基于3DCS和尺寸工程的凸輪軸啟動(dòng)扭矩過(guò)載模型的建立與分析

趙紅波，施金彪，李明杰，陳達(dá)人

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201206)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸裝配干涉問(wèn)題一直是企業(yè)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸裝配過(guò)程中，凸輪軸和罩蓋以及瓦蓋之間的間隙控制非常重要，間隙過(guò)大或過(guò)小都可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障。因此，企業(yè)會(huì)設(shè)立檢測(cè)工位對(duì)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩的檢測(cè)，如果轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩過(guò)大，則可能是凸輪軸裝配過(guò)程中存在干涉。通過(guò)實(shí)際的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，部分發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了凸輪軸裝配干涉及卡滯現(xiàn)象。為此利用三維偏差分析軟件3DCS建立凸輪軸裝配偏差分析模型，通過(guò)蒙特卡洛模擬仿真，得出影響凸輪軸裝配干涉的貢獻(xiàn)因子，并依據(jù)探索出的優(yōu)化方法對(duì)偏差模型進(jìn)行優(yōu)化，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸裝配干涉的卡滯問(wèn)題。

1 建立凸輪軸偏差分析模型

1.1 創(chuàng)建凸輪軸偏差分析模型裝配流程

在創(chuàng)建凸輪軸偏差分析模型中，會(huì)依據(jù)凸輪軸實(shí)際的裝配工藝來(lái)完成偏差模型中對(duì)應(yīng)零件的裝配(如圖1所示)。油泵凸輪、排氣側(cè)第一缸、二缸、三缸、四缸凸輪與排氣側(cè)光軸采用兩點(diǎn)裝配(3DCS_Two_Point)。同理，進(jìn)氣側(cè)一、二缸凸輪，進(jìn)氣側(cè)三、四缸凸輪與進(jìn)氣側(cè)光軸也采用兩點(diǎn)裝配，而進(jìn)/排氣側(cè)瓦蓋與罩蓋采用“3-2-1”裝配(一面兩銷)進(jìn)/排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋采用3DCS_Pattern_Rigid裝配，而圖2是3DCS偏差模型中對(duì)應(yīng)的裝配流程。

圖1 凸輪軸實(shí)際裝配流程

圖2 3DCS中凸輪軸裝配流程

1.2 添加凸輪軸偏差分析模型公差

依據(jù)零部件的GD&T圖紙，將對(duì)應(yīng)的公差輸入偏差分析模型中，零件GD&T公差如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸裝配零部件尺寸及形位公差(單位：mm)

1.3 創(chuàng)建測(cè)量

創(chuàng)建完成凸輪軸偏差分析的裝配(Move)、和零部件公差輸入(Tolerance)后，需要建立分析目標(biāo)，即創(chuàng)建測(cè)量(Measure)。圖3為凸輪軸偏差分析模型測(cè)量的創(chuàng)建過(guò)程。通過(guò)創(chuàng)建進(jìn)/排氣側(cè)凸輪軸在裝配過(guò)程中失效的次數(shù)來(lái)表征實(shí)際裝配過(guò)程中凸輪軸的干涉或卡滯。

圖3 凸輪軸偏差分析模型測(cè)量

1.4 實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采集凸輪軸偏差分析模型中零件的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)后，首先需要對(duì)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，然后利用統(tǒng)計(jì)工具(SPSS(Statistical Product and Service Solutions))對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，最后將實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)迭代回凸輪軸偏差分析模型，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與凸輪軸偏差分析模型關(guān)聯(lián)的閉環(huán)分析。在此次閉環(huán)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)中使用3DCS_SMP的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)形式。在凸輪軸偏差分析模型中需要統(tǒng)計(jì)分析的公差為58個(gè)，圖4列舉了罩蓋小端尺寸公差的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果不能——枚舉)。

圖4 罩蓋排氣側(cè)凸輪軸小端安裝點(diǎn)尺寸公差

從對(duì)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可知，大部分零件公差的樣本數(shù)據(jù)近似服從正態(tài)分布，但某些零件的分析結(jié)果呈現(xiàn)雙峰分布或偏態(tài)分布，這些因素會(huì)對(duì)閉環(huán)偏差分析的結(jié)果帶來(lái)一定的誤差。

2 凸輪軸偏差分析模型仿真分析

2.1 凸輪軸偏差分析模型分析流程

創(chuàng)建完凸輪軸偏差分析模型后，利用3DCS的蒙特卡洛模擬獲得基于GD&T公差輸入的仿真結(jié)果，同時(shí)，將實(shí)際零件的測(cè)量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)凸輪軸偏差分析模型，進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證。根據(jù)模擬仿真的分析結(jié)果，對(duì)凸輪軸偏差模型進(jìn)行優(yōu)化，圖5是凸輪軸偏差模型仿真分析流程。3DCS建模仿真的假設(shè)條件是：1. 模型中所有尺寸單位為mm；2. 統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果基于2 000次迭代仿真計(jì)算；3. 根據(jù)產(chǎn)品特性，本次分析假設(shè)零件為剛體，不考慮零件變形；4. 設(shè)計(jì)公差值能夠合理地代表實(shí)際生產(chǎn)能力；5. 除非特別說(shuō)明，所有零件工程圖紙上的公差值均呈現(xiàn)正態(tài)分布，其生產(chǎn)工藝能力指數(shù)CPK≥1.0；6.GD&T中有PQC(Product Quality Characteristic)要求的公差按±6Sigma輸入；7. 不考慮裝配力、熱膨脹、重力對(duì)偏差分析模型的影響。

圖5 3DCS凸輪軸偏差模型仿真分析流程

2.2 凸輪軸偏差分析模型分析結(jié)果

在發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸偏差分析模型中，進(jìn)/排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋采取Pattern Rigid這種裝配方式。在每一次進(jìn)/排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋的裝配中，凸輪軸會(huì)調(diào)整位置來(lái)滿足與孔的裝配，但由于零件公差的影響，并不是每一次都能進(jìn)行裝配，不能裝配的則記為失效一次。因此在分析中，重點(diǎn)研究進(jìn)/排氣側(cè)凸輪軸與孔裝配失效的次數(shù)以及采取相應(yīng)的優(yōu)化措施來(lái)減少凸輪軸與孔裝配失效的次數(shù)。圖6是3DCS中Pattern Rigid裝配示意圖。

圖6 Pattern Rigid裝配示意圖

根據(jù)分析結(jié)果顯示，進(jìn)/排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋采用Pattern Rigid裝配后，排氣側(cè)凸輪軸基于GD&T公差輸入和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)迭代模型裝配失效的次數(shù)為240和173次，失效率為12.05%和8.75%，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)迭代回偏差模型的分析結(jié)果優(yōu)于公差GD&T輸入的分析結(jié)果；進(jìn)氣側(cè)凸輪軸基于GD&T公差輸入和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)迭代模型的失效率分別是0.05%，0.1%，滿足設(shè)計(jì)要求，兩種模式下凸輪軸裝配失效的分析結(jié)果對(duì)比如表2和圖7所示。

表2 GD&T輸入、測(cè)量數(shù)據(jù)迭代回偏差分析模型，進(jìn)/排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋及瓦蓋裝配失效分析

3 凸輪軸偏差分析模型優(yōu)化

由上可知，排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋裝配失效率較高(12.05%)，根據(jù)3DCS 的敏感度分析結(jié)果顯示：產(chǎn)生干涉的主要貢獻(xiàn)因子為進(jìn)/排氣側(cè)的凸輪軸與罩蓋裝配時(shí)的孔銷浮動(dòng)，以及3 個(gè)瓦蓋和罩蓋裝配的孔銷浮動(dòng)，如表3和表4所示。結(jié)合導(dǎo)致裝配失效的貢獻(xiàn)因子和實(shí)際的加工裝配工藝進(jìn)行探究后，對(duì)凸輪軸偏差分析模型進(jìn)行了優(yōu)化。本文提出的優(yōu)化方案有二：其一，增加排氣側(cè)瓦蓋和罩蓋形成的孔徑值；其二，提高排氣側(cè)瓦蓋和罩蓋的裝配精度。

表3 排氣側(cè)凸輪與罩蓋和瓦蓋干涉分析列表

表4 進(jìn)氣側(cè)凸輪與罩蓋和瓦蓋干涉分析列表

針對(duì)增加排氣側(cè)瓦蓋和罩蓋形成的孔徑值的具體過(guò)程是：將排氣側(cè)瓦蓋和罩蓋形成的孔徑分別增加0.02(孔徑?27.562改為?27.582)和0.03(孔徑?27.562改為?27.592)后，獲得偏差分析結(jié)果，如表5和圖8所示。而對(duì)于提高瓦蓋和罩蓋裝配精度的過(guò)程是：在偏差模型中取消瓦蓋和罩蓋裝配的孔銷浮動(dòng)，即在零件的實(shí)際制造過(guò)程中，提高零件的加工裝配精度。分析結(jié)果如表6和圖9所示。

圖8 增加孔徑值排氣側(cè)裝配失效對(duì)比

表5 排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋裝配失效結(jié)果對(duì)比(優(yōu)化方案一)

表6 排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋裝配失效結(jié)果對(duì)比(優(yōu)化方案二)

圖9 提高瓦蓋和罩蓋裝配精度排氣側(cè)裝配失效對(duì)比

4 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸裝配干涉問(wèn)題是整車裝配中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，凸輪軸和罩蓋、瓦蓋之間間隙控制非常關(guān)鍵，間隙過(guò)大或過(guò)小均可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障。本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸裝配的研究難點(diǎn)、裝配順序以及工藝過(guò)程進(jìn)行梳理，利用3DCS建立偏差分析模型，結(jié)合裝配失效的貢獻(xiàn)因子和實(shí)際加工以及裝配工藝探究得到兩個(gè)可行的優(yōu)化方法：

(1)增加排氣側(cè)瓦蓋和罩蓋形成的孔徑值，當(dāng)孔徑增加0.02 mm后，失效率為0.45%；增加0.03 mm后，失效率為0.05%。排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋裝配失效的失效率顯著降低。

(2)提高排氣側(cè)瓦蓋和罩蓋的裝配精度，此方案也有利于降低裝配失效次數(shù)，但失效率相較于方案一仍然較高，達(dá)到4.5%。

由此得出結(jié)論，減小排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋形成的孔徑間的孔銷浮動(dòng)更有利于降低凸輪軸干涉；并依此對(duì)凸輪軸偏差分析模型進(jìn)行優(yōu)化后，有效解決了發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸裝配異響卡滯的問(wèn)題。