基于结构优化的前大梁总成合格率提升方法

2022-01-22王国鹏林建辉唐高中蒋伟光

机械工程师 2022年1期

王国鹏，林建辉，唐高中，蒋伟光

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545000）

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前大梁总成是车身前机舱的重要组成部分，它是连接车身下弯梁总成、前轮罩总成、上弯梁支撑板总成等零件的载体，同时也是副车架、变速箱总成、发动机总成等底盘关键安装硬点的集中区域，搭接型面多、安装孔集中，对车身焊接质量及底盘性能发挥的作用不言而喻[1-2]。其构成大致可以划分为三大块：前大梁A分总成、前大梁A封板、前大梁B分总成，如图1所示。前大梁总成焊接时一般先焊接成上述3个分总成再进行总拼，补焊工位再焊接尺寸要求高的支架，形成最终的前大梁总成。影响前大梁总成精度的因素众多，涉及产品设计、冲压成型、焊接夹具、焊接变形和操作过程等诸多方面，而产品结构决定了零件的冲压工艺性、焊接工艺性及焊接夹具的基本结构，这些都是影响前大梁总成焊接精度的主要因素，因此优化产品结构是前大梁总成精度控制的根源，本文根据大量现场造车经验基于“DFM”方法进行SE审查，向设计部门反馈ECR进行结构优化，提前从工程制造环节识别潜在风险，在满足功能前提下降低制造难度及成本，保证在试制环节快速提升前大梁总成合格率[3]。

图1 前大梁总成基本结构

1 前大梁总成合格率提升方法

1.1 零件整合优化

零部件开发一般以平台化或模块化进行，过多的零件数量不仅增加产品开发成本，而且不利于品质提升。图2、图3、图4是某几款车型做的部分零件整合案例，图2将防撞杆内加强板2个零件整合为1个零件成型，有效解决了防撞内加强板总成在X方向不共面的问题；图3将大梁B与大梁B延伸件通过热成型工艺一次冲压成型，解决了匹配搭接困难及焊接变形问题；图4将前地板横梁延伸件A、B整合为前地板横梁延伸单件，有效遏制了焊后搭接边变形问题。零件是否可以整合要根据具体车型结构而定，通过SE审查时细致分析一般都可以识别，推动设计部门整合零件对总成制造难度降低会有立竿见影的效果。

图2 防撞杆内加强板零件整合

图3 大梁B 及延伸件零件整合

图4 地板横梁延伸件零件整合

1.2 延伸件减短优化

在前大梁总成上会焊接部分大梁延伸件。前舱区域总拼时，前大梁总成上的延伸件再通过与前围板横梁、地板横梁等焊接成前机舱总成,前大梁总成上的延伸件焊接后在Z向无法避免出现偏差波动，当延伸件长度越长，Z向波动程度受杠杆原理越严重，前机舱区域合拼时搭接区域经常出现横梁搭接处干涉、离空影响生产。通过加长匹配横梁长度、减短大梁上延伸件长度可以有效解决Z向波动大问题。图5是某老车型A,延伸件优化前平均长度为245 mm,图6是新开发某车型B，延伸件优化后平均长度为173.5 mm。车型B 相对车型A在Z向波动值可削弱29.2%，通过结构上对延伸件减短处理可以有效控制偏差波动范围。

图5 优化前延伸件长度

图6 优化后延伸件长度

1.3 零件法兰边优化

白车身通过400～600个零件的法兰边相互搭接、焊接组成白车身，不同的法兰边结构在制造环节控制难度也不同。图7是典型的2种法兰边结构，左侧是“封闭式法兰边”结构，右侧是“分离式法兰边”结构，封闭式法兰边在冲压成型时经常出现裂纹、褶皱，焊接面匹配搭接时由于法兰边是一个整体轮廓，对另一匹配零件尺寸要求非常高，否则会出现搭接离空或干涉问题，导致焊接后变形严重，不利于精度控制；而分离式法兰边互不影响，冲压成型时单件控制容易、缺陷少，在焊接环节各法兰边单独与对手件匹配搭接，即使某一搭接面配合不良，也可以通过夹具或反变形进行补偿贴合，不会造成关联变形。因此在冲压及焊接制造环节“分离式法兰边”比“封闭式法兰边”容易控制，因此更推荐“分离式法兰边”的零件结构设计。

图7 冲压件典型法兰边结构

1.4 零件R根部搭接优化

钣金件搭接时，无法避免会出现R根相互配合，初期SE审查时按外R1≤6时，内R2＞R1+4；外R1＞6时，内R2＞R1+2审查产品数据，如图8所示。但在试制及品质提升阶段，R根搭接位置干涉问题频发，经分析是产品自身R角冗余间隙小、同时冲压单件放大R角保证品质造成的，为避免类似问题重复发生，重新制定R根搭接处的SE审查规则。

图8 R 根搭接位置SE 审查规则

1.4.1 2层板R根搭接优化

2层板搭接最常见，结合大量造车经验，从工艺及生产角度推荐如下3种R根搭接设计：优先推荐内R角做斜面处理，如图9（a）所示；其次推荐外R角做凸起处理，如图9（b）所示；最后推荐按两R根最大间隙≥1.5 mm设计，如图9（c）所示。不同产品区域的搭接结构需选择与之适应的R根配合，在设计时尽量从推荐的3种结构中选取。

图9 2 层板R 根搭接设计结构推荐

1.4.2 3层板R角搭接优化

3层板搭接也较为常见，为保证3层板搭接时R根部不发生干涉问题，从工艺及生产角度推荐如下3种R根搭接设计：优先推荐外R角做凸起处理、中间R角正常、内R角做斜面处理，如图10（a）所示；其次推荐内R角做斜面处理，中间R角与外R角根部最大间隙≥1.5 mm，如图10（b）所示；最后推荐3个R角根部最大间隙（D1、D2）≥1.5 mm，如图10（c）所示。在产品设计时推荐图10（a）、（b）两种方案，图10（c）方案减少或避免使用。

图10 3 层板R 根搭接设计结构推荐

1.5 U型件搭接端头优化

大梁类零件U型搭接十分常见，其中“齐平式U型端头”结构又占据90%以上，如图11所示，该结构设计简单、工艺成熟，因此比较常见。但在实际生产中由于搭接面小、搭接区域集中、零件匹配不良、焊接变形等因素影响，焊接后扭曲变形问题几乎在每个新车型上都会出现，需要花很大精力进行匹配调试解决扭曲问题。“齐平式U型端头”并不适用大梁这类长U型零件搭接。在SE审查时向设计部门提出ECR将“齐平式U型端头”更改为“倾斜式U型端头”搭接结构，如图12所示，新结构通过斜面搭接间接增加零件搭接面积及长度，同时消除焊接区域集中的问题，自身结构抗扭性能有很大改善。因此在较长U型零件搭接时，推荐使用“倾斜式U型端头”结构，降低制造难度、缩短调试时间。

图11 齐平式U 型端头搭接

图12 倾斜式U 型端头搭接

1.6 焊接面的搭接优化

设计车身为点焊焊接结构时，应尽量使焊点在剪切力下工作，而不是在拉力下工作，在剪切力工作的搭接面可以通过夹具快速纠正钣金超差问题，如图13所示；焊接搭接边设计时，仅对焊接区域进行搭接设计，其他区域离空设计，离空的局部凸筋不仅能提高零件自身强度，而且降低了匹配制造难度，如图14所示。

图13 焊点不同受力结构

图14 非焊接区域离空设计结构

1.6.1 推荐的搭接面设计

钣金零件的焊接搭接区域，推荐如下搭接结构：1）平行于车身坐标轴方向做搭接设计，若是成角度的斜面搭接，则零件在X、Y、Z某一方向调整时会出现干涉或离空问题；2）零件搭接面设计为平面。如图15是某车型副车架安装螺母加强板的搭接结构，在Z向面搭接时属于斜面搭接，若副车架螺母需要沿+X方向调整一段距离，则螺母安装面会发生下沉问题；若沿-X方向调整一段距离，则螺母安装面会跟着发生上移，该搭接对副车架安装面在Z向尺寸控制均不利。图16是某车型前大梁B螺母板与前大梁的搭接结构，搭接为Z向平面搭接，大梁B螺母板上的安装孔在X方向任意调整，螺母安装面Z向尺寸均不受影响，故该搭接结构更有利于车身尺寸调试。