開發(fā)底盤柔性化平臺(tái)驗(yàn)證定義四輪定位目標(biāo)值

張兵　趙麗　于興林

摘 要：傳統(tǒng)的四輪定位名義值一般基于Adams計(jì)算結(jié)果，后期經(jīng)過實(shí)車驗(yàn)證、測(cè)量鎖定目標(biāo)值，而四輪定位公差則基于尺寸工程分析、及對(duì)標(biāo)。但是在前期計(jì)算、對(duì)標(biāo)及后期驗(yàn)證之間，缺少系統(tǒng)驗(yàn)證方法。本文詳細(xì)闡述通過開發(fā)底盤柔性化驗(yàn)證平臺(tái)并借助此平臺(tái)確定四輪定位目標(biāo)值，以及零部件公差與四輪定位角度之間聯(lián)系、敏感度分析方法。

關(guān)鍵詞：四輪定位目標(biāo) 底盤柔性化驗(yàn)證平臺(tái) 尺寸工程

Development of Chassis Platform to Verify and Define Four Wheel Alignment Requirement Value

Zhang Bing，Zhao Li，Yu Xinglin

Abstract：Four-wheel Alignment requirement value is directly related to the handling stability of the vehicle. The traditional nominal value of four-wheel alignment is generally based on the Adams calculation results， which is verified by the real vehicle and measured at the later phase. However， there is a lack of systematic verification method between the early calculation and the later phase verification. This paper elaborates the target value and tolerance locking method of four-wheel alignment and sensitivity contributes by developing and manufacturing the chassis comprehensive verification platform.

Key words：four-wheel alignment target， platform of chassis flexibility verification， dimensional engineering

1 引言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車操縱穩(wěn)定性、安全性能的逐漸變成了感知質(zhì)量的一部分。而四輪定位與其直接相關(guān)。在底盤開發(fā)過程中，目標(biāo)值的設(shè)定根據(jù)虛擬仿真分析結(jié)合對(duì)試驗(yàn)車輛四輪定位實(shí)際測(cè)量及對(duì)標(biāo)庫。由于零件尺寸偏差、襯套剛度、載荷等因素的存在，無論虛擬計(jì)算還是實(shí)車驗(yàn)證，往往與理論的結(jié)果存在偏差。

通過某企業(yè)試制階段5843臺(tái)四輪定位合格率分析，平均通過率83%，距標(biāo)準(zhǔn)值相差較大。因此鎖定四輪定位名義值及早期發(fā)現(xiàn)問題的根因意義較大，本文通過對(duì)后輪外傾角的定義方法、影響因子、試驗(yàn)、測(cè)試方法等展開闡述。

2 傳統(tǒng)的四輪定位目標(biāo)值定義方法

2.1 設(shè)計(jì)階段四輪定位定義

汽車廠對(duì)于四輪定位目標(biāo)值定義方法基于計(jì)算及對(duì)標(biāo)或經(jīng)驗(yàn)。其中名義值確定方法借助于Adams軟件進(jìn)行理論計(jì)算，定義四輪定位名義值，如圖1。而公差值的定義基于計(jì)算、對(duì)標(biāo)及經(jīng)驗(yàn)。

2.2 試制各階段對(duì)四輪定位目標(biāo)驗(yàn)證

在試制階段均進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境及K&C試驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證，為保證數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的需要，至少完成25臺(tái)四輪定位結(jié)果實(shí)測(cè)，在試制階段評(píng)估四輪定位的名義值及公差與定義值的差異，在VP結(jié)束后，輸出首版修訂參考值。在TT階段鎖定終版四輪定位參數(shù)，并向生產(chǎn)、質(zhì)量等部門輸出。

2.3 存在的問題

由于采用軟件仿真計(jì)算本身的局限性，導(dǎo)致四輪定位名義值與標(biāo)準(zhǔn)值始終存在偏差。在后期驗(yàn)證階段，采取實(shí)車道路驗(yàn)證及在K&C試驗(yàn)臺(tái)的驗(yàn)證方式，由于零部件制造公差等存在，導(dǎo)致生產(chǎn)線測(cè)量四輪定位值與理論計(jì)算值存在偏差，且無法精準(zhǔn)分析根因。

設(shè)計(jì)開發(fā)底盤柔性化四輪定位驗(yàn)證平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”）來驗(yàn)證名義值及鎖定四輪定位敏感因子，很有意義。

3 基于底盤柔性化四輪定位驗(yàn)證平臺(tái)確定四輪定位名義值

3.1 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

與四輪定位相關(guān)車身及懸架零部件設(shè)計(jì)成O公差模塊，試驗(yàn)中可直接讀取四輪定位名義值;模塊可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度調(diào)整;模塊和零部件相互替換;車體定位、固定在升降架上，且可沿Z向舉升、降落，可進(jìn)行垂直向下模式測(cè)量四輪定位測(cè)量測(cè)量K&C各種參數(shù);車體及懸架零部件模塊總成可脫離升降架，前后滾動(dòng)，進(jìn)行滾動(dòng)模式測(cè)量四輪定位;車體及懸架零部件模塊總成可脫離升降架且可完整移出平臺(tái)，移動(dòng)到K&C試驗(yàn)臺(tái)上繼續(xù)進(jìn)行其它試驗(yàn); 配備電子四輪定位測(cè)量?jī)x，模塊升起到一定高度后，在安全機(jī)構(gòu)鎖止后，保證人員的操作空間。如圖2所示。

重量傳感器可沿著Z向，向上移動(dòng)，給車輪反向壓力，模擬不同軸荷對(duì)四輪定位參數(shù)的影響，同時(shí)托盤也可X/Y向調(diào)整，兼容不同軸距及輪距車型，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)柔性化設(shè)計(jì)，如圖3所示。懸架模塊或真實(shí)零部件需定位托盤小車上，如圖4所示。開發(fā)輪芯高度裝置，精確標(biāo)定輪芯高度，如圖5所示。

3.2 基于平臺(tái)四輪定位名義值標(biāo)定方法

測(cè)量模式是模塊帶車輪總成滾動(dòng)測(cè)量方法，如圖6所示。首先標(biāo)定模塊+車輪總重量，如有偏差，需要通過配重增減重量，且匹配好四輪定位測(cè)量?jī)x。測(cè)量之前首先斷開車身模塊與升降架的聯(lián)接，如配置是空氣彈簧，則通過氣閥充放氣，直到把輪芯高度調(diào)到理論位置。如配置是螺旋彈簧，則通過配重把輪芯高度調(diào)到理論位置。

3.3 四輪定位測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及名義值確定方法

采用滾動(dòng)測(cè)量方法測(cè)量不同類別25臺(tái)份后輪外傾角數(shù)據(jù)并取得平均值，見表1。

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布分析，正態(tài)分布又稱為高斯分布若隨機(jī)變量X服從一個(gè)數(shù)學(xué)期望為μ，標(biāo)準(zhǔn)方差為σ2的高斯分布，記為：X～N（μ·σ）2，則其概率密度為：

（1）

數(shù)學(xué)期望μ決定了正態(tài)分布的位置，而標(biāo)準(zhǔn)差σ決定了分布的范圍。而μ=0，σ=1的正態(tài)分布稱為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布[1]。

對(duì)后輪外傾角左右差進(jìn)行舉例，見圖7。對(duì)于符合正態(tài)分布的組成環(huán)以及封閉環(huán)，都具有以下規(guī)律s：99.9937%的尺寸分布在m-4σ和m+4σ范圍內(nèi)，后輪外傾角左平均值為-0°47′，右側(cè)為0°54′，左右差為7′。

圖7表明，Cp值為5.65，公差帶按中值集中，反映模塊總成在臺(tái)架上驗(yàn)證的可靠性、精準(zhǔn)性非常高，此值可以作為四輪定位設(shè)計(jì)值修訂的依據(jù)，同時(shí)可作為生產(chǎn)線四輪定位測(cè)量調(diào)整工位的標(biāo)準(zhǔn)值及質(zhì)量、售后部們的驗(yàn)收值。

4 零部件公差變化對(duì)四輪定位影響分析及優(yōu)化思路

本段落詳細(xì)闡述虛擬建模計(jì)算與基于平臺(tái)驗(yàn)證結(jié)果差異。

4.1 尺寸工程3D模擬計(jì)算

以后輪外傾角左右差計(jì)算情況進(jìn)行分析（計(jì)算的輸入、輸出條件略）

后輪外傾角左右差4sigma=0.513°大于標(biāo)準(zhǔn)值：0.33°;超差概率1%，大于標(biāo)準(zhǔn)值0;CPK=0.855，不滿足CPK≥11.33。計(jì)算結(jié)果表明，現(xiàn)有的后懸架結(jié)構(gòu)無法滿足后輪外傾角標(biāo)準(zhǔn)值要求，且其穩(wěn)定性較差，見表2。

影響外傾角左右差的首要貢獻(xiàn)因子是下擺臂與副車架安裝點(diǎn)的位置度，貢獻(xiàn)度為6.5%，需針對(duì)性整改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，見表3。

4.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

后懸下擺臂通過φ14.1孔與M14的螺栓光桿部分與副車架自定位進(jìn)行自定位配合，此結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無法滿足后輪外傾角要求。需釋放公差。而敏感因子表3結(jié)果表明，對(duì)下擺臂或副車架的整改，可有效解決問題。腰型孔+偏芯螺栓的結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)度調(diào)節(jié)的常規(guī)方式，在此可引入此方法，見圖8。

4.3 零部件公差變化對(duì)四輪定位敏感度物理驗(yàn)證

計(jì)算可分析出在零部件公差變化對(duì)四輪定位的影響及敏感度。但無法回避襯套的剛度變化、零部件變形等因素。因此，基于模塊+襯套等組合能更加真實(shí)模擬零部件公差變化對(duì)四輪定位敏感度。

底盤零部件及關(guān)聯(lián)的車身相關(guān)部位設(shè)計(jì)成可調(diào)結(jié)構(gòu)來模擬公差變化，車體安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)成Z向可調(diào)，車體擺臂安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)成X/Y/Z向可調(diào)，控制臂設(shè)計(jì)成長(zhǎng)度可調(diào)結(jié)構(gòu)。此處以某控制臂舉例，選擇恰當(dāng)位置并斷開，設(shè)計(jì)連接結(jié)構(gòu)，并在連接塊之間裝配調(diào)整墊片，用緊固螺釘連接，連接塊與兩球銷連線垂直，可實(shí)現(xiàn)±3之內(nèi)調(diào)整，來模擬零部件公差在±3之內(nèi)變化。如圖9所示。

零部件依次按+1;+2;+3;-1;-2;-3;0的厚度增減墊片，每個(gè)模塊增或減一次墊片，測(cè)量一次四輪定位值，直至完成所有測(cè)量。

在設(shè)計(jì)下擺臂模塊時(shí)，為保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，模塊采取自定位結(jié)構(gòu)（非偏芯螺栓結(jié)構(gòu)），下擺臂模塊設(shè)計(jì)為φ14.1的圓孔來匹配M14的螺栓。根據(jù)每次測(cè)量的值，在平面圖中作圖并標(biāo)識(shí)點(diǎn)，待所有測(cè)量點(diǎn)完成后，連線。

下面以后懸下擺臂公差變化對(duì)四輪定位的影響進(jìn)行闡述，見圖10。

圖10表明，當(dāng)完成長(zhǎng)度值-3;-2;-1;0;+1;+2;+3且后，測(cè)量的角度從-0°15′過度到-0°73′。測(cè)量的7個(gè)點(diǎn)連成線后，近似一條直線，基本符合二元一次方程。

Y=-9.7X-44 （2）

函數(shù)斜率K為負(fù)數(shù)，表明隨長(zhǎng)度的增加，角度值在減小。K值為-9.7，反映出斜率較大，長(zhǎng)度的變化對(duì)角度的影響較敏感。

當(dāng)長(zhǎng)度減小2mm后，接近USL，說明當(dāng)其它零部件均達(dá)到理論值的情況下，下擺臂的公差超過±2的情況下，無法滿足后輪外傾角要求。

以上僅僅以驗(yàn)證下擺臂長(zhǎng)度對(duì)四輪定位公差的影響，也可以驗(yàn)證更多控制臂組合后，長(zhǎng)度（零部件公差）變化對(duì)四輪定位公差的影響。

此分析手段可定量驗(yàn)證出所有零部件的對(duì)四輪定位影響及敏感度。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)重點(diǎn)零部件進(jìn)行入廠質(zhì)量驗(yàn)收控制及當(dāng)整車四輪定位測(cè)量時(shí)候，出現(xiàn)超差現(xiàn)象后，可快速找到根因。

5 “平臺(tái)”結(jié)合K&C，測(cè)試動(dòng)態(tài)四輪定位值

在完成平臺(tái)的一系列驗(yàn)證后，模塊+車輪總成可以通過上下坡臺(tái)，移出基礎(chǔ)平臺(tái)，并移動(dòng)到K&C實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試、試驗(yàn)。在K&C試驗(yàn)臺(tái)上，測(cè)定慣量、方向轉(zhuǎn)動(dòng)及懸架上下跳對(duì)四輪定位值。在K&C實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，也可做基于全模塊件或半模塊的K&C參數(shù)實(shí)驗(yàn)。

此節(jié)以輪跳對(duì)外傾角的影響進(jìn)行舉例，如圖11所示。其中藍(lán)色的曲線及直線是實(shí)車測(cè)量結(jié)果，紅色的曲線及直線是模塊在K&C測(cè)量結(jié)果。兩直線的斜率K完全一致，曲線的弧形也基本一致，反映出該車制造水平比較高，接近設(shè)計(jì)水平。

6 結(jié)論及反思

平臺(tái)解決了僅靠計(jì)算、對(duì)標(biāo)或經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)多臺(tái)試驗(yàn)車輛來驗(yàn)證四輪定位目標(biāo)的局限，可更早期，更精準(zhǔn)鎖定四輪定位參數(shù)。

可適應(yīng)柔性化拓展，驗(yàn)證不同種類的車輛驗(yàn)證，可減少大量試驗(yàn)車輛，節(jié)約投資成本。

可直接測(cè)試出底盤及下車體相關(guān)零部件公差變化對(duì)四輪定位敏感度貢獻(xiàn)量化分析。

當(dāng)控制臂模塊中部切斷后，用緊固件連接后，剛度有可能衰減，在模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)候，需要重視并規(guī)避。

部分控制臂壓裝的是液壓襯套，隨著驗(yàn)證次數(shù)的增加，出現(xiàn)性能衰減現(xiàn)象，將對(duì)四輪定位的測(cè)量值出現(xiàn)<5′的誤差，后續(xù)需要展開液壓襯套剛度衰減試驗(yàn)并在四輪定位試驗(yàn)中，進(jìn)行補(bǔ)償。

參考文獻(xiàn)：

[1]李華偉.汽車尺寸公差尺寸鏈分析方法及流程.機(jī)械工程師.2017-3.