浅谈线束尺寸链及公差设计方法

2022年3月22日产品开发评论1,078字数 3912阅读模式

本文简要介绍电线束开发中的尺寸链及公差设计方法, 常见的尺寸链标注形式及不同的标注形式对尺寸链的影响;从正向开发及设计验证两个方向对线束尺寸链及公差设计进行论述, 最后结合实际案例, 对同一设计方案下不同尺寸链标注方式对实际产品的影响做出对比分析, 对未来的线束开发提升方向给出合理化建议。

01线束尺寸链介绍

整车线束有千余个线束尺寸标注,这些尺寸之间存在相互联系并按一定顺序形成了若干个封闭的尺寸组合,称为线束尺寸链。

整车电线束开发设计过程中,影响线束装配的重要一环就是线束的尺寸链设计。线束贯穿整车,有电气装备的地方就有线束,线束的尺寸链设计直接影响到线束的装配性及可靠性。如果线束尺寸链设计得好,则装配后的线束一致性好,可靠性高;如果线束尺寸设计不合适,线束装配后很难保证一致性,整车电气可靠性也会受到影响,可能会有磨损线束的风险,甚至对行车安全产生不良影响。

02线束尺寸链及公差设计

按照ISO 26262中提出的整车开发V字模型和线束实际开发流程,线束的尺寸链设计可概括为4个步骤。

2.1 线束3D数据设计

利用整车环境数据,完成整车电线束的3D数据设计,其中包括线束拓扑设计、整体布置、外径设计、外保护、连接器及定位件等物料选型、运动部件间的线束包络设计、线束装配空间确认等。完整、准确的线束3D数据设计方案是保证线束尺寸链设计精度的前提。

2.2 线束尺寸链设计

线束尺寸链设计是线束图纸综合生成过程中的重要环节。通过CATIA的3D数据,导入到CHS或CATIA的工程图纸中,实现线束尺寸数据的转换。在得到初版的线束图纸后,根据设计方案及装车验证情况,对线束尺寸标注进行优化,实现尺寸闭环,建立各尺寸间的关联性,形成尺寸链。

2.3 线束尺寸链核算及公差设定

在得到线束图纸后,根据极限公差和设计要求,对线束图纸上的尺寸链逐一核算确认,确保在公差范围内的产品满足设计要求。特别是,对车内空间小、尺寸精度要求高或装配性要求高的位置,一般会额外设定尺寸链及公差要求,以保证线束产品的装车状态。

1) 对单一分支上的尺寸链,存在如下关系:设线束总长度为L总,分为N段,每段长度为L1、L2…LN,L总对应的公差为Δ,L1的公差为Δ1,L2的公差为Δ2…LN的公差为ΔN,则有:

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即尺寸链的总尺寸为各分段尺寸之和,各分段尺寸与公差之和不能超过总尺寸与公差之和。

2) 线束主干外径通常较粗,主干上分支点的相对位置会受到主干尺寸及公差的影响。因此在尺寸链核算时,应注意对线束分支点的位置偏差的检查。

如图1所示,设线束主干尺寸为L,公差为Δ,在主干上有分支点N,分支点N两侧的尺寸为L1和L2,对应公差为Δ1和Δ2,在线束主干走极限偏差时,分支点N垂直主干的偏移量为ΔN,分支点N两侧的尺寸为X、Y,则有:

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在此情况下,当L1=L2时,将出现偏移量ΔN的极大值,此时:

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综上,点N的偏移量与线束主干的长度、主干公差和点N位置有关,如果L=200mm,公差按表1所示,则ΔNMAX=32.02mm,远超过设计公差要求,而点N处的线束分支也会发生同样距离的偏移。

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即主干的尺寸链设计会影响分支点的偏移量,而进一步影响分支整体位置。

3) 通过前面论述,线束的尺寸链和公差、主干与分支点的尺寸链及公差设计都会影响线束产品的装配状态,装配后的线束在整车中处于立体空间内,更会在空间中发生偏移。线束通过定位件及支架等实现自身的固定,因此定位件和支架的尺寸链设定也非常重要。

设计定位点间的尺寸链,既要充分考虑线束在极限偏差下,定位点的偏移量,同时又要避免出现公差累积,防止小公差累积成大公差,最终出现定位点错位的情况。

例如某段线束上的定位点位置如图2所示。

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按表1所示的定位点公差,则在各尺寸都走上偏差的情况下,L4的偏移公差可达到15mm,加上自身尺寸公差,最大偏移可达20mm,远超设计要求。

因此,要设定合理合适的尺寸测量方式,消除累积公差。

将图2的线束定位点尺寸标注换一种形式,即可消除累积公差,如图3所示。

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图3中,测量尺寸和尺寸数量没有变化,但在实际生产中,这种标注尺寸会消除公差累积,同时大大降低每个尺寸的实际公差产生,进一步提高设计精准度。理论上每段尺寸都是±5的公差,而实际上4段尺寸分担了±5的公差。即可通过设定尺寸标注及测量方式消除累积公差。

由于线束是柔性零件,线束装配后无法保证100%一致,因此线束的尺寸标注及测量点建议选取整车上相对固定的位置,例如车身上的钣金孔、搭铁点、电器件的接口、焊接螺柱等精度较高的空间位置,不建议采用线束的分支点、运动部件的某个点作为尺寸测量点。

2.4 设计验证及优化

线束尺寸链及公差设计完成后,通过理论核算及实车验证的方式,实现对线束设计方案的检验及优化。
理论核算,从3D数据、尺寸链及公差设计等维度考虑,充分识别在极限公差下的线束3D数据包络面,以及在线束公差范围内产品的实际情况,确认线束与整车环境数据的关系。实车验证,通过实车拆装线束,检查线束与整车之间的装配关系及线束实车状态,进一步判断线束设计的精细程度。

03影响线束尺寸链及公差设计的因素

在电线束的开发过程中,影响线束尺寸链及公差的因素很多,需按实际情况进行判断,充分考虑设计、生产工艺及整车装配的相关需求,以实现线束尺寸及公差设计最优。

1) 狭小空间内的线束尺寸设定要点。在整车电气装备日益增多的情况下,理论上线束需求的空间也会越来越大,另一方面整车使用空间的逐渐增大会导致留给线束的空间越来越小。在这种条件下,局部狭小空间对线束尺寸链及公差设计提出了更高的要求,在小空间内,线束尺寸应严格设定,公差也建议严格控制,保证线束装配后的姿态与空间符合要求,避免线束尺寸宽泛而出现装配困难的情况。

2) 在运动部件间的线束尺寸设定要点。通常整车上存在部分线束,连接于运动部件间。运动部件间的线束除了设计长度外,要充分考虑运动部件的位置包络,避免线束在部件运动时受力或拉扯,引起电气连接不稳定。在设计上可以通过对线束数据增加松弛度的方式放宽运动部件间的线束尺寸;或者通过计算运动部件的最远位置的线束尺寸,再加上线束缓冲运动部件的余量,即为设定长度。

3) 装配在运动部件上的线束的尺寸设定。整车上的运动部件(发动机、变速器等),存在一定频率的小幅振动,装配在运动部件上的线束的尺寸设定应保证线束与运动部件留有安全距离,避免运动部件在振动时与线束发生相对运动。一般机舱内的线束包络与运动部件的安全距离应>25mm,如果受限于布置环境,则线束包络与运动部件的安全距离也应大于运动部件最大振幅。

4) 线束生产工艺对线束尺寸设定的影响。在生产过程中,线束从物料准备,半成品加工及线束成品组装,都需要保证线束成品的尺寸要求。主干较粗的线束、线束的分支及折弯处会存在材料损耗,在线束物料准备及生产时要注意损耗量符号设定要求,例如某种导线加工的工艺尺寸余量如表2所示。

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04常见的几种尺寸链标注方式

合适的线束尺寸链标注的方式会直接影响到线束产品设计精确度和线束批量生产时的公差偏向。因此,选择合适的方法标注线束尺寸链,是提高线束成品一致性及消除累积公差的有效方式。

目前常见的尺寸链标注方式有如下几种。

1) 如图4所示,线束尺寸分段标注。线束总长标注尺寸,同时各段也标注尺寸,总长公差和各段公差都要符合设计要求。

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2) 基于同一测量点的尺寸链标注,如图5所示。使用同一个测量点对多个尺寸进行标注。

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3) 局部尺寸缺省标注,如图6所示。在多个尺寸形成的封闭尺寸链中,某一个或多个的非关键尺寸可以做缺省处理,利用缺省尺寸调整整体尺寸公差。

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4) 特殊公差标注,如图7所示。对执行标准以外的公差要求,在图纸上可以做特殊标注。

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5) 不同测量位置的尺寸标注,如图8所示。对于线束主干外径较大的位置,线束主干对分支尺寸的影响较大,此时图纸上的尺寸标注可以约定测量到线束主干内侧和测量到线束主干外侧。

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不同位置的测量点,对于分支长度的精确度有较大影响。

05尺寸链及公差应用案例

通过上面的介绍,我们对线束尺寸链及公差设计有了一定了解,接下来通过具体案例,来进一步探讨合适的尺寸链及公差设计在线束开发中的影响。

某车型的冷却风扇处的线束固定点经常发生错位,导致车间装配延时。经查阅图纸,线束在该位置的定位点的尺寸链方案如图9所示。

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上述方案可优化的位置有2处:尺寸测量点优化,不建议选在线束分支点,因为线束分支点在空间上存在偏差,会放大定位点的位置偏差;冷却风扇分支右侧的2个定位点采用逐段测量的尺寸标注方式,也会加强公差累积效果。优化后的定位点尺寸标注方式如图10所示。

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使用整车位置相对固定的线束搭铁点作为尺寸测量基准点,同时考虑消除公差累积,对局部尺寸设定小公差,以定位点作为测量点,同时标注线束总长,进一步减少公差累积。

06结语

本文从线束尺寸链及公差设定入手,分享了线束尺寸链及公差的设定过程,介绍了影响线束尺寸链及公差设计的因素,举例说明了常见的几种尺寸链及公差标注形式,最后以实例讲解说明了尺寸链及公差在线束设计中的重要性。

随着整车装备的日益增多,线束在整车上的布置也是愈加广泛,精细度高,装配性好,一致性好的线束设计规范,对线束产品的生产制造,整车的装配及整车的可靠性都有非常重要的意义。希望通过本次的经验分享,能使大家对线束设计有更深了解及进一步提高,为线束开发添砖加瓦。

注:本文来自《汽车电器》杂志2021年第8期,(作者:刘毅1, 余富业2, 马良1,1.一汽奔腾轿车有限公司奔腾开发院2.长春市灯泡电线有限公司产品开发部 )

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