基于VisVSA的底盤公差分析方法研究

劉德柱，王海，郭永奇

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基于VisVSA的底盤公差分析方法研究

劉德柱，王海，郭永奇

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

底盤尺寸公差已經(jīng)被主機(jī)廠列為影響整車性能重要因素之一，例如底盤研發(fā)過程中四輪定位參數(shù)對整車性能影響，影響四輪定位參數(shù)的底盤公差包括若干因素，因此需要基于VisVSA進(jìn)行底盤尺寸鏈建模仿真分析，建模主要包括工裝時的裝配公差、零部件的尺寸公差以及位置公差等。仿真分析方法主要是Monte-Carlo模擬法，即隨機(jī)抽樣技術(shù)或統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，是在一種通過隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)、隨機(jī)模擬來求解數(shù)學(xué)物理、工程技術(shù)難題近似解的數(shù)值方法，從而找出最大貢獻(xiàn)因子，即造成超差的只要公差帶，提出合理解決方案及相應(yīng)整改措施，達(dá)到縮短制造周期、降低成本的目的。

VisVSA；底盤公差；建模仿真；四輪定位參數(shù)

1 引言

VisVSA是一個公差分析和優(yōu)化的軟件，屬于Teamcenter Visualization Mockup的一個接插件。它通過對產(chǎn)品安裝工藝的三維建模和數(shù)理統(tǒng)計(jì)仿真來分析和優(yōu)化系統(tǒng)里的制造偏差和定位安裝方案，預(yù)測一個設(shè)計(jì)是否能夠滿足其關(guān)鍵的尺寸要求，并給出影響該尺寸的貢獻(xiàn)因子。VisVSA提供了一個產(chǎn)品尺寸質(zhì)量管理的聚焦平臺。在這個平臺上產(chǎn)品工程師，工藝工程師，和制造工程師等相互合作共同對產(chǎn)品的尺寸質(zhì)量和公差進(jìn)行分析和優(yōu)化。

底盤尺寸鏈公差現(xiàn)已應(yīng)用于底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)以及相關(guān)間隙校核。針對于懸架系統(tǒng)主要包括工裝、前橋、車身、減振器、轉(zhuǎn)向機(jī)、橫拉桿以及輪邊總成等相關(guān)零部件間的裝配公差。目前，基于VisVSA的底盤尺寸鏈公差仿真分析基本流程如圖1。

圖1 底盤尺寸公差仿真基本流程

2 建模及仿真分析方法

2.1 建模方法

基于VisVSA的底盤尺寸鏈公差建模，首先最重要的一點(diǎn)是其只能識別jt格式的文件數(shù)據(jù)，通過某相關(guān)軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，把各個零部件導(dǎo)入到同一個Pocess總成下進(jìn)行裝配，具體操作步驟詳見圖2所示。

圖2 建模操作流程

2.2 仿真分析方法

本文主要針對底盤懸架系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，也就是底盤懸架系統(tǒng)對四輪定位參數(shù)的影響，基于VisVSA仿真分析方法如表1。

表1 基于VisVSA的仿真方法

方法1極值法也稱為極限法，即算出相應(yīng)零部件間的最大間隙和最小間隙，又稱代數(shù)和法（也稱最壞法和最惡法），是指尺寸鏈中所有尺寸同時處于最大的偏差值時的公差分析方法。極值法運(yùn)算簡單、計(jì)算量小，應(yīng)用范圍廣泛，在應(yīng)用時無需要考慮零件尺寸在公差帶內(nèi)的分布情況，并且能夠保證零件裝配成功率和互換性為100％，也就是構(gòu)建成閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行公差累積計(jì)算的一種方法，但是實(shí)際生產(chǎn)中不會出現(xiàn)加工出來的零件尺寸同時出入極值狀態(tài)，因而采用極值法進(jìn)行設(shè)計(jì)時太過于保守，常常會導(dǎo)致加工成本增加用于極限校核。方法2統(tǒng)計(jì)公差法是指以統(tǒng)計(jì)分布的形式描述零件尺寸的變化，并通過計(jì)算得出零件的制造能力和裝配函數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布，主要適用于單件或總成的公差基準(zhǔn)。方法3Monte- Carlo模擬法，即隨機(jī)抽樣技術(shù)或統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，是在一種通過隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)、隨機(jī)模擬來求解數(shù)學(xué)物理、工程技術(shù)難題近似解的數(shù)值方法。它可應(yīng)用于解決一般式或者實(shí)驗(yàn)分析法解決不了的復(fù)雜問題，被廣泛應(yīng)用于三維商業(yè)軟件中，VSA就是基于Monte-Carlo模擬法的分析軟件。

3 底盤懸架系統(tǒng)尺寸鏈公差分析

3.1 懸架系統(tǒng)建模

3.1.1車身模型搭建

車身模型搭建在懸架系統(tǒng)中占據(jù)主體部分，其與工裝、副車架均有裝配精度要求，因此車身與底盤相對特征的安裝直接影響到定位精度，從而導(dǎo)致車輪外傾角及后傾角超差。

車身是一個龐大的建模系統(tǒng)，因此需要簡化建模，只需要了解車身與工裝、副車架之間的定位孔精度要求以及平面度，通過采用普通裝配方式進(jìn)行建模即可，詳見圖3表示車身模型。

圖3 車身模型

3.1.2副車架模型

副車架是底盤懸架系統(tǒng)公差模型中重要組成部分之一，其與車身、工裝定位安裝，并且與擺臂、轉(zhuǎn)向機(jī)裝配。因此需要建立一系列相對應(yīng)的公差特征予以裝配，裝配過程中應(yīng)遵循321定位原則，圖4為副車架模型，每個定位基準(zhǔn)尺寸公差以及形位公差，即GD&T均來自圖紙標(biāo)注。

圖4 副車架模型

3.1.3擺臂模型

擺臂是通過襯套和副車架定位孔進(jìn)行裝配，但是橡膠襯套這種特殊零件，底盤尺寸公差特征不予考慮，只需要通過相應(yīng)的一些特殊裝配來進(jìn)行轉(zhuǎn)化，例如運(yùn)動裝配。擺臂建模是通過兩個定位孔與副車架進(jìn)行裝配，擺臂外點(diǎn)與轉(zhuǎn)向節(jié)裝配需要格外注意一下，其結(jié)構(gòu)是萬向節(jié)原理。因此，此裝配需要添加運(yùn)動裝配，方可實(shí)現(xiàn)兩零部件間的相對運(yùn)動。

圖5 擺臂模型

3.1.4轉(zhuǎn)向節(jié)模型

轉(zhuǎn)向節(jié)模型搭建相對于其他模型要復(fù)雜的多，與其連接的零部件公差特征復(fù)雜化，并且基準(zhǔn)較多，形位公差自然而然接踵而來，裝配過程中的約束形式也是多元化。

1.2.1 觀察子宮收縮通過觸診法或胎兒電子監(jiān)護(hù)儀,對子宮收縮進(jìn)行觀察。其中觸診法指的是在產(chǎn)婦腹壁的宮底部直接用手檢查,宮縮時子宮體部隆起變硬、間歇期則松弛變軟,應(yīng)注意觀察,并將子宮收縮的持續(xù)時間、強(qiáng)度及間歇時間記錄下來,其方法為持續(xù)時間/間歇時間,如宮縮持續(xù)時間50 s,間隔約3~4 min時,記為50 s/3~4 min[2]。采用胎兒電子監(jiān)護(hù)儀監(jiān)測時,可清晰的記錄下宮縮曲線,明確宮縮強(qiáng)度、頻率及持續(xù)時間,并可客觀且全面的展現(xiàn)宮縮情況,其方法為在宮體接近宮底部置入壓力探頭,在孕婦腹壁固定窄腹帶,連續(xù)描記曲線20~30 min。

轉(zhuǎn)向節(jié)上端與減振器下端進(jìn)行定位孔及安裝面裝配，采用普通裝配無特殊裝配形式，相對簡單化。轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)點(diǎn)與轉(zhuǎn)向橫拉桿進(jìn)行裝配，兩零部件間有相對運(yùn)動，因此裝配形式采用運(yùn)動裝配。其次，轉(zhuǎn)向節(jié)與擺臂外點(diǎn)有相對轉(zhuǎn)動，所以轉(zhuǎn)向節(jié)下端與擺臂外點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動裝配，即建立點(diǎn)與點(diǎn)間的約束。最后添加輪跳行程，底盤尺寸公差仿真分析對整車性能影響是基于VisVSA動態(tài)仿真分析方法，因此，需要依據(jù)實(shí)車狀態(tài)輸入輪跳行程并建立相關(guān)特征要求，詳見圖6轉(zhuǎn)向節(jié)模型。

圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)模型

3.1.5減振器模型

圖7 減振器模型

減振器模型由于減振器行程原因，因此將其拆解為減振器上筒和下筒，通過銷特征和孔特征將兩者進(jìn)行運(yùn)動裝配。減振器上筒與車身進(jìn)行安裝，減振器下筒與轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行定位安裝，圖6為減振器模型搭建示意圖，相對于簡單化。

3.1.6轉(zhuǎn)向機(jī)模型

轉(zhuǎn)向機(jī)模型主要與副車架之間裝配，通過一個圓孔和兩個平面定位安裝，但轉(zhuǎn)向機(jī)需拆解為內(nèi)部齒條和外部殼體兩部分，由于齒條具有運(yùn)動行程，因此齒條和轉(zhuǎn)向機(jī)殼體為運(yùn)動裝配。齒條左端與橫拉桿右端連接，帶動轉(zhuǎn)向橫拉桿運(yùn)動與轉(zhuǎn)向節(jié)間的相對轉(zhuǎn)動。

圖8 轉(zhuǎn)向機(jī)模型

3.1.7懸架系統(tǒng)整體裝配

由于汽車懸架模型具有左右對稱性，所以一般采取單邊建立裝配關(guān)系。整個裝配過程嚴(yán)格按照生產(chǎn)線裝配流程順序進(jìn)行，裝配過程中包括普通裝配，例如面面約束，銷孔約束；還包括一些運(yùn)動裝配，即點(diǎn)點(diǎn)約束等，需要保證整個懸架系統(tǒng)是一個完全約束狀態(tài)，圖9為懸架系統(tǒng)整體裝配模型。

圖9 懸架系統(tǒng)整體裝配模型

最后把四輪定位參數(shù)作為測量目標(biāo)，包括前束角、外傾角和主銷后傾角。其均是由線與坐標(biāo)軸之間的夾角投影在不同平面內(nèi)進(jìn)行測量并與目標(biāo)值做對比。

3.2 車輪外傾角仿真分析

表2 某車型底盤懸架系統(tǒng)公差組成

前輪外傾角與前束角不同，其沒有調(diào)整裝置，完全靠零部件間的精度來保證的，所以較容易出現(xiàn)問題，因此著重分析一下前輪外傾角。表2為某車型構(gòu)成底盤懸架系統(tǒng)尺寸鏈公差的組成部分。

圖10 外傾角公差分布圖

圖10為外傾角公差分布圖，可知車輪外傾角沒有超差現(xiàn)在，并且Cp和CpK大1，滿足較好的工藝能力和制造能力。

圖11 外傾角貢獻(xiàn)因子

由圖11外傾角貢獻(xiàn)因子可知，貢獻(xiàn)因子排列順序以及占比情況，具體情況如表3車輪外傾角貢獻(xiàn)因子排序。

由表3車輪外傾角貢獻(xiàn)因子排序可知，車輪外傾角仿真分析結(jié)果為-19.272′和+19.266′，滿足車輪外傾角的目標(biāo)值。

表3 車輪外傾角貢獻(xiàn)因子排序

4 主要結(jié)論

本文結(jié)合客觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析以及多體動力學(xué)仿真分析相對比，針對實(shí)際解決四輪定位參數(shù)問題，將虛擬仿真與實(shí)際結(jié)合對比，驗(yàn)證仿真精度，并且運(yùn)用到問題的查找和解決當(dāng)中，通過分析和驗(yàn)證得到如下結(jié)論：

（1）基于VisVSA底盤懸架系統(tǒng)的四輪定位問題，進(jìn)行了相關(guān)模型搭建及三維公差仿真分析，其能達(dá)到較高的精度要求，并且能夠滿足實(shí)際工作要求。

（2）通過三維仿真分析準(zhǔn)確地獲得目標(biāo)測量的主要貢獻(xiàn)因子，從零部件的基本尺寸公差與零部件間的裝配，為后期的質(zhì)量把控以及設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

（3）從前期開發(fā)到整車量產(chǎn)過程，拓展工作范圍，從而解決后期問題并對前期問題進(jìn)行把控，縮短制造周期和減少成本投入。

[1] 耶爾森.賴姆帕爾著.張洪欣,余卓平譯.汽車底盤基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)普及出版社,1992.

[2] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（下冊）[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3] 朱俊.三維公差分析在解決四輪定位問題中的應(yīng)用[J],上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心.上海2018,04.

Research on Chassis Tolerance Analysis Method Based on VisVSA

Liu Dezhu, Wang Hai, Guo Yongqi

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Chassis dimension tolerance has been listed as one of the important factors affecting vehicle performance by the main engine factory. For example, the chassis tolerance which affects the four-wheel positioning parameters in the process of chassis development includes several factors. Therefore, it is necessary to carry out chassis dimension chain modeling and simulation analysis based on VisVSA. The modeling mainly includes assembly tolerance during tooling and dimension tolerance of parts. And position tolerance. The simulation analysis method is mainly Monte-Carlo simulation method, i.e. random sampling technique or statistical experiment method. It is a numerical method to solve approximate solutions of mathematical physics and engineering technical problems through statistical experiments and random simulation of random variables, so as to find out the greatest contributing factor, that is, if the tolerance zone is the only one that causes the excess tolerance, and put forward reasonable solutions and corresponding rectification measures, so as to achieve the goal. To shor -ten the manufacturing cycle and reduce the cost.

VisVSA;Chassis tolerances;Modeling and Simulation;Four-wheel alignment parameters

U463

A

1671-7988(2019)07-89-04

劉德柱，碩士研究生，就職于華晨汽車工程研究院，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈妆P設(shè)計(jì)及仿真分析。

U463

A

1671-7988(2019)07-89-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.030