汽車前后門裝配定位方案虛擬仿真分析

張少雄

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

汽車外觀是吸引潛在顧客進行消費選擇的重要因素，車身外觀從視覺角度可以分成前端區(qū)域、側圍四門區(qū)域、尾部區(qū)域等。其中，側圍四門是消費者視覺接觸最頻繁的區(qū)域，所以四門與周邊區(qū)域的間隙面差是整車DTS最重要組成部分。同時，四門與車身的裝配精度也會影響整車風噪聲、外觀品質、四門開閉的舒適性和順暢性等等，是衡量整車生產(chǎn)企業(yè)車身設計與制造水平的重要指標之一。四門精度控制包括側圍、鉸鏈、車門總成的零部件精度和配合，需要充分運用尺寸鏈分析方法進行裝配定位分析，不斷進行優(yōu)化，得到符合現(xiàn)有生產(chǎn)工藝水平的、能夠提高匹配精度的最優(yōu)裝配定位方案。

1 前后門的構成

普通轎車的前后門總成通過門鉸鏈與側圍進行連接，門鉸鏈普遍采用鑄造鉸鏈，包括固定部分（即鉸鏈座，固定在側圍上）、活動部分（安裝在車門上）和中心軸［1］；用該車門鉸鏈時，一般采用與車門和側圍采用螺栓連接方式［2］。

2 前后門裝配流程圖

目前主流車企四門車門的裝配均采用從后往前的方式，其裝配順序為：后門—前門—翼子板［3］。而實現(xiàn)側圍、鉸鏈、車門三者裝配的定位方式一般有兩種：

（1）鉸鏈先通過側圍工裝裝配到側圍，然后車門直接通過定位銷或定心螺栓與鉸鏈進行自定位裝配［4］，如圖1所示；

（2）鉸鏈先通過工裝或自定位裝配到車門，然后通過門工裝將帶鉸鏈的門總成裝配到車身上［5］，如圖2所示。

圖1 方案一前后門裝配定位方案

圖2 方案二前后門裝配定位方案

這兩種裝配定位方式對于以四門區(qū)域內(nèi)外間隙為閉環(huán)的裝配尺寸鏈是不一樣的，故而需要進行尺寸鏈分析對比，實現(xiàn)裝配最優(yōu)化。

3 四門裝配定位方案虛擬分析

為得到裝配優(yōu)化結果目標值，即四門裝配后內(nèi)外間隙值，傳統(tǒng)方法主要是在生產(chǎn)中進行驗證，該方法的風險主要是當無法滿足精度目標時，需要在后期進行設計方案變更，從而導致項目成本和周期的巨大風險，所以在此之前可運用三維公差分析軟件進行模擬生產(chǎn)統(tǒng)計學分析進行虛擬驗證。

本文主要討論通過三維公差分析軟件將整車數(shù)模、GD&T文件、定位裝配方案等相關信息建立起整車分析模型對四門區(qū)域的DTS在兩種裝配定位方案下進行虛擬計算。

3.1 模型基本假設

（1）模擬計算時以裝配5 000輛車為計算基礎，進行統(tǒng)計分析。

（2）所有零件公差只考慮6σ范圍。即99.73%的值落在公差范圍內(nèi)，0.27%的值在公差范圍外。

（3）所有幾何特征的公差為對稱正態(tài)分布。即公差分布位于公差帶中心。

（4）對于非對稱公差帶，推薦公差分布位于公差帶中心。

（5）不考慮手動調整。

（6）建模時所有的零部件假設都是剛體，不考慮焊接變形和回彈。

3.2 建模通用公差及輸入各零部件詳細GD&T信息

各平臺車型需要根據(jù)項目定義進行通用公差的設計。

3.3 定義四門區(qū)域DTS分析目標

四門裝配后主要關注在關閉或運動的過程中前門與后門、門與翼子板、門與側圍之間的關系是否滿足要求，以及密封條的性能能否保證。本文以裝配后的內(nèi)外間隙值波動范圍為對比的目標，對兩套裝配定位方案進行尺寸鏈分析。

運算前需要定義此次分析所需的目標區(qū)域。由于是要對比兩個方案的優(yōu)劣，故需要選取能反映前后門裝配狀態(tài)在X向、Y向、Z向變化的點。圖3所示為某車型四門各DTS區(qū)域按編號01～08測量點進行模擬分析。

圖3 某車型四門區(qū)域DTS分析目標編號

3.4 裝配工藝規(guī)劃輸入

3.4.1 整車模型中零件、總成裝配順序

裝配順序參考CATIA 3D數(shù)模中的裝配樹。

3.4.2 四門工裝的裝配工藝輸入

（1）方案一：使用側圍工裝進行四門裝配

先將鉸鏈用工裝安裝到車身上，預緊鉸鏈螺栓，定位方案如圖4、5所示［6］；再將四門按照后門-前門的順序用定心螺栓直接與鉸鏈進行緊固。

圖4 車門鉸鏈在工裝上的定位示意圖

圖5 車門鉸鏈工裝在白車身上的定位示意圖

（2）方案二：使用側圍工裝進行四門裝配

先將鉸鏈用工裝安裝到車門上，預緊鉸鏈螺栓，定位方案如圖6所示；再將四門按照后門-前門的順序用門工裝裝配到車身上。

圖6 鉸鏈在車門工裝定位示意圖

門工裝主要有內(nèi)置式和外置式兩種。本文主要分析采用內(nèi)置式門工裝的方式：其定位方案如圖7所示，前車門的定位策略與后車門一致。

圖7 內(nèi)置式門工裝示意圖

3.5 虛擬驗證結果分析

對定義好的兩套裝配定位方案的模型分別進行虛擬驗證，進行統(tǒng)計分析得到表1所示的分析結果。

表1 四門區(qū)域DTS兩套裝配方案結果

對超差部分進行統(tǒng)計分析。按照X向、Y向、Z向等分別做出對比圖。以分析兩套工裝方案對3個整車方向形成的間隙面差的不同影響。

（1）X向位置尺寸偏差分析

通過對01（前門與翼子板）、03（前門與后門）、05（后門與側圍）、07（前門框與后門框）點的GAP分析結果進行對比可得出兩套方案的X向偏差分析，如圖8～16所示。

圖8 01測點區(qū)域6σ X向偏差對比圖

圖9 05測點區(qū)域6σ X向偏差對比圖

圖10 03、07測點區(qū)域6σ X向偏差對比圖

通過圖8～10可以看出，前后門區(qū)域3處縫隙的偏差趨勢是一致的，現(xiàn)對05測點重要影響因子（組成環(huán)公差）進行詳細的分析，其中方案一的公差影響主要來源如圖11所示，方案二的公差影響主要來源如圖12所示。

圖11 方案一05測點X向間隙公差影響因子

圖12 方案二05測點X向間隙公差影響因子

由圖可知后面與側圍間隙DTS的偏差，在運用方案一側圍工裝主要影響因子有：鉸鏈工裝定位孔（側圍處）位置度和側圍間隙面輪廓度、后門外板間隙面輪廓度等；而在運用方案二門工裝的主要影響因子為：門工裝定位面輪廓度。方案二由于工裝定位面采用側圍拉沿面（面輪廓度1.0），精度比方案一采用的定位孔（位置度0.5）要差，且方案二的工裝定位面對X向縫隙靈敏度達到4.5，是造成X向間隙DTS波動最大的貢獻因子。

（2）Y向位置尺寸偏差分析

通過對01（前門與翼子板）、03（前門與后門）、05（后門與側圍）、07（前門框與后門框）點的FLUSH分析結果進行對比可得出兩套方案的Y向偏差分析，如圖13～15所示。

圖13 01測點區(qū)域6σ Y向偏差對比圖

圖14 05測點區(qū)域6σ Y向偏差對比圖

圖15 03、07測點區(qū)域6σ Y向偏差對比圖

由圖可以看出，前后門區(qū)域3處縫隙的偏差趨勢是一致的，現(xiàn)對05測點重要影響因子（組成環(huán)公差）進行詳細的分析，其中方案一的公差影響主要來源如圖16所示，方案二的公差影響主要來源如圖17所示。

圖16 方案一05測點Y向間隙公差影響因子

圖17 方案二05測點Y向間隙公差影響因子

由圖可知后門與側圍面差DTS的偏差，在運用方案一側圍工裝主要影響因子有：后門內(nèi)板包邊面輪廓度、后門外板面差面輪廓度、鉸鏈工裝定位面輪廓度等；而在運用方案二門工裝的主要影響因子為：門工裝定位面輪廓度、后門內(nèi)板包邊面輪廓度。

方案二工裝定位面采用側圍拉沿面（面輪廓度1.0），其對Y向縫隙靈敏度達到2.2，是造成Y向間隙DTS波動最大的貢獻因子，后門內(nèi)板包邊面輪廓度影響次之。而方案一最大的貢獻因子僅僅為后門內(nèi)板包邊面輪廓度，且其工裝定位面的精度更高（面輪廓度0.5）且對Y向縫隙靈敏度僅為1.2～1.4。

（3）Z向位置尺寸偏差分析

通過對02（前門與門檻）、04（后門與門檻）、06（后門框與側圍）、08（前門框與側圍）點的GAP分析結果進行對比可得出兩套方案的Z向偏差分析，如圖18～21所示。

圖18 02測點區(qū)域6σ Z向偏差對比圖

圖19 08測點區(qū)域6σ Z向偏差對比圖

圖20 04測點區(qū)域6σ Z向偏差對比圖

圖21 06測點區(qū)域6σ Z向偏差對比圖

由圖可以看出，前后門區(qū)域3處縫隙的偏差趨勢是一致的，現(xiàn)對04測點（后門與門檻）重要影響因子（組成環(huán)公差）進行詳細分析，其中方案一的公差影響主要來源如圖22所示，方案二的公差影響主要來源如圖23所示。

圖22 方案一04測點Z向間隙公差影響因子

圖23 方案二04測點Z向間隙公差影響因子

由圖可知后門與側圍門檻間隙DTS的偏差，在運用方案一側圍工裝主要影響因子有：后鉸鏈工裝定位孔（側圍處）位置度、側圍間隙面輪廓度、后門外板間隙邊輪廓度；而在運用方案二門工裝的主要影響因子為：門工裝定位面輪廓度、后門內(nèi)板包邊面輪廓度。

方案二工裝定位面采用側圍拉沿面（面輪廓度1.0），精度比方案一采用的定位孔（位置度0.5）要差，且其對Z向縫隙靈敏度達到2.2，是造成Z向間隙DTS波動最大的貢獻因子。

3.6 模擬分析結果總結

3.6.1 采用門工裝分析結果總結

（1）X向工裝定位面對X向縫隙靈敏度為4.5，即當側圍拉沿面（面輪廓度1.0），有效公差達到4.5，直接影響四門區(qū)域的間隙面差DTS偏差。

（2）Y向工裝定位面對Y向縫隙靈敏度為2.2，即當側圍拉沿面（面輪廓度1.0），有效公差達到2.2，直接影響四門區(qū)域的間隙面差DTS偏差。

（3）Y向工裝定位面對Z向縫隙靈敏度為2.2，即當側圍拉沿面（面輪廓度1.0），有效公差達到2.2，直接影響四門區(qū)域的間隙面差DTS偏差。

3.6.2 采用側圍工裝分析結果總結

（1）前后門上下鉸鏈同時通過工裝定位裝配到側圍上，再通過定心螺栓裝配四門。

（2）X向受工裝定位孔（側圍處）位置度影響最大，定位孔精度較高（位置度0.5），有效公差也僅為1.2，相比上述門工裝方案對四門區(qū)域的間隙面差DTS偏差影響更小。

（3）Y向由于采用鉸鏈定心螺栓，最大的貢獻因子為后門內(nèi)板包邊面輪廓度，工裝定位面面輪廓度次之，精度更高（面輪廓度0.5），且對Y向縫隙靈敏度僅為1.2～1.4，相比上述門工裝方案對四門區(qū)域的間隙面差DTS偏差影響更小。

（4） Z向受定位鉸鏈工裝定位孔（側圍處）位置度影響最大，定位孔精度較高（位置度0.5），有效公差也僅為1.1，相比上述門工裝方案對四門區(qū)域的間隙面差DTS偏差影響更小。

4 結束語

四門裝配質量由于車門安裝過程涉及工位多、零部件類型繁雜，其裝配質量的有效控制一直是個難點。為提高乘用車車門裝配質量，需要在對體現(xiàn)制造精度控制的車門、白車身、鉸鏈GD&T文件和四門裝配定位方式通過三維尺寸分析軟件將整車數(shù)模、GD&T文件等相關信息建立起整車分析模型后，虛擬計算得到四門內(nèi)外間隙分析結果，并進行對比得到如下設計總結。

（1）采用車門內(nèi)工裝時，定位均采用側圍門洞拉沿面，一般X向存在1～2個定位面、Y向3～4個定位面、Z向1～2個定位面［7］。

（2）采用車門內(nèi)工裝時，定位面直接影響四門區(qū)域X向、Y向、Z向的間隙面差。

（3）采用側圍工裝時，前后門上下鉸鏈同時通過工裝定位裝配到側圍上，再通過定心螺栓裝配四門。

（4）采用側圍工裝時，鉸鏈工裝定位孔（側圍處）位置度直接影響四門區(qū)域X向/Z向的間隙面差；后門內(nèi)板包邊面輪廓度直接影響四門區(qū)域Y向的間隙面差［8］。

（5）不同的裝配定位方案，造成偏差的影響貢獻因子和靈敏度都是不同，無論采用哪種方案，都需要對各個方案的定位孔位置、定位面分布進行詳細的分析，降低公差較大的影響因子對DTS偏差的靈敏度。