轿车车身与动力电池装配偏差分析

于 洋，刘加光，刘安琴

（烟台理工学院 机电工程学院，山东 烟台 264003）

合理的产品零部件公差是控制车身质量和成本的源头。零部件几何尺寸和公差（Geometry Dimensioning & Tolerancing, GD&T）设计贯穿了整车零部件的设计、制造加工和焊接装配的全过程。因此，合理地确定零部件制造检测基准、设计零部件GD&T及优化工艺方案可以有效地减少设计变更，最大限度地消除零部件无法制造的问题[1-2]。国内汽车工程师对多工序装配误差累计计算方面做了很多研究，但依旧无法赶超国外车企[3-6]。本文以新能源汽车动力电池与车身的装配为例，采用二维尺寸链计算多工序累计装配误差与三维偏差验证仿真分析相结合的方法，设计了电池相关联零部件安装孔 GD&T，有效地保证了动力电池作为汽车底盘上重要部件与车身之间的安装精度。

1 动力电池装配孔介绍

以某品牌汽车为例，图 1（a）为下车体总成安装示意图，图 1（b）为动力电池示意图。动力电池的14个安装点分别对应车身上14个安装螺母。其中 1—2是前车体上的两个安装螺母，3—10是前地板总成上的八个安装螺母，11—12是后地板总成上的两个安装螺母。电池安装点 13—14对应的是与下车体螺接安装板上的两个安装螺母，由于该安装螺母不在下车体总成中，本文对此不做研究。

图1 下车体总成与动力电池安装示意图

2 几何尺寸和公差设计

2.1 尺寸链分析

下车体总成钣金件焊接流程为门槛内板加强板与门槛内板焊接形成的门槛内板总成、前地板本体及座椅横梁合拼形成前地板总成。最终前地板总成、前机舱总成、后地板总成合拼形成下车体总成。焊接过程中由于基准转换、焊接变形、夹具误差等因素产生公差累积，电池安装孔的几何公差增加。因此，需综合考虑以上影响因素设计合理的公差值。根据焊接层级，通过二维尺寸链计算，分析动力电池安装螺母的误差累积[5-7]，如图2所示。

图2 二维尺寸链分析

图中，W1为电池安装螺母相对于加强板定位孔的位置度公差；M1为地板本体-右与门槛贴合面的面轮廓度公差；M2为地板本体-左与门槛贴合面的面轮廓度公差；W2为电池安装主定位孔相对于门槛加强板定位孔的位置度公差；A1A2为基准转换；W0为多工序装配累积公差。尺寸链误差累计关系为

2.2 局部基准

考虑到电池安装的自定位形式，为便于控制功能孔的公差，提高电池安装精度和效率，依据电池安装形式在下车体总成上设计了局部基准如图3所示。L1—L4组成的面作为第一基准体系（控制Z向平动，绕X转动，绕Y转动）；M为主基准孔（控制X向平动，Y向平动）；N为副基准孔（控制绕Z转动）。

图3 动力电池安装局部基准

2.3 尺寸链分析

门槛内板-左及门槛内板-右分别由四个螺母用于安装动力电池，且作为焊接过程的第一道工序。理想的装配效果是电池安装孔和安装过孔“双眼皮”即不遮挡。内尺寸要素（孔）的设计公差值应采用最大实体要求。

式中，MMVS为最大实体实效尺寸；MMRS为最大实体合成尺寸；MMS为最大实体尺寸；LMS为最小实体尺寸；t1，t1'为几何公差，t1'是当被测要素偏离最大实体尺寸时，在t1基础上由尺寸公差补偿得到。

在该品牌车型中，门槛加强板电池安装孔尺寸D1=φ12.5mm，门槛内板上的安装过孔尺寸D2=φ14.5mm，基于公式（1）拟定两套方案。方案1：两孔的位置度公差分别为t1=φ1，t2=φ1；方案 2：孔的位置度公差分别为t1=φ1，t2=φ1.4。在忽略装配定位孔的孔销浮动与尺寸公差的前提下，根据式（2）、式（3）计算两孔装配后单边挡孔最大值，如表 1所示，两种情况下单边挡孔分别为0.1 mm和0.3 mm，挡孔量相差3倍。显然，方案1更合理。

表1 单边挡孔量计算表 单位：mm

3 尺寸偏差三维仿真分析

3DCS软件采用蒙特卡罗模拟法进行公差模拟分析，取样5 000次。仿真载体为三维模型，根据零件的工装夹具、工艺流程、装配顺序建立分析模型，将经二维尺寸链计算与实际经验结合得到的公差值附加到结构的装配和测量等特征处，根据分析目标进行仿真计算，针对超差位置给出合理的优化方案，减少现场装配风险，提高装配效率。

做几点假设：零部件假设为刚性，即不考虑零部件本身可能的弹性和塑形变形；所有仿真数据都基于99.73%极限区间用于组装尺寸概率统计曲线的拟合；生产能力达到6Sigma水平。上文分析了门槛内板-左及门槛内板右上安装孔的位置度公差，由于不同层级钣金件焊接时产生误差累积，结合式（1），给定影响安装点间隙要素的最终公差值如表2所示，借助3DCS软件模拟计算图1(a)3号安装点的间隙干涉情况，验证设计公差是否可行。

表2 影响电池安装点间隙的要素公差表

结果如图 4所示，下车体上电池安装孔位置度的影响因子为82.53%，电池安装过孔位置度的影响因子为14.85%，为影响电池安装精度排名前两位的主要因素。保证装配合格率为99.75%的公差为1.77，装配孔销间隙下限为-0.03，装配孔销间隙上限为 1.64。间隙下限为负值，仿真结果显示在极限状态下存在干涉。但是孔销间隙中呈近似正态分布，实际装配过程极限下的干涉量为0.03很小，验证此设计可行。

图4 统计分析结果

4 结论

本文针对动力电池总成与车身装配的匹配问题，从借助二维尺寸链计算误差累计到运用三维尺寸分析模拟实际装配状态，验证了装配关联零部件公差设计值，如下车体上电池安装孔的位置度公差，动力电池上安装过孔的位置度公差及相关孔销的尺寸公差。保证项目在图纸阶段对关键孔位几何公差的有效把控。