楊彥靈 高猛 李寶發(fā)

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

隨著顧客對整車外觀品質(zhì)方面要求的不斷提高，各車企更加注重提升車輛的外觀品質(zhì)，因此在研發(fā)初期會運(yùn)用 3DCS（dimensional control systems）等三維軟件模擬計(jì)算公差對整車外觀效果的影響。三維軟件在模擬時會根據(jù)零件狀態(tài)及公差自動計(jì)算杠桿效應(yīng)對裝配效果的影響，所以計(jì)算準(zhǔn)確率高于二維尺寸鏈計(jì)算，但由于軟件價格昂貴，在完成裝配模型建立、公差輸入及測量輸入等操作時，需消耗大量時間，且在處理后期問題時，三維軟件不夠簡單快捷。因此為了縮減時間消耗及提升計(jì)算便利性，文章通過解析軟件中算法，選取車門裝配問題作為研究對象，將杠桿效應(yīng)的計(jì)算過程轉(zhuǎn)變成簡單二維尺寸鏈模型，得出杠桿效應(yīng)對裝配影響中的函數(shù)關(guān)系。

1 車門的裝配方式

車門通常是依托門裝具進(jìn)行裝配，根據(jù)裝具的不同，可分為內(nèi)置式裝具和鉸鏈裝具。其中，內(nèi)置式裝具是安裝過程中，定位或輔助工裝在車門與車身封閉空間內(nèi)的工裝，其裝配工藝是先將鉸鏈通過定位螺栓安裝到車門，再用裝具一起裝配至車身，其操作強(qiáng)度較大，但成本低；鉸鏈裝具是將鉸鏈先安裝到車身上使用的定位工裝，其裝配工藝是先將鉸鏈用裝具裝至車身，再將門總成通過定位螺栓與鉸鏈連接，操作便利，成本較高。文章采用鉸鏈裝具對前后門進(jìn)行裝配，前后門在裝配過程中的定位點(diǎn)及測點(diǎn)位置，如圖1所示。

圖1 前后門在裝具上的定位及測點(diǎn)位置

2 尺寸鏈計(jì)算方法

尺寸鏈?zhǔn)窃跈C(jī)器裝配或零件加工過程中，由相互連接尺寸形成封閉的尺寸組。其原理是分析和研究整機(jī)、部件與零件精度間的關(guān)系所應(yīng)用的基本理論[1]。尺寸鏈按各環(huán)的相互位置分為平面尺寸鏈和三維尺寸鏈。

2.1 平面尺寸鏈

平面尺寸鏈?zhǔn)侵溉拷M成環(huán)位于一個或幾個平行平面內(nèi)的尺寸鏈，包括一維尺寸鏈和二維尺寸鏈。常用的計(jì)算方法有極限法與概率法。極限法考慮各環(huán)尺寸都在極端情況下，獲得零部件之間100%的互換性；而概率法認(rèn)為，各環(huán)尺寸服從正態(tài)分布，能放松零件的公差，在大批量生產(chǎn)的情況下，概率法更具現(xiàn)實(shí)意義[2]。文章采用概率法進(jìn)行計(jì)算。

概率法以概率論理論為基礎(chǔ)，其計(jì)算公式為：

式中：T0——封閉環(huán)偏差，mm；

K0，Ki——封閉環(huán)和組成環(huán)的相對分布系數(shù)，當(dāng)為正態(tài)分布時，其值為1；

ξi——組成環(huán)傳遞系數(shù)，其值等于組成環(huán)在封閉環(huán)上引起的變動量對該組成環(huán)本身的變動量之比，對于直線尺寸鏈

2.2 基于3DCS的三維尺寸鏈計(jì)算

3DCS三維偏差分析軟件是一種利用Monte Carlo模擬法，作為一個應(yīng)用模塊集成于CATIA，通過建立誤差概率模型模擬產(chǎn)品裝配過程，實(shí)現(xiàn)靈活、精準(zhǔn)的公差分析的一種方法[3-4]，特別是對于杠桿效應(yīng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)可自行分析計(jì)算，3DCS軟件已在航天、汽車及船舶等工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。文章采用3DCS軟件對旋轉(zhuǎn)量計(jì)算方法的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

3 某車型前后門X向間隙和Y向段差

前后門的裝配尺寸鏈組成環(huán)包括前門總成的尺寸和公差、上下鉸鏈的尺寸和公差以及側(cè)圍總成的尺寸和公差，由于裝具上定位銷與孔之間的孔銷間隙及自定位螺栓與孔之間的孔銷間隙較小，故忽略不計(jì)。

1）X向間隙。前后門窗框飾板的X向間隙尺寸鏈，如圖2所示；表1示出前后門窗框各零部件X向的公差信息。2）Y向段差前后門窗框飾板的Y向面差尺寸鏈，如圖3所示；表2示出前后門窗框各零部件Y向的公差信息。

圖2 前后門窗框飾板X向間隙尺寸鏈

表1 前后門窗框飾板X向間隙公差信息 mm

圖3 前后門窗框飾板Y向面差尺寸鏈

表2 前后門窗框飾板Y向面差公差信息 mm

4 杠桿效應(yīng)

在零件裝配過程中，涉及到二維方向的杠桿效應(yīng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)問題較為常見，特別在車門和機(jī)罩等部位，由于杠桿效應(yīng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)更為明顯。文章中，由于裝具的存在，在X向杠桿效應(yīng)是由上下鉸鏈的車門安裝面輪廓度產(chǎn)生，在Y向杠桿效應(yīng)由上下鉸鏈的車門安裝面和側(cè)圍上鉸鏈安裝面輪廓度產(chǎn)生，前后門定位點(diǎn)A，B，C，D 及測點(diǎn) M1，M2在整車坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，如表3所示。

表3 前后門定位及測點(diǎn)坐標(biāo)信息 mm

前后門分別以O(shè)1和O2為旋轉(zhuǎn)中心，其旋轉(zhuǎn)量計(jì)算過程如下。

1）前門X向。由表3可計(jì)算出O1A=200 mm，M1O1=1 375 mm，M1E=576 mm。如圖4a所示，由幾何關(guān)系可得到sin θ1=0.56，因?yàn)锳，B點(diǎn)X向的相對公差為，則A點(diǎn)相對于O1點(diǎn)的X向公差為±0.36 mm，可得M1相對于O1的公差為，則前門在 X 向的以 O1為旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)量為 GX1=±2.48sin θ1=±1.40 mm。

2）后門X向。由表3可計(jì)算出O2C=175 mm，M2O2=781mm，M2F=605mm。如圖4b所示，由幾何關(guān)系得sin θ2=0.99，因?yàn)镃，D點(diǎn)X向相對公差為±0.71 mm，則C點(diǎn)相對于O2點(diǎn)X向公差為±0.36 mm，可得M2相對于O2的公差為則后門在X向的以O(shè)2為旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)量為GX2=±1.61sin θ2=±1.61 mm。

3）前門Y向。由表3可計(jì)算出O1A=200 mm，M1O1=801 mm，M1G=576 mm。如圖4c所示，由幾何關(guān)系得 sin θ3=0.97，因?yàn)?A，B點(diǎn)的 Y向相對公差為則A點(diǎn)相對于O1點(diǎn)的Y向公差為±0.39 mm，可得M1點(diǎn)相對于O1點(diǎn)的公差為，則前門在 Y 向的杠桿效應(yīng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)量為GY1=±1.88sin θ3=±1.82 mm。

4）后門Y向。由表3可計(jì)算出O2C=175 mm，M2O2=810 mm，M2H=605 mm。如圖4d所示，由幾何關(guān)系得 sin θ4=0.96，因?yàn)?C，D點(diǎn) Y向相對公差為則C點(diǎn)相對于O2點(diǎn)Y向公差為±0.39 mm，可得M2點(diǎn)相對于O2點(diǎn)的公差為，則后門在Y向的杠桿效應(yīng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)量為GY2=±2.18sin θ4=±2.10 mm。

圖4 杠桿效應(yīng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)量幾何示意圖

5 3DCS仿真驗(yàn)證

將裝配（鉸鏈通過裝具裝配到車身，車門通過自定位螺栓與鉸鏈裝配的過程）、公差信息及測點(diǎn)信息輸入（與二維模型中輸入一致）至3DCS軟件中進(jìn)行仿真，得到結(jié)果，如圖5所示。

圖5 3DCS軟件對前門杠桿效應(yīng)的分析結(jié)果

二維模型計(jì)算結(jié)果與3DCS計(jì)算結(jié)果對比，如表4所示。從表4可以看出，影響量最大相差±0.35 mm，影響量最小相差±0.005 mm，杠桿效應(yīng)二維模型的正確性在3DCS軟件中得到了驗(yàn)證。

表4 二維尺寸鏈與3DCS軟件分析杠桿效應(yīng)結(jié)果對比 mm

6 結(jié)論

文章通過杠桿效應(yīng)尺寸鏈模型技術(shù)，可準(zhǔn)確計(jì)算出杠桿效應(yīng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)量。該技術(shù)可通過建立相應(yīng)的杠桿效應(yīng)模型，準(zhǔn)確快速地計(jì)算出杠桿效應(yīng)的影響量，能指導(dǎo)前期設(shè)計(jì)及解決后期匹配因杠桿效應(yīng)引起的問題，減少三維軟件使用過程中裝配及公差輸入的時間消耗。