淺談線束尺寸鏈及公差設(shè)計(jì)方法

劉 毅，余富業(yè)，馬 良

（1.一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春130012；2.長(zhǎng)春市燈泡電線有限公司產(chǎn)品開發(fā)部，吉林 長(zhǎng)春130012）

1 線束尺寸鏈介紹

整車線束有千余個(gè)線束尺寸標(biāo)注，這些尺寸之間存在相互聯(lián)系并按一定順序形成了若干個(gè)封閉的尺寸組合，稱為線束尺寸鏈。

整車電線束開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，影響線束裝配的重要一環(huán)就是線束的尺寸鏈設(shè)計(jì)。線束貫穿整車，有電氣裝備的地方就有線束，線束的尺寸鏈設(shè)計(jì)直接影響到線束的裝配性及可靠性。如果線束尺寸鏈設(shè)計(jì)得好，則裝配后的線束一致性好，可靠性高；如果線束尺寸設(shè)計(jì)不合適，線束裝配后很難保證一致性，整車電氣可靠性也會(huì)受到影響，可能會(huì)有磨損線束的風(fēng)險(xiǎn)，甚至對(duì)行車安全產(chǎn)生不良影響。

2 線束尺寸鏈及公差設(shè)計(jì)

按照ISO 26262中提出的整車開發(fā)V字模型和線束實(shí)際開發(fā)流程，線束的尺寸鏈設(shè)計(jì)可概括為4個(gè)步驟。

2.1 線束3D數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

利用整車環(huán)境數(shù)據(jù)，完成整車電線束的3D數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，其中包括線束拓?fù)湓O(shè)計(jì)、整體布置、外徑設(shè)計(jì)、外保護(hù)、連接器及定位件等物料選型、運(yùn)動(dòng)部件間的線束包絡(luò)設(shè)計(jì)、線束裝配空間確認(rèn)等。完整、準(zhǔn)確的線束3D數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方案是保證線束尺寸鏈設(shè)計(jì)精度的前提。

2.2 線束尺寸鏈設(shè)計(jì)

線束尺寸鏈設(shè)計(jì)是線束圖紙綜合生成過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)CATIA的3D數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到CHS或CATIA的工程圖紙中，實(shí)現(xiàn)線束尺寸數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在得到初版的線束圖紙后，根據(jù)設(shè)計(jì)方案及裝車驗(yàn)證情況，對(duì)線束尺寸標(biāo)注進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)尺寸閉環(huán)，建立各尺寸間的關(guān)聯(lián)性，形成尺寸鏈。

2.3 線束尺寸鏈核算及公差設(shè)定

在得到線束圖紙后，根據(jù)極限公差和設(shè)計(jì)要求，對(duì)線束圖紙上的尺寸鏈逐一核算確認(rèn)，確保在公差范圍內(nèi)的產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求。特別是，對(duì)車內(nèi)空間小、尺寸精度要求高或裝配性要求高的位置，一般會(huì)額外設(shè)定尺寸鏈及公差要求，以保證線束產(chǎn)品的裝車狀態(tài)。

1）對(duì)單一分支上的尺寸鏈，存在如下關(guān)系：設(shè)線束總長(zhǎng)度為L(zhǎng)總，分為N段，每段長(zhǎng)度為L(zhǎng)1、L2…LN，L總對(duì)應(yīng)的公差為Δ，L1的公差為Δ1，L2的公差為Δ2…LN的公差為ΔN，則有：

即尺寸鏈的總尺寸為各分段尺寸之和，各分段尺寸與公差之和不能超過(guò)總尺寸與公差之和。

2）線束主干外徑通常較粗，主干上分支點(diǎn)的相對(duì)位置會(huì)受到主干尺寸及公差的影響。因此在尺寸鏈核算時(shí)，應(yīng)注意對(duì)線束分支點(diǎn)的位置偏差的檢查。

如圖1所示，設(shè)線束主干尺寸為L(zhǎng)，公差為Δ，在主干上有分支點(diǎn)N，分支點(diǎn)N兩側(cè)的尺寸為L(zhǎng)1和L2，對(duì)應(yīng)公差為Δ1和Δ2，在線束主干走極限偏差時(shí)，分支點(diǎn)N垂直主干的偏移量為ΔN，分支點(diǎn)N兩側(cè)的尺寸為X、Y，則有：

圖1 主干尺寸鏈對(duì)分支點(diǎn)的影響

在此情況下，當(dāng)L1=L2時(shí)，將出現(xiàn)偏移量ΔN的極大值，此時(shí)：

綜上，點(diǎn)N的偏移量與線束主干的長(zhǎng)度、主干公差和點(diǎn)N位置有關(guān)，如果L=200mm，公差按表1所示，則ΔNMAX=32.02mm，遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)公差要求，而點(diǎn)N處的線束分支也會(huì)發(fā)生同樣距離的偏移。

表1 某主機(jī)廠的尺寸公差要求

即主干的尺寸鏈設(shè)計(jì)會(huì)影響分支點(diǎn)的偏移量，而進(jìn)一步影響分支整體位置。

3）通過(guò)前面論述，線束的尺寸鏈和公差、主干與分支點(diǎn)的尺寸鏈及公差設(shè)計(jì)都會(huì)影響線束產(chǎn)品的裝配狀態(tài)，裝配后的線束在整車中處于立體空間內(nèi)，更會(huì)在空間中發(fā)生偏移。線束通過(guò)定位件及支架等實(shí)現(xiàn)自身的固定，因此定位件和支架的尺寸鏈設(shè)定也非常重要。

設(shè)計(jì)定位點(diǎn)間的尺寸鏈，既要充分考慮線束在極限偏差下，定位點(diǎn)的偏移量，同時(shí)又要避免出現(xiàn)公差累積，防止小公差累積成大公差，最終出現(xiàn)定位點(diǎn)錯(cuò)位的情況。

例如某段線束上的定位點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 帶累積公差的定位點(diǎn)尺寸示意

按表1所示的定位點(diǎn)公差，則在各尺寸都走上偏差的情況下，L4的偏移公差可達(dá)到15mm，加上自身尺寸公差，最大偏移可達(dá)20mm，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求。

因此，要設(shè)定合理合適的尺寸測(cè)量方式，消除累積公差。

將圖2的線束定位點(diǎn)尺寸標(biāo)注換一種形式，即可消除累積公差，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的定位點(diǎn)尺寸示意

圖3 中，測(cè)量尺寸和尺寸數(shù)量沒有變化，但在實(shí)際生產(chǎn)中，這種標(biāo)注尺寸會(huì)消除公差累積，同時(shí)大大降低每個(gè)尺寸的實(shí)際公差產(chǎn)生，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度。理論上每段尺寸都是±5的公差，而實(shí)際上4段尺寸分擔(dān)了±5的公差。

即可通過(guò)設(shè)定尺寸標(biāo)注及測(cè)量方式消除累積公差。

由于線束是柔性零件，線束裝配后無(wú)法保證100%一致，因此線束的尺寸標(biāo)注及測(cè)量點(diǎn)建議選取整車上相對(duì)固定的位置，例如車身上的鈑金孔、搭鐵點(diǎn)、電器件的接口、焊接螺柱等精度較高的空間位置，不建議采用線束的分支點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)部件的某個(gè)點(diǎn)作為尺寸測(cè)量點(diǎn)。

2.4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證及優(yōu)化

線束尺寸鏈及公差設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)理論核算及實(shí)車驗(yàn)證的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)線束設(shè)計(jì)方案的檢驗(yàn)及優(yōu)化。

理論核算，從3D數(shù)據(jù)、尺寸鏈及公差設(shè)計(jì)等維度考慮，充分識(shí)別在極限公差下的線束3D數(shù)據(jù)包絡(luò)面，以及在線束公差范圍內(nèi)產(chǎn)品的實(shí)際情況，確認(rèn)線束與整車環(huán)境數(shù)據(jù)的關(guān)系。

實(shí)車驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)車拆裝線束，檢查線束與整車之間的裝配關(guān)系及線束實(shí)車狀態(tài)，進(jìn)一步判斷線束設(shè)計(jì)的精細(xì)程度。

3 影響線束尺寸鏈及公差設(shè)計(jì)的因素

在電線束的開發(fā)過(guò)程中，影響線束尺寸鏈及公差的因素很多，需按實(shí)際情況進(jìn)行判斷，充分考慮設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝及整車裝配的相關(guān)需求，以實(shí)現(xiàn)線束尺寸及公差設(shè)計(jì)最優(yōu)。

1）狹小空間內(nèi)的線束尺寸設(shè)定要點(diǎn)。在整車電氣裝備日益增多的情況下，理論上線束需求的空間也會(huì)越來(lái)越大，另一方面整車使用空間的逐漸增大會(huì)導(dǎo)致留給線束的空間越來(lái)越小。在這種條件下，局部狹小空間對(duì)線束尺寸鏈及公差設(shè)計(jì)提出了更高的要求，在小空間內(nèi)，線束尺寸應(yīng)嚴(yán)格設(shè)定，公差也建議嚴(yán)格控制，保證線束裝配后的姿態(tài)與空間符合要求，避免線束尺寸寬泛而出現(xiàn)裝配困難的情況。

2）在運(yùn)動(dòng)部件間的線束尺寸設(shè)定要點(diǎn)。通常整車上存在部分線束，連接于運(yùn)動(dòng)部件間。運(yùn)動(dòng)部件間的線束除了設(shè)計(jì)長(zhǎng)度外，要充分考慮運(yùn)動(dòng)部件的位置包絡(luò)，避免線束在部件運(yùn)動(dòng)時(shí)受力或拉扯，引起電氣連接不穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)上可以通過(guò)對(duì)線束數(shù)據(jù)增加松弛度的方式放寬運(yùn)動(dòng)部件間的線束尺寸；或者通過(guò)計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件的最遠(yuǎn)位置的線束尺寸，再加上線束緩沖運(yùn)動(dòng)部件的余量，即為設(shè)定長(zhǎng)度。

3）裝配在運(yùn)動(dòng)部件上的線束的尺寸設(shè)定。整車上的運(yùn)動(dòng)部件（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等），存在一定頻率的小幅振動(dòng)，裝配在運(yùn)動(dòng)部件上的線束的尺寸設(shè)定應(yīng)保證線束與運(yùn)動(dòng)部件留有安全距離，避免運(yùn)動(dòng)部件在振動(dòng)時(shí)與線束發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一般機(jī)艙內(nèi)的線束包絡(luò)與運(yùn)動(dòng)部件的安全距離應(yīng)＞25mm，如果受限于布置環(huán)境，則線束包絡(luò)與運(yùn)動(dòng)部件的安全距離也應(yīng)大于運(yùn)動(dòng)部件最大振幅。

4）線束生產(chǎn)工藝對(duì)線束尺寸設(shè)定的影響。在生產(chǎn)過(guò)程中，線束從物料準(zhǔn)備，半成品加工及線束成品組裝，都需要保證線束成品的尺寸要求。主干較粗的線束、線束的分支及折彎處會(huì)存在材料損耗，在線束物料準(zhǔn)備及生產(chǎn)時(shí)要注意損耗量符號(hào)設(shè)定要求，例如某種導(dǎo)線加工的工藝尺寸余量如表2所示。

表2 導(dǎo)線工藝尺寸余量表

4 常見的幾種尺寸鏈標(biāo)注方式

合適的線束尺寸鏈標(biāo)注的方式會(huì)直接影響到線束產(chǎn)品設(shè)計(jì)精確度和線束批量生產(chǎn)時(shí)的公差偏向。因此，選擇合適的方法標(biāo)注線束尺寸鏈，是提高線束成品一致性及消除累積公差的有效方式。

目前常見的尺寸鏈標(biāo)注方式有如下幾種。

1）如圖4所示，線束尺寸分段標(biāo)注。線束總長(zhǎng)標(biāo)注尺寸，同時(shí)各段也標(biāo)注尺寸，總長(zhǎng)公差和各段公差都要符合設(shè)計(jì)要求。

2）基于同一測(cè)量點(diǎn)的尺寸鏈標(biāo)注，如圖5所示。使用同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)多個(gè)尺寸進(jìn)行標(biāo)注。

3）局 部尺寸缺省標(biāo)注，如圖6所示。在多個(gè)尺寸形成的封閉尺寸鏈中，某一個(gè)或多個(gè)的非關(guān)鍵尺寸可以做缺省處理，利用缺省尺寸調(diào)整整體尺寸公差。

4）特 殊公差標(biāo)注，如圖7所示。對(duì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)以外的公差要求，在圖紙上可以做特殊標(biāo)注。

圖4 總長(zhǎng)及分段尺寸標(biāo)注

圖5 基于同一測(cè)量點(diǎn)的尺寸鏈標(biāo)注

圖6 局部缺省尺寸標(biāo)注

5）不同測(cè)量位置的尺寸標(biāo)注，如圖8所示。對(duì)于線束主干外徑較大的位置，線束主干對(duì)分支尺寸的影響較大，此時(shí)圖紙上的尺寸標(biāo)注可以約定測(cè)量到線束主干內(nèi)側(cè)和測(cè)量到線束主干外側(cè)。

不同位置的測(cè)量點(diǎn)，對(duì)于分支長(zhǎng)度的精確度有較大影響。

圖7 特殊公差要求標(biāo)注

圖8 不同測(cè)量位置的尺寸標(biāo)注

5 尺寸鏈及公差應(yīng)用案例

通過(guò)上面的介紹，我們對(duì)線束尺寸鏈及公差設(shè)計(jì)有了一定了解，接下來(lái)通過(guò)具體案例，來(lái)進(jìn)一步探討合適的尺寸鏈及公差設(shè)計(jì)在線束開發(fā)中的影響。

某車型的冷卻風(fēng)扇處的線束固定點(diǎn)經(jīng)常發(fā)生錯(cuò)位，導(dǎo)致車間裝配延時(shí)。經(jīng)查閱圖紙，線束在該位置的定位點(diǎn)的尺寸鏈方案如圖9

所示。

上述方案可優(yōu)化的位置有2處：尺寸測(cè)量點(diǎn)優(yōu)化，不建議選在線束分支點(diǎn)，因?yàn)榫€束分支點(diǎn)在空間上存在偏差，會(huì)放大定位點(diǎn)的位置偏差；冷卻風(fēng)扇分支右側(cè)的2個(gè)定位點(diǎn)采用逐段測(cè)量的尺寸標(biāo)注方式，也會(huì)加強(qiáng)公差累積效果。

優(yōu)化后的定位點(diǎn)尺寸標(biāo)注方式如圖10所示。

使用整車位置相對(duì)固定的線束搭鐵點(diǎn)作為尺寸測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)考慮消除公差累積，對(duì)局部尺寸設(shè)定小公差，以定位點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)標(biāo)注線束總長(zhǎng)，進(jìn)一步減少公差累積。

圖9 某車型冷卻風(fēng)扇定位點(diǎn)尺寸鏈方案

圖10 優(yōu)化后的尺寸鏈

6 結(jié)語(yǔ)

本文從線束尺寸鏈及公差設(shè)定入手，分享了線束尺寸鏈及公差的設(shè)定過(guò)程，介紹了影響線束尺寸鏈及公差設(shè)計(jì)的因素，舉例說(shuō)明了常見的幾種尺寸鏈及公差標(biāo)注形式，最后以實(shí)例講解說(shuō)明了尺寸鏈及公差在線束設(shè)計(jì)中的重要性。

隨著整車裝備的日益增多，線束在整車上的布置也是愈加廣泛，精細(xì)度高，裝配性好，一致性好的線束設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)線束產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，整車的裝配及整車的可靠性都有非常重要的意義。希望通過(guò)本次的經(jīng)驗(yàn)分享，能使大家對(duì)線束設(shè)計(jì)有更深了解及進(jìn)一步提高，為線束開發(fā)添磚加瓦。