值得了解!新能源汽车电池合装工艺

某主机厂新型纯电动汽车首次搭载自主电驱动模块,电池电量为49.1kWh,续驶里程351 km,且首次与A、B、C等多平台8车型混流生产装配,正常生产的工艺节拍为109 s。动力电池作为电动车关键总成,总质量约为360 kg,固定点12个,分别与车身及动力电池后者支架连接,螺栓力矩为100 Nm。该车型在上线初期,动力电池合装过程中问题众多,停线频繁,对工厂正常的混流生产造成了严重影响。在总装装配过程中,动力电池合装到车身上时涉及零件多,尺寸链复杂,尺寸精度控制要求高、难度大,通过对车间节拍和停线原因进行分析,发现动力电池合装工位节拍为152 s,严重超出了正常节拍109 s(33 JPH)。

错孔

动力电池与车身之间的定位方式采用圆孔+长圆孔,车身上有定位销轴,动力电池上有定位孔。动力电池包与车身的安装点有10个,分别位于前地板横梁、左右边纵梁处。动力电池包与后安装支架的安装点有2个,后安装支架通过2个M10螺栓固定在车身上。

经分析发现,在合装动力电池过程中,不满足工艺节拍的关键因素是动力电池与车身存在错孔现象,涉及电池包、车身、后安装支架等3个环境件,主要部位有两类:一是动力电池包与车身错孔;二是动力电池包与后安装支架错孔。

电池包结构设计

  • 电池框架调查。采用3D测量,测得电池包外边框上下板同轴度偏差量为0~0.1 mm,满足设计定义,该因素属于非要因。
  • 电池包螺栓安装孔处外边框焊接搓板调查。电池包螺栓安装孔处上、下两层钢板之间有支撑导套,确保动力电池紧固强度。若上、下钢板孔与导套孔出现错孔,会降低电池包安装孔容错性。通过目视和触摸,发现外板安装孔与导套无错孔现象,采用游标卡尺测量10量份,上、下板孔径均为16~16.2 mm,符合设计定义,此因素为非要因。
  • 动力电池螺栓与电池包外尺寸链计算错孔风险。动力电池螺栓直径为12 mm,而电池包外框安装孔径为16 mm,经零部件尺寸链计算单边应为3 mm,高于设计定义2 mm,错孔风险25%,容错能力差,为动力电池合装错孔的主要因素之一,需要增大孔径。
  • 电池包安装孔位置尺寸调查。通过核查动力电池包质量检查 告并采用3D测量,测得电池孔位置偏差为0~1 mm,电池安装孔尺寸精度符合设计要求。
  • 车身结构设计解析

  • 车身前、后地板尺寸精度调查 通过3D测量车身前地板、后地板尺寸,结果显示白车身测量结果OK,符合设计定义,可排除该因素影响。
  • 车身运输过程分析。对比前、后地板运输前和运输后,发现3D测量结果一致,前地板中部支撑无变形现象,因此可排除该因素影响。
  • 车身合拼过程分析。对车身焊接前和焊接后进行对比,发现车身焊接前后变形严重。验证10台车测量变形量,结果显示焊接前、后平均变形量为1.1 mm,最大变形量为1.6 mm,分析原因为焊接过程中沿用夹具中部定位不足,该因素为动力电池合装错孔的主要因素之一。
  • 后安装支架结构设计解析

    自然状态下,测量后安装支架零件3D坐标尺寸,结果OK。后安装支架有4个安装孔,属于过定位,对定位孔安装面刚度分析发现,安装平面板厚2 mm,刚度不足,造成中间两个装配孔定位失效,如图5所示。后安装支架与车身紧固后存在2 mm间隙,由于零件结构定义平面尺寸会放大到电池,该因素为动力电池合装错孔的主要因素之一。

    动力电池包因素对策

    针对动力电池包引起错孔的因素,主要采取以下3个措施:

    1)安装孔直径由16 mm增大至17 mm。

    2)冲压件补偿、保证安装孔位置精度。

    3)定位孔双层板采用一大一小焊接,保证孔径。

    车身因素对策

    因动力电池布置需要,车身地板中间无横梁进行Y向固定,导致左右侧地板间缺乏足够的刚度。在地板焊接过程中,容易造成地板变形,动力电池安装孔Y向尺寸超差。因此,在地板焊接过程中增加夹具中部支撑,保证Y向刚度。在焊接夹具中部增加定位后,车身变形量大大降低,平均变形量0.2 mm,最大变形量0.4 mm。

    动力电池后支架因素对策

  • 对动力电池安装支架的定位原理和定位方式进行分析,发现支架与车身横梁连接的两个中部吊耳支架意义不大,取消中部吊耳,优化作业空间。
  • 优化动力电池后支架作业顺序,减小电池后支架紧固时导致的间隙及偏移。原顺序左右顺序为:先拧紧动力电池后支架与车身连接螺栓,然后拧紧动力电池与动力电池后支架连接螺栓。优化后作业顺序为:先预带动力电池后支架与车身连接螺栓,在拧紧动力电池与动力电池后支架连接螺栓,然后拧紧动力电池后支架与车身连接螺栓。装配顺序由1-2-3-4调整为3-4-1-2。
  • 分别对动力电池包、车身、动力电池后支架实施以上措施后,白车身电池安装点精度OK ,电池包孔径及孔位检测OK ,电池合装效果确认OK。既避免了因为错孔而产生的质量风险,也达成了原定的工艺节拍,减少工时43s。

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