸從基礎(chǔ)的可靠性需求面向感官品質(zhì)和性能的升級，在靜態(tài)感知質(zhì)量中[1-3]，整車的精致工程越來越重要，消費(fèi)者雖然無法通過精致工程來直接判斷質(zhì)量水平，但能通過感官知覺讓產(chǎn)品“看起來”是一個高質(zhì)量的產(chǎn)品，提高用戶滿意度，從而直接影響消費(fèi)者的購買欲望。

汽車前臉的感知質(zhì)量是影響客戶視覺感知最為明顯的區(qū)域之一[4]，通過車展調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多的品牌在前臉造型時為了提升視覺的沖擊和感知質(zhì)量的美觀，以及碰撞行人保護(hù)的法規(guī)要求，發(fā)動機(jī)罩與格柵亮條或者前保飾板與發(fā)動機(jī)罩設(shè)計存在較高要求間隙/段差配合(比如合資品牌奔馳E級、大眾威然、本田凌派、日產(chǎn)新款軒逸；自主品牌傳祺GS8/GM8、小鵬P7、吉利星銳等)，該位置的配合在品培階段一直是個重點(diǎn)同時也是難點(diǎn)課題，受零件精度尺寸累計波動的影響，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)罩與亮條間隙或者段差超差或配合不均勻，嚴(yán)重影響商品性。

本文作者基于某車型品質(zhì)培育過程中出現(xiàn)的發(fā)動機(jī)罩與格柵亮條配合存在間隙/段差問題進(jìn)行分析研究，通過前端模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)定位方案的優(yōu)化、前端模塊工裝定位方案的優(yōu)化以及車身結(jié)構(gòu)定位方案的優(yōu)化，提供了一種低成本的系統(tǒng)解決方案，提升發(fā)蓋與亮條設(shè)計存在間隙段差的精度保證能力，提升外觀精致性。

1 問題描述

公司多款車型前端發(fā)動機(jī)罩與亮條存在間隙配合，以其中某款MPV為例，在品質(zhì)培育階段，出現(xiàn)批量發(fā)動機(jī)罩與亮條間隙/段差不良，圖1為量產(chǎn)初期采集10臺數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，實(shí)測間隙在4.0～6.5 mm波動,實(shí)測段差在-3.0～2.5 mm之間波動(DTS要求:間隙(4.5±1.5)mm//1.5，段差(-1.0±1.5)mm),試制階段不良率約60%，通過試制階段零件精度的不斷提升，量產(chǎn)初期在前端模塊單品、格柵亮條單品、翼子板單品及發(fā)動機(jī)罩總成精度達(dá)到GDT圖紙定義的公差要求時，在線流動不良率仍有20%～30%，量產(chǎn)階段經(jīng)過不斷的工裝及零件適配調(diào)整，量產(chǎn)3個月在線流動仍然存在5%～10%的不良發(fā)生率，需要額外增加臨時調(diào)整人員，對格柵亮條及發(fā)蓋進(jìn)行復(fù)合調(diào)整吸收公差波動來保證滿足出車標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 MPV量產(chǎn)初期采集10臺數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀

2 相關(guān)數(shù)據(jù)輸入

2.1 DTS要求

尺寸公差技術(shù)規(guī)范(Dimension Tolerance Specification，DTS)規(guī)定了汽車整車內(nèi)、外觀匹配區(qū)域的間隙及面差等尺寸理論值及公差，涉及從造型到整車的制造全過程，是整車靜態(tài)感知質(zhì)量的一個重要指標(biāo)[5]。DTS文件中發(fā)動機(jī)罩與格柵亮條的間隙/段差要求見表1，其斷面圖如圖2所示。

表1 DTS要求

圖2 斷面圖

2.2 設(shè)計結(jié)構(gòu)及裝配流程分析

分析該MPV車型結(jié)構(gòu)，與發(fā)動機(jī)罩和亮條精度控制相關(guān)聯(lián)的零件分別有發(fā)動機(jī)罩、翼子板、前端模塊、前保險杠、格柵、前端亮條等(圖3)，各相關(guān)聯(lián)零件裝配流程如圖4所示，在焊裝科內(nèi)發(fā)動機(jī)罩、翼子板的裝配通過工裝進(jìn)行定位，進(jìn)入總裝后，前端模塊通過工裝進(jìn)行裝配，前保險杠通過卡扣自定位安裝，前保險杠前端的Z向定位點(diǎn)在前端模塊的自定位支架上，格柵亮條直接安裝在前保上，與前保險杠自定位連接，發(fā)動機(jī)罩鎖自定位安裝在前端模塊上，通過工藝流程分析，除了零件本身的單品精度控制外，發(fā)動機(jī)罩和翼子板焊裝科內(nèi)安裝精度，以及前端模塊在總裝的安裝精度尤為重要，對量產(chǎn)后發(fā)動機(jī)罩與亮條的配合波動起到了決定性影響。

圖3 精度相關(guān)聯(lián)零件圖

圖4 發(fā)動機(jī)罩與亮條裝配流程圖

3 主要原因分析

3.1 設(shè)計尺寸鏈環(huán)分析

根據(jù)發(fā)動機(jī)罩與格柵亮條的裝配流程，對整個鏈環(huán)進(jìn)行尺寸鏈分析。表2為對發(fā)動機(jī)罩與亮條間隙進(jìn)行尺寸鏈分解，表3為對發(fā)動機(jī)罩與格柵亮條段差進(jìn)行尺寸鏈分解，使用概率法[6]進(jìn)行計算：

表2 間隙尺寸鏈分解

表3 段差尺寸鏈分解

間隙

段差

從尺寸鏈計算結(jié)果來看，設(shè)計上已經(jīng)無法滿足DTS匹配需求±1.5 mm,同時利用三維數(shù)據(jù)，采用3DCS軟件建立三維模型[7-9]，輸入定位及公差信息，根據(jù)工藝流程對格柵亮條與發(fā)動機(jī)罩的配合進(jìn)行虛擬裝配，來模擬真實(shí)的裝配過程，通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)罩與格柵亮條配合位置間隙段差DTS超差風(fēng)險高達(dá)17%～20%，通過尺寸鏈分析可以發(fā)現(xiàn)，除零件單品精度外，其中有3個鏈環(huán)因素影響最大：(1)前端模塊定位孔精度;(2)前端模塊工裝裝配精度;(3)發(fā)動機(jī)罩與翼子板裝配精度。接下來對3個影響最大的鏈環(huán)因素進(jìn)行詳細(xì)原因分析。

3.2 前端模塊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定位方案缺陷分析

前端模塊的Z向定位依靠前端模塊工裝定位孔的精度來保證，縱梁前端模塊定位孔的精度直接決定了前端模塊的Z向位置度；通過分析該MPV車型設(shè)計的前端模塊的定位方案(圖5)，前端模塊采用工裝進(jìn)行定位，前端模塊在車身上選取了翼子板大燈安裝孔進(jìn)行XY向定位，選取前縱梁連接板上定位孔進(jìn)行工裝Z向定位，前端模塊Z向定位孔在前縱梁前端端板上，樣件精度波動比較大，且受內(nèi)作機(jī)艙縱梁焊接、機(jī)艙總成焊接、地板總成焊接工序公差累計影響，通過對白車身數(shù)據(jù)進(jìn)行工序能力分析(統(tǒng)計了量產(chǎn)后連續(xù)測量的30臺白車身數(shù)據(jù))，結(jié)果見表4，其測量位置如圖6所示。可以看出，前端定位孔的精度實(shí)際波動都大于2 mm,CP值小于0.5，直接影響了前端模塊的Z向位置度，同時對標(biāo)了市場上存在發(fā)動機(jī)罩與亮條車型的配合要求的車身結(jié)構(gòu)，機(jī)艙的前端都存在立柱結(jié)構(gòu)來保證前端模塊Z向安裝精度，但增加立柱結(jié)構(gòu)會增加車身質(zhì)量及零件成本。

圖5 MPV車型前端模塊定位方案

表4 前端模塊定位孔量產(chǎn)工序能力統(tǒng)計分析

圖6 前端模塊定位孔測量位置

3.3 前端模塊工裝的缺陷分析

前端模塊工裝主要功能是滿足前端模塊與車身完成穩(wěn)定性裝配，公司在導(dǎo)入前端模塊工裝時需考慮柔性生產(chǎn)線，如圖7所示，采用多個車型共用夾具進(jìn)行共線生產(chǎn)，量產(chǎn)使用一段時間之后發(fā)現(xiàn)存在以下幾個問題：(1)為保證多車型共用，設(shè)計使用插拔塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行切換，時間久了插拔塊磨損嚴(yán)重出現(xiàn)晃動，工裝定位精度嚴(yán)重下降；(2)工裝使用助力臂進(jìn)行連接行走，使用一段時間后工裝標(biāo)定發(fā)現(xiàn)傾角變化無法進(jìn)行調(diào)節(jié)；(3)現(xiàn)有前端模塊的Z向定位銷受前端模塊定位孔的精度波動，工裝裝配存在較大的應(yīng)力，前端模塊下端無X向定位，下部波動大導(dǎo)致夾具松開后前端模塊上端產(chǎn)生波動；現(xiàn)場通過對工裝重復(fù)性裝配驗證(試驗方案：選同一臺車、同一個前端模塊零件，利用工裝進(jìn)行反復(fù)拆裝十次，在前端模塊上選取安裝點(diǎn)進(jìn)行三坐標(biāo)關(guān)節(jié)臂測量采集數(shù)據(jù))，驗證發(fā)現(xiàn)上部安裝點(diǎn)精度波動大于2.0 mm，無法滿足前端模塊夾具對前端模塊進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)前圍整車匹配需求。

圖7 前端模塊工裝示意

3.4 發(fā)動機(jī)罩和翼子板裝配的一致性不良分析

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有該MPV車身翼子板與發(fā)蓋總成裝配的一致性比較差，發(fā)動機(jī)罩與翼子板的裝配波動，直接導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)罩的位置度發(fā)生波動，前端模塊通過工裝與翼子板進(jìn)行定位，所有的翼子板與發(fā)動機(jī)罩波動的公差全部累計到發(fā)動機(jī)罩前端，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)罩與格柵亮條配合產(chǎn)生波動。主要原因有以下幾點(diǎn)：

(1)發(fā)動機(jī)罩與翼子板的安裝工裝在車身上無穩(wěn)定的工裝定位點(diǎn)，選取的工裝定位點(diǎn)(輪罩減震孔、大燈支架安裝孔，歸屬縱梁來件總成)焊接層級深，無法保證精度一致性需求如圖8所示。

圖8 MPV車型裝配基準(zhǔn)圖

(2)翼子板安裝點(diǎn)的支架、鉸鏈安裝面以及大燈安裝點(diǎn)精度波動較大，鉸鏈安裝面、大燈安裝支架以及翼子板的安裝支架歸屬與縱梁來件總成，且都是Z向搭接，焊接層級深(圖9)，尺寸鏈環(huán)太長導(dǎo)致精度無法滿足裝配一致性需求，通過理論尺寸鏈進(jìn)行計算波動約±1.2 mm，實(shí)際生產(chǎn)測量精度波動約±1.5 mm；安裝支架及鉸鏈安裝面精度的波動導(dǎo)致翼子板與發(fā)動機(jī)罩的裝配一致性差，在線調(diào)整難度增加。

圖9 翼子板安裝點(diǎn)焊接層級圖

4 方案對策

4.1 前端模塊產(chǎn)品定位結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在綜合成本及安裝功能需求之后，為提高前端模塊Z向安裝精度；前端模塊產(chǎn)品設(shè)計增加Z向安裝面，采用新增加“L”型安裝支架與車身進(jìn)行連接(圖10)，該支架在機(jī)艙總成崗位或者地板總成后續(xù)崗位通過夾具定位進(jìn)行螺栓連接，可以很好地保證L型支架(圖11)Z向安裝面與地板基準(zhǔn)的相對精度，比如公司后續(xù)某SUV車型增加支架后，統(tǒng)計連續(xù)15臺Z向坐標(biāo)值，前端模塊Z向安裝點(diǎn)的精度波動可控制在0.7 mm(±0.35 mm)以內(nèi)，統(tǒng)計CP值大于1.33，(表5)，滿足前端模塊裝配精度需求，提高了前端模塊Z向裝配精度一致性，也減少了Z向精度波動對前端模塊上部X向安裝精度的影響。

圖10 新增的L型支架示意

圖11 某車型L型支架示意

表5 某車型 L型支架測點(diǎn)3連續(xù)三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)

4.2 前端模塊工裝方案優(yōu)化

新改造后的前端模塊工裝如圖12所示。

圖12 新改造后的前端模塊工裝

對前端模塊工裝夾具方案進(jìn)行了優(yōu)化,并在該MPV中進(jìn)行了改造(圖12):(1)切換結(jié)構(gòu)直接采用氣缸單獨(dú)切換，并具有圓形STOP限位機(jī)構(gòu)；(2)對工裝與助力臂連接板上增加了前后左右傾角可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，保證前端模塊夾具的姿態(tài)調(diào)整；(3)在前端模塊本身增加Z向定位，與L型支架連接，前端模塊取消原有的Z向定位銷改成導(dǎo)向銷，并在下端增加輔助X向定位；改造后的工裝通過重復(fù)拆裝試驗，前端模塊上端安裝孔的精度波動小于0.5 mm(±0.25 mm)。

4.3 裝配基準(zhǔn)統(tǒng)一及車身結(jié)構(gòu)焊接層級優(yōu)化

為保證焊裝和總裝裝配工裝的基準(zhǔn)延續(xù)性，在大燈安裝支架上新開工裝定位孔(圖13)，將發(fā)動機(jī)罩工裝定位孔、翼子板定位孔與前端模塊夾具定位孔三者相關(guān)聯(lián)起來，保證工裝裝配基準(zhǔn)統(tǒng)一，減少零件尺寸偏差累計的傳遞；保證裝配的一致性和穩(wěn)定性；同時將翼子板安裝支架、大燈安裝支架及發(fā)動機(jī)罩鉸鏈安裝板設(shè)計集成在側(cè)圍前連接板(圖14)，并盡量采用Z向搭接形式焊接或者螺接結(jié)構(gòu)，將前連接板與機(jī)艙進(jìn)行Y向焊接，前連接板的焊接層級歸屬于側(cè)圍內(nèi)作工序進(jìn)行焊接，通過內(nèi)作側(cè)圍點(diǎn)定崗位夾具控制大燈支架工裝定位孔與側(cè)圍主定位孔的相對距離(X向精度控制在±0.2 mm)，總拼崗位進(jìn)行二次定位控制Y向和Z向的精度，通過此方案可以將翼子板安裝支架、大燈安裝支架焊接層級由6環(huán)減少到3環(huán),如圖14和表6所示，減少生產(chǎn)過程中焊接波動，并在內(nèi)工序焊接可以根據(jù)品培精度需求及時進(jìn)行適配性調(diào)整；通過尺寸鏈計算可以將翼子板安裝點(diǎn)和大燈支架工裝工序孔的精度控制在±0.6 mm以內(nèi)。

圖13 新開基準(zhǔn)孔圖

圖14 新方案焊接層級圖

表6 尺寸鏈分析結(jié)果

通過以上3種方案的優(yōu)化，對發(fā)動機(jī)罩與格柵亮條配合的尺寸鏈進(jìn)行重新校核計算：

間隙

段差

從尺寸鏈計算結(jié)果來看，理論設(shè)計上已經(jīng)滿足DTS匹配需求±1.5 mm。

5 結(jié)論

基于尺寸工程的方法，對公司某車型的前圍發(fā)動機(jī)罩與亮條配合問題通過尺寸鏈環(huán)的系統(tǒng)分析，遵循DTS尺寸的尺寸鏈最優(yōu)原則，從產(chǎn)品定位方案、工裝的定位方案及車身安裝點(diǎn)精度的提升3個角度系統(tǒng)提供如何保證前圍匹配精度的解決方案。

(1)對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計，通過前端模塊本身增加Z向定位，避免工裝Z向定位不穩(wěn)帶來的影響，從而保證Z向定位的精度穩(wěn)定性和裝配一致性；公司后續(xù)所有車型增加了L型支架螺接方案。

(2)合理優(yōu)化前端模塊工裝的定位方案，不僅要考慮定位的穩(wěn)定性，同時也要考慮工裝本身的裝配耐久性及裝配一致性，減少后期工裝的使用磨損造成的精度波動。

(3)通過統(tǒng)一工裝裝配基準(zhǔn)和車身鈑金結(jié)構(gòu)焊接層級設(shè)計優(yōu)化，提升裝配基準(zhǔn)孔、翼子板安裝點(diǎn)及鉸鏈安裝面的精度保證能力，減少焊接工序的影響，從而保證發(fā)動機(jī)罩與翼子板焊裝出車裝配穩(wěn)定性。

通過此次研究為后續(xù)車型提供了系統(tǒng)的解決方案，大幅縮短了前圍匹配相關(guān)課題的品培周期和難度。