基于門鉸鏈裝配策略對車門公差能力的研究

朱立君

摘 要：車門尺寸匹配區(qū)是汽車外覆蓋件重要的直觀感知質(zhì)量區(qū)，車門鉸鏈的裝配方式與控制對車門與車身匹配的間隙和面差有著非常重要的意義。本文詳細介紹了車門鉸鏈各種裝配策略，分析了各裝配策略的控制方向與公差傳遞的累積和吸收，重點分析了三類常見車門鉸鏈的裝配尺寸鏈。運用VisVSA軟件模擬實際裝配過程，以公司某車型前門中門實際尺寸匹配為例，對基于門鉸鏈裝配策略的車門公差能力進行分析與研究。從而實現(xiàn)了新產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)健設計，豐富了公司大數(shù)據(jù)庫，為公司后續(xù)新產(chǎn)品尺寸開發(fā)提供了數(shù)據(jù)上的參考。

關(guān)鍵詞：車門鉸鏈；裝配策略；尺寸鏈；VisVSA；尺寸工程

中圖分類號：U463.83+4 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0049-06

Abstract： The door dimensional matching area is an important intuitive perception of auto body drawing part quality area. And it has very important significance for the gap and flush of the door matching with body to the hinge assembly way and control. This paper introduces in detail the door hinge various assembly strategy， and analyze the every assembly strategy control direction and the accumulation and absorption of the tolerance transfer. Then we analyzed the dimensional chain of three kinds of common door hinge assembly. Using VisVSA software to simulate the actual assembly process， and taking the front door dimensional matching with rear door of the company car as an example， we study the door tolerance ability based on the strategy of door hinge assembly. So it can realize the robust design of the new product dimension， and enrich the company dimensional database， then provide the company reference data for the follow-up development of new product dimension.

Key Words： Door hinge； Assembly strategy； Dimensional chain； VisVSA； Dimension engineering

引 言

汽車車門是駕駛員和乘客進入車里必須經(jīng)過的通道，是整車上客戶關(guān)注度和使用頻次最高的總成零件之一。車門與車身的尺寸匹配品質(zhì)直接影響著整車的風噪聲和外觀美度[1]，作為直接支撐車門旋轉(zhuǎn)運動的鉸鏈就顯得非常關(guān)鍵與重要，其車門鉸鏈的裝配策略與控制對車門與車身匹配的間隙和面差有著非常重要意義。

車門鉸鏈把車門與車身直接連接在一起，在汽車車門關(guān)閉時，車門門鎖與鉸鏈來承力車門的重量；在汽車車門打開時，車門的重量是完全由車門的鉸鏈來承受[2]。作為車門旋轉(zhuǎn)的一個重要安全運動件，車門鉸鏈的裝配方式與尺寸控制，是整車尺寸工程中偏差分析重要的組成部分。

1 車門尺寸匹配偏差源分析

汽車外觀尺寸匹配精度的制造控制依然是困擾許多汽車企業(yè)的難點，其中車門與車身的裝配尺寸公差控制更尤為復雜。車門裝配公差分配是指汽車車門在前期設計時按照一定的裝配尺寸需求與實際制造能力而為各裝配組成環(huán)進行分配設計的合理公差[3-4]，是尺寸工程中重要的尺寸分析與設計，目前車門裝配工藝流程如下圖1 所示：

針對前后門與車身之間匹配公差的設計與控制，從尺寸工程來分析，主要受到下面三種偏差源的影響：

①產(chǎn)品幾何尺寸質(zhì)量：側(cè)圍上與車門直接相關(guān)的間隙面差特征、側(cè)圍上門鉸鏈貼合面以及門或鉸鏈安裝工具到側(cè)圍的定位特征；門鉸鏈到門和側(cè)圍的貼合面以及到安裝工具的定位特征；門總成與側(cè)圍直接相關(guān)的間隙面差特征、門總成上鉸鏈貼合面以及到安裝工具的定位特征。

②工裝穩(wěn)定性與重復性：工裝夾具與安裝工具定位方式的選擇、定位點的選擇以及同心孔試驗重復性的驗證。

③調(diào)整工藝：前門與后門間隙段差的調(diào)整。

通過尺寸偏差源分析，尋找產(chǎn)生裝配偏差的原因或分析零件尺寸定位策略的合理性，并能有效地發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)品尺寸設計中的公差問題并及時改進，從根本上保證了新產(chǎn)品設計的合理性與制造質(zhì)量。

2 車門鉸鏈裝配策略

車門鉸鏈與車身和車門的連接方式通常為螺栓連接或者焊接連接，由于焊接造成的焊接變形相對明顯，并且焊接后鉸鏈無法進行調(diào)整，因此一般連接方式為螺栓連接。目前，車門鉸鏈的種類很多，按照鉸鏈的裝配方式或者說定位方式，常用的典型鉸鏈類型主要有四種：自定位鉸鏈（雙側(cè)）、自定位鉸鏈（車門側(cè)）、鑄造鉸鏈（雙側(cè)過孔）和焊接鉸鏈（雙側(cè)焊接）[5]，見下圖2所示：

車門鉸鏈的裝配策略決定著車門的裝配策略。下面詳細介紹了各種鉸鏈裝配策略及其優(yōu)缺點，然后對每種裝配策略控制方向以及裝配公差傳遞的累積和吸收進行分析，具體分析見關(guān)系圖3所示：

在上述中所謂的自定位就是開小孔，即其安裝時不需要定位夾具或者安裝工具，否則就是過孔了。目前，鉸鏈一般為兩片活頁，分別稱為側(cè)圍鉸鏈與車門鉸鏈。

在圖3中，我們對各類鉸鏈裝配策略或者裝配方式的優(yōu)缺點進行了剖析，可知，福特、PSA等鉸鏈類型車門裝配策略方案主要采用裝配策略1工藝方案，即鉸鏈自定位；德系車企主要采用鑄造機加鉸鏈裝配策略，也就是裝配策略4工藝方案，即車門側(cè)鉸鏈與側(cè)圍側(cè)鉸鏈均需要安裝工具或者定位夾具，車門均需要均勻調(diào)整；現(xiàn)代、路虎鉸鏈類型車門裝配策略方案為先通過定位夾具或者安裝工具定位安裝鉸鏈，再自定位直接掛車門，即裝配策略6工藝方案。目前，裝配策略3工藝方案暫無車企使用此鉸鏈裝配策略，此裝配策略工藝具有較高的研究價值工藝，可視為裝配策略工藝方案1的優(yōu)化與改進。

不同的鉸鏈裝配策略也產(chǎn)生了不同的生產(chǎn)工藝方案，可某些鉸鏈裝配策略的裝配尺寸鏈是相同的。鉸鏈裝配策略方案2與鉸鏈裝配策略方案6的裝配尺寸鏈是相同的，鉸鏈裝配策略方案4與鉸鏈裝配策略方案7的裝配尺寸鏈是相同的。尺寸鏈的相同，也就意味著其裝配策略方案中各裝配件之間公差的傳遞與累積是相同的。綜上所述，我們基本可以提煉為三類常用鉸鏈裝配策略方案：

策略方案一為福特、PSA等鉸鏈類型車門裝配策略方案，其翼子板一般關(guān)聯(lián)機艙定位安裝；策略方案二是現(xiàn)代、路虎等鉸鏈類型車門裝配策略方案，其翼子板一般關(guān)聯(lián)機艙定位安裝；策略方案三為德系車型等類型車門裝配策略方案，其翼子板一般關(guān)聯(lián)車身主基準定位安裝。

三類常用鉸鏈裝配策略方案之間，其產(chǎn)品的裝配關(guān)系、裝配方法以及裝配性能要求是不同的，即每類鉸鏈裝配策略方案都有一個對應的裝配尺寸鏈。我們通過分析每個裝配尺寸鏈，來分析每個裝配策略方案間的裝配公差的傳遞與累積，進而確認每個裝配策略方案的裝配精度能否保證與合理，從而驗證相關(guān)零件尺寸公差的設計是否協(xié)調(diào)與合理。

3 三類鉸鏈裝配策略方案裝配尺寸鏈的分析

為了滿足新產(chǎn)品的功能要求和加工的經(jīng)濟性，我們需要考慮它的裝配精度；為了能夠合理解決如何保證裝配精度的問題，我們需要進行裝配尺寸鏈的分析與研究。所謂裝配尺寸鏈就是講整車零部件在實際裝配時由相互關(guān)聯(lián)部件的相關(guān)尺寸（如X向、Y向及Z向間距離等）或者相互位置關(guān)系所構(gòu)成的尺寸鏈[6]，準確建立零件的尺寸鏈是進行裝配精度分析研究的基礎。策略方案一的裝配尺寸鏈如下圖4所示：

所以，鉸鏈裝配策略方案一的尺寸鏈構(gòu)成如下：

策略方案二的裝配尺寸鏈如下圖5所示：

所以，鉸鏈裝配策略方案二的尺寸鏈構(gòu)成如下：

策略方案三的裝配尺寸鏈如下圖6所示：

所以，鉸鏈裝配策略方案三的尺寸鏈構(gòu)成如下：

1、前門間隙匹配面輪廓度

2、側(cè)圍間隙匹配面輪廓度

3、后門間隙匹配面輪廓度

4、人工調(diào)整偏差

4 基于虛擬制造的車門周邊間隙公差能力研究

將制造過程中整車、白車身、零部件尺寸精度評價工作，通過系統(tǒng)運用尺寸SE、尺寸鏈以及裝配偏差虛擬仿真分析等手段，前移到工程化設計階段。

4.1 車門的公差設計

零部件的公差信息和定位信息一般由GD&T圖紙讀取，包含了零件基準、公差以及關(guān)鍵產(chǎn)品特性。根據(jù)公司現(xiàn)行制造能力以及產(chǎn)品尺寸設計要求，某車型的前門公差設計信息如下圖7所示，因篇幅所限，下面僅列出前門公差信息。

4.2 車門基準轉(zhuǎn)換后尺寸精度能力

根據(jù)公司尺寸公差設計的數(shù)據(jù)庫以及現(xiàn)行車間制造能力，車門總成的初步設計公差為±0.5mm。車門總成所設計的公差值在鉸鏈裝配策略方案一以及方案二的裝配下，車門間隙特征值相對于裝配基準自身將發(fā)生變化，即前門與中門基準轉(zhuǎn)換后車門總成的尺寸公差。運用VisVSA三維偏差分析軟件進行車門總成公差建模分析，進而量化車門總成分別基于裝配策略方案一與策略方案二基準轉(zhuǎn)換后的公差能力，其模擬運算結(jié)果如下圖8：

由圖8模擬運算結(jié)果，可知前門與中門基準轉(zhuǎn)換后其設計公差值的變化與波動。模擬運算結(jié)果中顯示紅色的數(shù)據(jù)，表示基準轉(zhuǎn)換后其公差值變化較大。可知前門與中門鉸鏈裝配策略方案一基準轉(zhuǎn)換后公差值穩(wěn)定性最好，且變化較小。

4.3 側(cè)圍的公差設計

由尺寸偏差源分析可知，車門與車身外觀的DTS還與側(cè)圍外板公差的設計與控制有關(guān)。根據(jù)公司尺寸公差設計的數(shù)據(jù)庫以及現(xiàn)行車間制造能力與經(jīng)濟性，側(cè)圍外板單件以及側(cè)圍總成的初步設計公差如下圖9所示：

4.4 基于VisVSA軟件建模分析

根據(jù)公司工裝科提供的工裝尺寸公差設計數(shù)據(jù)庫以及現(xiàn)行車間制造能力，設定焊接工裝公差為±0.2mm，其車門總成以及車身尺寸公差的設計按上述4.1—4.3章節(jié)分析設定的公差值輸入。基于VisVSA軟件，分別對鉸鏈裝配策略方案一、鉸鏈裝配策略方案二、鉸鏈裝配策略方案三進行公差建模，進而分析前門中門周邊間隙公差精度。

4.5 建模仿真結(jié)果

在對三類鉸鏈裝配策略進行公差建模以及模擬實際裝配過程時，首先模擬分析所有的環(huán)節(jié)均控制過程性能指數(shù)PPK≥1.0，其模擬運算結(jié)果如下圖10所示；然后模擬分析所有的環(huán)節(jié)均不控制過程性能指數(shù)PPK，按靜態(tài)公差控制進行模擬運算，其運算結(jié)果如下圖11所示。

所謂過程性能指數(shù)PPK[7]是公差寬度除以過程性能，其是對實時過程性能的評價或者初始過程能力的評估，它也是包含固有偏差和特殊偏差之和過程總變差的反映與評估。

在上述運算結(jié)果表中，紅色數(shù)據(jù)表示此車門間隙存在一定概率需要人工精調(diào)。通過上述兩組數(shù)據(jù)對比可知，我們在實際生產(chǎn)中應該控制過程性能指數(shù)PPK，來反映實時過程的性能，需要實時對當前樣本的不合格率進行估算。

綜上可知，鉸鏈裝配策略方案一與鉸鏈裝配策略方案三模擬運算數(shù)據(jù)均較好，然而鉸鏈裝配策略方案三是人工精調(diào)的，且車門鉸鏈安裝的兩步操作均需要定位夾具或者安裝工具。鉸鏈裝配策略方案一能夠省去大型的定位夾具或者安裝工具，員工易操作易調(diào)整，且總裝門線分裝方便；但策略方案一對車身相關(guān)區(qū)域尺寸精度要求很高，需要特殊保證。鉸鏈裝配策略方案二綜合了策略方案一與策略方案二的優(yōu)缺點，是目前汽車制造廠運用較多的車門鉸鏈裝配策略方案。

5 結(jié)論

本文詳細介紹了車門鉸鏈各種裝配策略方案并分析其優(yōu)缺點，進而對各裝配策略的控制方向以及在各個控制方向公差傳遞的累積和吸收進行了分析與探討，重點分析了三類常見車門鉸鏈的裝配尺寸鏈。以公司某車型前門中門實際尺寸匹配為例，運用VisVSA軟件模擬實際裝配過程，對基于門鉸鏈各類裝配策略的車門公差能力進行建模與分析，通過模擬運算進而量化了三類基于門鉸鏈裝配策略方案的車門公差能力。根據(jù)模擬分析得到的數(shù)據(jù)，不同汽車制造商可以根據(jù)自身的車身制造精度要求以及制造經(jīng)濟性要求，可以更為直觀地進行選擇車門鉸鏈裝配方式。

本文基于虛擬實際制造過程，量化了車門鉸鏈裝配策略方案對車門周邊間隙公差精度的影響，豐富了公司數(shù)據(jù)庫，為公司后續(xù)新產(chǎn)品的開發(fā)提供數(shù)據(jù)上的參考，從而能夠更好地實現(xiàn)新產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)健設計可靠性。每個車企都應該積極主動地運用好“尺寸虛擬分析與驗證”技術(shù)，建立起公司內(nèi)部的大數(shù)據(jù)庫，以使新產(chǎn)品尺寸設計形成尺寸鏈標準化，從而形成企業(yè)品牌的核心競爭力。

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