基于尺寸工程解決駕駛室裝配歪斜問題

蘇戰(zhàn)波

（陜西重型汽車有限公司，西安710200）

1 前言

尺寸工程通常是指應(yīng)用尺寸鏈分析或公差虛擬仿真技術(shù)對(duì)尺寸設(shè)計(jì)和尺寸要求進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)防的一系列活動(dòng)。因及時(shí)發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)前期的不合理設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)變更導(dǎo)致的成本增加；減少因質(zhì)量問題引起的返修，縮短生產(chǎn)工時(shí)；有效控制產(chǎn)品的制造和裝配過程，提高裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率；促進(jìn)生產(chǎn)過程中的一致性與可靠性在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。

2 問題描述

某新款載貨車開發(fā)過程中駕駛室與底盤裝配后出現(xiàn)駕駛室后端明顯歪斜現(xiàn)象，駕駛室鎖止機(jī)構(gòu)與底盤后懸置出現(xiàn)干涉，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

分別以左、右縱梁腹面為基準(zhǔn)面，實(shí)測駕駛室后端左偏正增量。右偏負(fù)增量（向左偏），駕駛室后端總體向左偏移?，F(xiàn)場查看駕駛室裝配無明顯磕碰、裝配錯(cuò)位，對(duì)相關(guān)零部件尺寸測量符合設(shè)計(jì)要求，排除零部件質(zhì)量問題。

3 問題分析

駕駛室前懸裝配由左/右前懸下支座、首橫梁、左/右前懸支座、左右縱梁、左右前伸梁、M14螺栓等組成，前懸裝配關(guān)系如圖1示。駕駛室后懸置裝配由后懸支架、主減振器及橫向減振器、左右縱梁、鎖止、螺栓組成，如圖2所示。

圖1 前懸裝配關(guān)系

圖2 駕駛室后端歪斜

以左、右縱梁為基準(zhǔn)面建立整車坐標(biāo)系，用便攜式三坐標(biāo)對(duì)駕駛室偏移量進(jìn)行測量。保持駕駛室前懸置處螺栓擰緊固定，駕駛室后端用鋼絲繩吊起鎖止與后懸置脫離，為自由狀態(tài)不受減振彈簧約束，測量端面相對(duì)于車架中心面的Y向左、右距離。經(jīng)查駕駛室在Y向中心設(shè)計(jì)值為681.856 mm。測量10次取均值，尺寸差值A(chǔ)1=708.977 mm(左偏)，A2=666.852 mm(左偏)，經(jīng)計(jì)算，駕駛室中心總左偏量為21.063 mm。

左/右前懸支座與底盤前懸置在O點(diǎn)通過銷軸聯(lián)結(jié)，駕駛室繞O點(diǎn)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。駕駛室后端明顯歪向左側(cè)，當(dāng)駕駛室繞前懸下支座和前懸支座裝配中心孔O向前翻起后，駕駛室后端升起向左歪斜量變大，初步認(rèn)為駕駛室歪斜和底盤前懸相關(guān)性較大，駕駛室歪斜問題應(yīng)該是前懸裝配累計(jì)誤差造成。前懸置裝配功能尺寸公差如表1所示。

表1 前懸置裝配功能尺寸

前懸裝配關(guān)系分析，在X向其裝配尺寸鏈由直線尺寸部分的基本尺寸鏈T和前懸下支座擺動(dòng)部分的派生尺寸鏈γ構(gòu)成，前懸下支座擺動(dòng)部分的派生尺寸鏈γ由派生尺寸鏈γ1和派生尺寸鏈γ2疊加構(gòu)成[2]。

3.1 基本尺寸鏈分析

沿X向建立封閉的基本尺寸鏈T，裝配基本尺寸鏈關(guān)系如圖3所示，前懸下支座AB區(qū)T1，前懸下支座BC區(qū)T2，孔距、前伸梁CD區(qū)T3，孔距、縱梁DE區(qū)T4，孔距、前伸梁與前懸下支座裝配單邊栓孔間隙T5，前伸梁與縱梁裝配單邊栓孔間隙T6的極限偏差分別為T1±0.2 mm、T2±0.5 mm、T3±0.5 mm、T4±0.4 mm、T5±0.5 mm、T6±0.5 mm。

圖3 裝配基本尺寸鏈關(guān)系

在批量生產(chǎn)中，零件的實(shí)際尺寸是隨機(jī)分布的，多數(shù)情況下可考慮成正態(tài)分布或偏態(tài)分布，中間偏差與平均偏差相等。根據(jù)馮蘊(yùn)雯等人的研究[3]，通過概率算法計(jì)算栓孔裝配間隙對(duì)設(shè)計(jì)值發(fā)生的概率為：該前伸梁與前懸下支座為4個(gè)螺栓群聯(lián)接，間隙小于設(shè)計(jì)值的概率約為3.83%，發(fā)生概率非常大，需考慮栓孔間隙的影響。該前伸梁與車架縱梁聯(lián)接為11個(gè)螺栓群的間隙小于設(shè)計(jì)值的概率為1.65×10-8，遠(yuǎn)低于6σ水準(zhǔn)，栓孔間隙小于設(shè)計(jì)值的概率非常小，可以忽略，認(rèn)為螺栓群的間隙等于設(shè)計(jì)值給定的。

用概率法將尺寸鏈中的各個(gè)尺寸公差疊加分析，概率法求公差，見公式（1）。

式中，n為尺寸鏈中公差個(gè)數(shù)；i為第i個(gè)；T0為X向公差累積，經(jīng)計(jì)算T0=1.50 mm。

極限偏差計(jì)算見公式（2）。

式中，t為栓孔間隙；T5為前伸梁與前懸下支座裝配單邊栓孔間隙；ES為上極限偏差，經(jīng)計(jì)算，ES=1.25 mm；EI為下極限偏差，經(jīng)計(jì)算，EI=1.25 mm。

在X向前懸裝配后，直線尺寸極限偏差為±1.25 mm，極限偏差T=2.50 mm，也就是說在X方向極限偏移量T=2.50 mm。

3.2 派生尺寸鏈分析計(jì)算

3.2.1 前懸下支座與前伸梁

前懸下支座為偏心結(jié)構(gòu)，與前伸梁在X向投影構(gòu)成派生尺寸鏈γ1，與車架聯(lián)接部分有擺動(dòng)趨勢，在X向投影派生尺寸鏈γ2。前懸下支座擺動(dòng)部分的派生尺寸鏈γ由派生尺寸鏈γ1和派生尺寸鏈γ2疊加。前懸下支座與前伸梁孔徑φ15 mm的孔徑用M14螺栓連結(jié)，重合部分單邊栓孔間隙T5為±0.5 mm。前懸下支座受力向左時(shí)，上排螺栓孔中心向左偏，下排孔中心向右偏，建立微三角模型如圖4所示，尺寸J為栓孔間隙t，前懸下支座、前伸梁的孔距極限偏差分別為γ11、γ12，孔徑極限偏差γ13、γ14疊加，尺寸L由孔距及其孔距極限偏差疊加。當(dāng)J與L形成的直角三角形正切角最大時(shí)，前懸下支座向后擺動(dòng)量最大，即前懸下支座在X向投影的偏移量最大。

圖4 前伸梁與前懸下支座派生尺寸鏈

參照表3尺寸數(shù)據(jù)，按概率法計(jì)算栓孔間隙見公式（3）。

式中，t為栓孔間隙，T0為X向公差累積，J為X向最大極限偏差。

經(jīng)計(jì)算，L=108.88 mm，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，前懸下支座翻轉(zhuǎn)中心與其下端螺栓孔距離為349 mm±0.5 mm，偏轉(zhuǎn)角度最大時(shí)取值349.5°。按照三角比例，則向后偏移量經(jīng)計(jì)算為5.14 mm。前懸下支座左右都可能擺動(dòng)，則偏移γ1=10.28 mm，即前懸下支座與前伸梁在Y向投影的偏移γ1為10.28 mm。

以上分析可知，對(duì)X向極差“貢獻(xiàn)”突出的為前懸下支座與前伸梁裝配孔位間隙、孔距公差、孔徑公差。

3.3 駕駛室歪斜問題

駕駛室與底盤裝配連接方式為可分別簡化為A1、A2、B2、B14點(diǎn)，如圖5所示，A1，A2為分別為左、右前懸支座與駕駛室左右縱梁聯(lián)接，B2、B1為鎖止與后懸置聯(lián)接。

圖5 駕駛室總成與底盤裝配方式

駕駛室為剛性件，因孔位間隙存在，裝配前懸下支座后，將在X向產(chǎn)生長度差A(yù)2A21，可認(rèn)為駕駛室在水平面繞A1點(diǎn)順時(shí)針從A2點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到A21點(diǎn)，A1點(diǎn)保持不變，那么A1B1將繞A1點(diǎn)順時(shí)針從B2點(diǎn)旋轉(zhuǎn)相同的角度到B11點(diǎn)。B1到左縱梁的垂線距離為L0，B11投影到左縱梁垂線距離為L1。使用CAD作圖，A1A2繞A1點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到A1A21，測量從A2A21延長線到A2B2上的點(diǎn)到A2的距離為15.10 mm，近似認(rèn)為A2A21=15.10 mm，A1B1繞A1點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到A1B11點(diǎn)，則B11到車架左縱梁腹面的尺寸值與B21到車架右縱梁腹面的尺寸值的差，也就是駕駛室的“平行移動(dòng)量”為駕駛室偏斜量。

根據(jù)剛性體旋轉(zhuǎn)計(jì)算B11到左縱梁Y向距離L1=21.48 mm。同理計(jì)算，B21到右縱梁Y向距離L2=21.48 mm。即駕駛室后端最大偏移量L=21.48 mm。經(jīng)過理論分析，駕駛室后端最大歪斜偏移量為21.48 mm。按照概率法進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算分析，駕駛室后端最大歪斜偏移量為21.48 mm，與實(shí)際測量值非常接近。

4 解決措施

4.1 臨時(shí)措施

現(xiàn)場裝配工藝上使用定位銷按對(duì)角線控制前伸梁與前懸下支座、車架縱梁的相對(duì)位置，減少裝配誤差累積，減少前懸下支座擺動(dòng)。按照該方法對(duì)裝配后的車輛進(jìn)行測量，駕駛室歪斜偏移量明顯減少，裝配質(zhì)量得到有效控制。

4.2 產(chǎn)品改進(jìn)

按尺寸工程分析計(jì)算，并與設(shè)計(jì)及供應(yīng)商溝通，將前懸下支座，前伸梁配合的孔徑尺寸與極限偏差按照mm控制，前懸下支座孔距極限偏差±0.2 mm，前伸梁孔距極限偏差±0.2 mm，縱梁孔距極限偏差±0.4 mm進(jìn)行控制。按照上述尺寸鏈概率法進(jìn)行計(jì)算，駕駛室后端中心理論上最大偏移將縮減50%左右。產(chǎn)品優(yōu)化后，按照對(duì)角線定位工藝方法裝配滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)驗(yàn)證，駕駛室歪斜明顯好轉(zhuǎn)，問題解決。

5 結(jié)束語

本文通過實(shí)例闡述，并運(yùn)用栓孔間隙概率分布、尺寸工程思維建立2D尺寸鏈、微三角模型，通過理論分析計(jì)算并驗(yàn)證，提出現(xiàn)場工藝臨時(shí)改進(jìn)措施及產(chǎn)品優(yōu)化建議，解決生產(chǎn)實(shí)際問題。2D尺寸鏈和3D公差仿真計(jì)算是尺寸工程解決問題的常用手段，尺寸鏈計(jì)算方便快捷，適合生產(chǎn)現(xiàn)場快速分析問題。排查引起裝配困難的主要因素，尋找解決方法。2D尺寸鏈計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)數(shù)據(jù)依賴程度低，對(duì)軟硬件需求小，方便快捷；缺點(diǎn)是分析圓形公差帶、角度的影響在某些情況下計(jì)算精度較低，復(fù)雜區(qū)域分析計(jì)算更多的需要經(jīng)驗(yàn)；常用于現(xiàn)場問題快速分析，DTS驗(yàn)證，分總成、總成的測量公差設(shè)計(jì)，項(xiàng)目支持和方案選擇方面。3D仿真計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算精度較高，可用于復(fù)雜區(qū)域的公差計(jì)算；缺點(diǎn)是建模時(shí)間較長，對(duì)數(shù)據(jù)依賴性強(qiáng)，對(duì)軟硬件依賴強(qiáng)。常用于某些區(qū)域的專題分析，也可用于分總成、總成的測量公差設(shè)計(jì)。

尺寸鏈分析實(shí)際問題需要理論知識(shí)及一定的經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)尺寸工程在載貨車底盤總裝工藝中的應(yīng)用有一定參考意義。