一種擺臂橫梁總成裝配問題分析方法淺談

張爭 盧亞軍

【摘 要】零部件裝配擋孔問題是整車裝配中的常見問題之一，文章以某車型擺臂橫梁裝配擋孔問題為例，提出了分析并解決該問題的思路。一方面通過均方根及蒙特卡洛尺寸統(tǒng)計分析方法，分析影響擺臂橫梁總成裝配擋孔的主要因素，并對擺臂橫梁總成的裝配尺寸及公差進(jìn)行優(yōu)化，另一方面結(jié)合實際制造情況，對零件定位方案進(jìn)行調(diào)整，并通過優(yōu)化工裝，提升了車身擺臂橫梁的安裝點位置精度，從而解決了某車型擺臂橫梁總成安裝擋孔的問題。

【關(guān)鍵詞】定位策略；擺臂橫梁總成安裝；尺寸優(yōu)化設(shè)計

【中圖分類號】U466 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）06-0054-04

0 前言

在汽車制造過程中，由于零部件尺寸偏差及工藝、工裝等制造技術(shù)水平的限制，車身普遍存在制造偏差，從而影響整車的裝配性。如何對現(xiàn)有裝配工藝、工裝進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，提升車身精度和滿足整車裝配性，以及如何合理設(shè)計零部件定位策略、裝配尺寸及公差就顯得尤為重要。工藝、工裝的優(yōu)化可以通過使用檢具、三坐標(biāo)測量機(jī)（Coordinate Measuring Machine，CMM）[1]等工具，分析零部件及車身的尺寸偏差，并結(jié)合焊接過程進(jìn)行具體分析和優(yōu)化調(diào)整。零部件裝配尺寸及公差合理性通過容差分配方法進(jìn)行分析，目前常用的容差分配方法主要有均方根及蒙特卡洛尺寸統(tǒng)計分析方法。容差分配是新車型開發(fā)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，它根據(jù)車身裝配的特點，期望滿足完全互換，綜合考慮制造工藝性，即組成部件的零件結(jié)構(gòu)及成型或焊裝的復(fù)雜程度，從而確認(rèn)每個零組件制造時允許偏差的過程[2]。容差分析不僅適用于分析后期造車問題，在產(chǎn)品設(shè)計初期也可以使用該方法進(jìn)行分析，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，從而有效地避免后期制造問題的出現(xiàn)，大大縮減后期整改成本及時間。

1 問題背景

某車型擺臂橫梁總成存在與白車身擋孔問題，嚴(yán)重影響裝配，增加了返修成本，影響了整車質(zhì)量。擺臂橫梁總成通過孔B、C、D1～D4裝配到白車身，如圖1所示。B為主定位孔，孔徑大小為φ12.5 mm，尺寸公差為0～+0.1 mm，位置度為0；C為次定位，Y方向為長孔，尺寸大小為13.5 mm×15.5 mm，尺寸公差為0～+0.1 mm，位置度為±0.025 mm；D1孔為φ16 mm的安裝過孔；D2孔為φ14 mm的安裝過孔；D3孔為16 mm×17.5 mm的安裝過孔；D4孔為13.5 mm×15.5 mm的安裝過孔；D3、D4為Y方向長孔，D1～D4孔尺寸公差均為0～+0.2 mm，位置度為±0.75 mm。擺臂橫梁焊合總成裝配到白車身上的順序為B→C→D，B、C、D2、D4安裝螺栓均為M12，D1、D3安裝螺栓均為M14。擺臂橫梁焊合總成上對應(yīng)的安裝螺母位置度為±0.75 mm，白車身上相應(yīng)安裝螺母位置度為±1.2 mm。在操作人員完全按照裝配工藝操作的情況下，擺臂橫梁焊合總成安裝仍然出現(xiàn)擋孔和無法裝配的問題。因此，需要對以上設(shè)計及制造過程進(jìn)行分析，確定其設(shè)計是否合理及零件、白車身尺寸精度是否達(dá)到設(shè)計要求并制定提升措施（本文僅對B、C、D2、D4安裝孔及車身對應(yīng)的安裝點進(jìn)行分析，D1、D3原理相同）。

2 問題分析方法闡述

2.1 零件尺寸精度檢測

根據(jù)擺臂橫梁尺寸公差（Global Dimensioning and Tolerancing，GD&T）圖紙要求和白車身尺寸控制圖，分析擺臂橫梁總成安裝孔在檢具上的檢測數(shù)據(jù)、白車身擺臂橫梁總成安裝螺母孔的CMM測量數(shù)據(jù)。檢測各總成位置精度包括擺臂橫梁總成安裝孔位置精度、白車身擺臂橫梁總成安裝螺母孔位置精度。

2.1.1 擺臂橫梁總成安裝孔位置精度

擺臂橫梁安裝孔GD&T圖紙要求位置精度為±0.75 mm，通過使用檢具檢測擺臂橫梁總成安裝孔的位置偏差，現(xiàn)場隨機(jī)抽查20套零件，分別上檢具檢測，結(jié)果顯示，零件安裝孔及安裝型面均在±0.5 mm范圍內(nèi)波動，滿足設(shè)計要求。

2.1.2 白車身擺臂橫梁總成安裝螺母孔位置精度

白車身擺臂橫梁總成安裝螺母孔的位置精度要求為±1.2 mm，CMM測量數(shù)據(jù)如圖2所示，序號12、25代表白車身擺臂橫梁總成左、右共4處安裝螺母的孔位偏差信息，從該數(shù)據(jù)可以確認(rèn)白車身擺臂橫梁總成安裝螺母孔（序號12、25）位置Y方向偏差在±1.5 mm范圍內(nèi)波動，不符合設(shè)計要求。因此，我們可以確認(rèn)白車身擺臂橫梁總成安裝螺母孔位置精度超差為裝配擋孔原因之一，需要提升白車身擺臂橫梁總成安裝螺母孔位置精度。

白車身擺臂橫梁總成安裝螺母孔的位置精度影響因素有以下幾點。

（1）前大梁總成焊接過程（焊接工藝或者工裝）產(chǎn)生變異，導(dǎo)致安裝螺母孔位置超差。前大梁焊合總成在檢具上檢測擺臂橫梁總成安裝螺母孔位置精度符合GD&T圖紙要求（±0.75 mm）。

（2）前車體焊接過程（焊接工藝或者工裝）產(chǎn)生變異，導(dǎo)致安裝螺母孔位置超差。

（3）相關(guān)焊接零件不匹配，導(dǎo)致安裝螺母孔位置超差。由上述因素可知，前大梁焊合總成在檢具上檢測擺臂橫梁總成安裝螺母孔位置精度合格，排除影響因素1和因素3中的單件不匹配問題。因此，重點分析前車體焊接過程中零件匹配和焊接工藝、工裝的變異。結(jié)合現(xiàn)場造車，檢查零件匹配狀態(tài)、焊接工藝、工裝，發(fā)現(xiàn)這個位置偏差是前車體2#工位焊接前隔板時引起的。至此，白車身擺臂橫梁總成安裝螺母孔位置Y方向偏差問題產(chǎn)生的原因明確。

2.2 設(shè)計方案分析

2.2.1 零件定位方案分析

由圖2的白車身CMM數(shù)據(jù)可以看出，前大梁焊合總成上擺臂橫梁焊合總成的定位螺母孔B、C（序號為25的左、右2處測點）比安裝螺母孔D2、D4（序號為12的左、右2處測點）位置偏差大。原因在于前大梁A與中大梁及支撐板A都是Y方向的配合面，導(dǎo)致測點25（如圖2所示）的尺寸鏈長。焊接過程中每個單件沖壓件Y方向配合面的尺寸偏差都會影響螺母孔的位置精度。但是僅通過提升零件的位置精度滿足裝配要求，需要增加成本，而且影響效率。因此，我們可以通過調(diào)整零件定位系統(tǒng)，將精度相對更高、更容易控制的位置作為裝配定位孔，從而降低裝配擋孔的概率。

2.2.2 零件尺寸設(shè)計合理性分析

均方根法及蒙特卡洛統(tǒng)計分析方法是目前常用的兩種容差分析方法。接下來分別通過這2種方法，分析擺臂橫梁焊合總成安裝孔尺寸設(shè)計的合理性并進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.2.1 均方根法

均方根法，又稱概率法，假設(shè)裝配各組成環(huán)的尺寸公差均服從正態(tài)分布，該方法只能分析一維裝配偏差，是單方向的公差累積尺寸鏈計算方法[3]。計算表達(dá)式如下：

x 其中，n為裝配零件數(shù)，Ti為各裝配零件偏差，TOL為最終裝配偏差。通過尺寸鏈計算，判斷尺寸鏈中各組成環(huán)尺寸的變動量對封閉環(huán)尺寸變動量的影響，也就是分析組成環(huán)尺寸的偏差累積是否超出規(guī)定的范圍。該計算方法簡單易行，能夠快地速進(jìn)行分析，是常用的分析方法之一。

擺臂橫梁焊合總成安裝孔主要是Y方向擋孔，因此通過均方根法計算Y方向的偏差累積是否能滿足裝配需求。擺臂橫梁焊合總成與白車身安裝孔Y方向孔位裝配偏差的尺寸鏈如圖3所示，其中A為裝配偏差，1、2、3為該尺寸鏈組成環(huán)，白色圈表示擺臂橫梁焊合總成安裝過孔，黑色圈表示白車身上相應(yīng)安裝螺母。組成環(huán)1為白車身左前大梁安裝螺母位置度（±1.2 mm）；組成環(huán)2為白車身右前大梁安裝螺母位置度（±1.2 mm）；組成環(huán)3為擺臂橫梁焊合總成安裝孔位置度（±0.75 mm）。

根據(jù)均方根的計算方法，計算得裝配偏差A(yù)==±1.9 mm。為避免裝配擋孔，前軸安裝孔在Y方向尺寸至少為12+2×1.9=15.8 mm。原設(shè)計D4安裝孔Y方向尺寸為15.5 mm，不滿足裝配需求。因此，根據(jù)均方根計算結(jié)果，D4安裝孔Y方向尺寸至少需更改為15.8 mm。

2.2.2.2 蒙特卡洛模擬法

蒙特卡洛模擬法，也稱計算機(jī)隨機(jī)模擬方法，是一種基于“隨機(jī)數(shù)”，通過建立誤差概率模型，模擬產(chǎn)品裝配過程進(jìn)行大量隨機(jī)試驗，實現(xiàn)精準(zhǔn)的公差分析的一種方法。該方法需要借助計算機(jī)模擬軟件，操作相對復(fù)雜，但計算結(jié)果相對精準(zhǔn)。本文借助VSA三維偏差分析計算機(jī)軟件，模擬分析某車型前軸焊合件與白車身裝配擋孔問題。

（1）模型創(chuàng)建。采用VSA進(jìn)行偏差分析，首先需要創(chuàng)建模型。根據(jù)零件裝配順序創(chuàng)建模型樹，由于擺臂橫梁焊合總成裝配到白車身上，因此在創(chuàng)建模型樹時需先創(chuàng)建白車身，再創(chuàng)建擺臂橫梁焊合總成。然后根據(jù)裝配工藝，創(chuàng)建各零件特征，并根據(jù)擺臂橫梁焊合總成與白車身設(shè)計圖紙確定尺寸及形位公差。擺臂橫梁焊合總成尺寸及公差如圖1所示，白車身安裝螺母為M12，安裝螺母位置度及安裝型面公差均為±1.2 mm。在該軟件中輸入擺臂橫梁焊合總成及白車身的尺寸及形位公差要求。根據(jù)零件的裝配關(guān)系及裝配位置，創(chuàng)建裝配操作，完成裝配操作定義后，分析模型的整體框架已基本搭建完成。由于擺臂橫梁焊合總成擋孔概率測量發(fā)生在零件裝配以后，所以裝配操作完成以后，再創(chuàng)建測量操作。

（2）仿真分析及計算結(jié)果。模型創(chuàng)建完成以后，進(jìn)行仿真分析。由于擺臂橫梁焊合總成與白車身裝配模型比較簡單，該案例進(jìn)行了2 000次仿真計算，計算D4安裝過孔與白車身的擋孔概率。計算結(jié)果如圖4所示。

結(jié)果顯示，擺臂橫梁焊合總成D4安裝孔與白車身裝配的擋孔概率達(dá)2%，需要進(jìn)行優(yōu)化提升。仿真分析結(jié)果的貢獻(xiàn)因子中排在前幾項的，為影響結(jié)果的主要因素。該報告結(jié)果顯示，白車身安裝螺母的位置度及擺臂橫梁安裝孔的位置度是影響擋孔的主要因素。因此，需要提升白車身精度及擺臂橫梁尺寸精度來解決裝配擋孔問題。在現(xiàn)有制造水平下，白車身安裝螺母位置度控制在±1.2 mm的范圍內(nèi)，很難再繼續(xù)提升；而擺臂橫梁結(jié)構(gòu)簡單，位置度可由目前要求的±0.75 mm提升到±0.5 mm。因此，我們將擺臂橫梁焊合總成安裝孔位置度調(diào)整到±0.5 mm，同時將擺臂橫梁焊合總成D4孔的尺寸調(diào)整為13.5 mm×16 mm的長圓孔。調(diào)整后，再進(jìn)行仿真模擬分析計算，擺臂橫梁焊合總成D4安裝孔與白車身裝配的擋孔概率降低為0.35%，滿足裝配需求。

2.3 措施制定

（1）對于白車身總成的擺臂橫梁焊合件安裝螺母位置偏差，通過分析焊接過程發(fā)現(xiàn)左、右前大梁焊合總成的螺母孔主要是在前車體2#工位焊接前隔板時引起。因此，我們在該工位增加工裝焊接輔佐定位銷定位孔13（如圖2所示），提升擺臂橫梁焊合件安裝螺母位置精度。

（2）通過分析白車身CMM數(shù)據(jù)，對于主定位安裝螺母孔位置偏差大的問題，調(diào)整擺臂橫梁焊合件定位系統(tǒng)，原D2、D4安裝孔調(diào)整為B、C定位孔，降低擋孔風(fēng)險。

（3）通過尺寸統(tǒng)計分析方法及零件尺寸狀態(tài)，對擺臂橫梁焊合總成的安裝孔尺寸大小及公差進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，D4安裝過孔尺寸大小調(diào)整為14.5 mm×16 mm的長圓孔，D4孔的位置度控制在±0.5 mm的范圍，理論上可滿足裝配需求，降低擋孔風(fēng)險。

3 結(jié)論

本文對擺臂橫梁總成裝配擋孔問題進(jìn)行了分析，首先對裝配零件的尺寸精度進(jìn)行檢測，確保零件符合設(shè)計公差要求；其次根據(jù)實際制造過程對零件裝配定位方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；最后通過使用尺寸容差設(shè)計中的均方根及蒙特卡洛分析方法，分析零部件裝配尺寸設(shè)計的合理性并進(jìn)行優(yōu)化，從而滿足裝配需求，解決了擺臂橫梁裝配擋孔問題。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王俊杰.白車身尺寸檢測技術(shù)及數(shù)據(jù)應(yīng)用研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2015（8）.

[2]勾治踐.容差分配技術(shù)在轎車車身設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].汽車工程，2009（31）.

[3]藍(lán)先.一維偏差分析在汽車整車設(shè)計中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].裝備制造技術(shù)，2006（2）.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]