基于虛擬仿真尺寸偏差分析的副車架裝配孔孔徑優(yōu)化

李偉

摘 要：副車架是底盤非常重要的一個(gè)零件，怎么保證副車架順利安裝在車架上，避免車間在裝配時(shí)出現(xiàn)擋孔問(wèn)題是我們的重點(diǎn)研究方向。本文基于VSA虛擬偏差分析軟件對(duì)某車型的副車架定位裝配孔進(jìn)行研究分析，模擬10000次（或者更多）裝配結(jié)果后對(duì)不達(dá)標(biāo)項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化，減少裝配過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：副車架;定位;裝配;VisVSA;蒙特卡洛

1 前言

副車架作為底盤上的一個(gè)零件，本身會(huì)裝配發(fā)動(dòng)機(jī)、擺臂、懸架等零件，是一個(gè)非常重要的承載受力件，它對(duì)整車的噪音、震動(dòng)和不平順（Noise Vibration and Harshness，NVH）有著非常重要的影響。如果副車架與車架的裝配存在問(wèn)題，比如說(shuō)裝配孔錯(cuò)位、擋孔等，都會(huì)導(dǎo)致它們的連接可靠性降低，嚴(yán)重的情況下會(huì)因?yàn)槭艿綉?yīng)力而產(chǎn)生斷裂變形現(xiàn)象，從而產(chǎn)生安全隱患。以敝公司某車型為例：副車架裝配在前車架上，定位孔和裝配孔如圖1所示。

通常我們會(huì)用定位銷通過(guò)定位孔后保證整個(gè)副車架的位置不會(huì)移動(dòng)，然后再打緊3～6四顆螺栓，這樣副車架就完全固定在前車架上。由于存在不可避免的制造誤差和各工序的公差累積，這個(gè)時(shí)候副車架上的安裝圓孔和前車架對(duì)應(yīng)螺母往往會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)位擋孔問(wèn)題，所以在設(shè)計(jì)階段我們會(huì)把裝配孔徑放大，但是又要保證螺栓墊片的接觸面積滿足CAE的應(yīng)力分析，因此本文基于以上要求，使用VisVSA軟件對(duì)弊司某車型副車架的安裝點(diǎn)進(jìn)行研究和優(yōu)化，得出裝配孔徑大小最合適的尺寸，最大程度減少副車架安裝點(diǎn)擋孔現(xiàn)象。

2 虛擬仿真尺寸偏差分析介紹

2.1 虛擬仿真尺寸偏差分析簡(jiǎn)介

虛擬仿真尺寸偏差也叫尺寸鏈仿真分析，這是一個(gè)虛擬分析工程工具，是近幾年開始在全球各大知名主機(jī)廠（比如通用、福特、大眾等）頻繁使用的先進(jìn)技術(shù)。目前世界上使用較多的是3DCS和VisVSA兩種軟件（本文使用后者），這兩者都是通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的計(jì)算方法來(lái)模擬仿真分析和評(píng)估在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中零部件的制造偏差和裝配工藝偏差是如何影響產(chǎn)品的各種“關(guān)鍵產(chǎn)品特征（KPC）”的。

2.2 虛擬仿真尺寸偏差分析的原理

前文所說(shuō)的3DCS和VSA軟件都是利用蒙特卡洛（Monte Carlo）原理（圖2）來(lái)對(duì)總成零件進(jìn)行成千上萬(wàn)次模擬裝配，然后測(cè)量模擬裝配結(jié)果得出多組數(shù)據(jù)，再用統(tǒng)計(jì)學(xué)正態(tài)分布原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得出標(biāo)準(zhǔn)偏差（δ）、工序性能（CP）、工序能力（CPK）等關(guān)鍵指數(shù)（如圖3所示）。

2.3 虛擬仿真尺寸偏差分析的過(guò)程

以VSA軟件為例，首先要確定整個(gè)數(shù)學(xué)模型的輸入是什么？輸入分產(chǎn)品數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)兩方面，產(chǎn)生數(shù)據(jù)包括產(chǎn)品的3D幾何模型、產(chǎn)品的定位和公差、裝配約束等，工藝數(shù)據(jù)包括產(chǎn)生結(jié)構(gòu)樹（BOM）、工藝過(guò)程（BOP）、制造工裝、工藝能力等。確定了輸入后操作步驟大致如下：

1）確認(rèn)分析目標(biāo)

2）確認(rèn)相關(guān)零部件

3）定義相關(guān)特征、基準(zhǔn)、公差等

4）定義裝配順序

5）定義相關(guān)裝配關(guān)系

6）針對(duì)分析目標(biāo)定義仿真測(cè)量

7）仿真零部件制造裝配過(guò)程

8）輸出仿真結(jié)果（類似圖3的結(jié)果報(bào)告）

3 副車架定位安裝策略分析

副車架的定位策略如圖4所示，按照N-2-1定位原則，A1-A4作為主定位基準(zhǔn)面，一般在投影面積最大的面上選取N個(gè)點(diǎn)（N≥3），這樣就可以控制U/D（上/下）方向的自由度。B、C孔（B是φ16圓孔，C是16*20的槽孔）分別為副車架的主、副定位孔，控制F/A（前/后）和C/C（左/右）方向自由度，這一套定位系統(tǒng)就完全控制住了副車架的6個(gè)自由度，安裝圓孔3-6都是φ18mm的裝配過(guò)孔，用螺栓固定在車身對(duì)應(yīng)的M14螺母上。在檢具上我們使用一致的定位體系，A1-A4、B、C基準(zhǔn)都按照±0的公差，3-6裝配過(guò)孔位置度公差控制在±0.75mm，安裝面控制在±0.5mm。

在總裝車間通常我們會(huì)把副車架定位在自動(dòng)引導(dǎo)小車（AGV）上，小車和生產(chǎn)線的線速一致，AGV小車上的定位銷通過(guò)副車架B、C基準(zhǔn)孔后再通過(guò)車身上對(duì)應(yīng)的孔，保證副車架和車身位置一致，然后再打緊3-6裝配孔。

4 3D建模進(jìn)行虛擬偏差分析

4.1 確定分析目標(biāo)

在用AGV小車定位副車架到車身上后，我們需要做的就是打緊四個(gè)裝配螺栓，所有我們的目標(biāo)應(yīng)該是分析在打緊這四個(gè)螺栓的擋孔率，我們需要把這四個(gè)孔端面圓心處設(shè)置為測(cè)量點(diǎn)。

4.2 公差分配

副車架的公差我們按照GD&T（幾何尺寸及公差）圖紙來(lái)控制，查詢圖紙得知A1-A4、B、C基準(zhǔn)的公差都是0，安裝孔3-6的位置度公差都是±0.75mm，貼合面的輪廓度公差都是±0.5mm，其他的孔都不需要分析。

根據(jù)汽車行業(yè)的焊接生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，我們白車身上的副車架安裝點(diǎn)位置度公差設(shè)計(jì)值為±1.2mm，安裝貼合面輪廓度公差為±1.0mm。

4.3 建立模型

我們按照上述副車架和白車身的定位、公差策略進(jìn)行建模，把副車架和白車身的數(shù)模導(dǎo)入，然后賦予相關(guān)基準(zhǔn)、測(cè)量點(diǎn)公差，創(chuàng)建裝配過(guò)程和測(cè)量點(diǎn)要素，如圖5所示，圖5分別為模型框架、前車體、副車架的公差賦予，然后創(chuàng)建裝配步驟，把副車架裝配到前車體上（副車架和前車體的A1-A4、B、C基準(zhǔn)一一對(duì)應(yīng)），最后創(chuàng)建四個(gè)安裝孔的測(cè)量點(diǎn)要素，總的模型如圖6所示。

4.4 模擬裝配結(jié)果分析

我們對(duì)上述模型進(jìn)行10000次模擬裝配，結(jié)果如圖7所示，當(dāng)副車架上的3、4安裝孔孔徑為φ18.5mm（對(duì)應(yīng)車身M16螺母），5、6安裝孔孔徑為φ16.5mm（對(duì)應(yīng)車身M14螺母）時(shí)，從正態(tài)分布圖看出擋孔率比較高，而且過(guò)程能力指數(shù)（CPK）比較低，說(shuō)明裝配不穩(wěn)定。具體數(shù)值見表1，按照這個(gè)孔徑開發(fā)的副車架達(dá)不到我們總裝車間的裝配要求，頻繁的擋孔會(huì)導(dǎo)致無(wú)法裝配副車架而停線返修，會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

4.5 裝配孔徑優(yōu)化

我們知道正態(tài)分布圖是在工程領(lǐng)域里存在的一個(gè)非常重要的概率統(tǒng)計(jì)圖，因此在新開發(fā)項(xiàng)目中，我們對(duì)安裝孔的孔徑進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整完之后再創(chuàng)建模型模擬裝配，找到符合±3δ（99.73%）區(qū)間要求的孔徑，這樣會(huì)讓擋孔率降低到可以接受的狀態(tài)。

當(dāng)我們把安裝孔3、4設(shè)置為20.5mm，孔5、6設(shè)置為18.5mm時(shí)，這時(shí)候模擬裝配結(jié)果如圖8所示，具體數(shù)據(jù)見表2，這時(shí)候孔3、4擋孔率已經(jīng)在±3δ區(qū)間外，孔5、6也接近±3δ區(qū)間，CPK值提升較大，同時(shí)我們拿這個(gè)孔徑進(jìn)行CAE分析，結(jié)果也是滿足受力要求的，因此在新項(xiàng)目中，我們最終讓安裝孔3-6采用了表2所示的孔徑。同時(shí)從圖9的HLM報(bào)告可以看到，影響較大的前三個(gè)偏差因子都是車身上基準(zhǔn)孔、安裝孔的位置度公差，如果我們能夠把這三項(xiàng)因子繼續(xù)提升優(yōu)化，把公差控制在±1.0以內(nèi)，那么擋孔率會(huì)進(jìn)一步下降。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用VisVSA 3D虛擬偏差分析軟件能夠最大限度地在項(xiàng)目開發(fā)前期發(fā)現(xiàn)和解決各種定位、裝配問(wèn)題，在現(xiàn)在國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈的汽車行業(yè)下，能夠熟練掌握該軟件可以幫助主機(jī)廠降低研發(fā)成本、提高車型的尺寸精度，以達(dá)到消費(fèi)者的購(gòu)買期望。

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