車(chē)門(mén)分體式鉸鏈同軸度問(wèn)題研究

李曉 龔遠(yuǎn)平 董端陽(yáng) 蘇立雙 曾昭國(guó)

（一汽-大眾汽車(chē)有限公司佛山分公司，佛山 528225）

1 前言

汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量控制涉及到復(fù)雜的尺寸工程技術(shù)課題，對(duì)尺寸的精度要求很高。隨著汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量的快速增長(zhǎng)以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，各大汽車(chē)廠商之間在提質(zhì)增效降本方面的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)越來(lái)越激烈。汽車(chē)尺寸工程技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)設(shè)計(jì)、制造、裝配和過(guò)程質(zhì)量控制各個(gè)方面，在提升汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)成本方面發(fā)揮著重要作用[1]。

車(chē)門(mén)分體式鉸鏈同軸度問(wèn)題作為汽車(chē)生產(chǎn)制造過(guò)程中的一個(gè)重難點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)整車(chē)匹配質(zhì)量和生產(chǎn)效率有極大的影響，急需找出影響鉸鏈同軸度的關(guān)鍵因素進(jìn)行優(yōu)化控制。基于蒙特卡羅方法、3DCS、VisVSA 的尺寸公差分析方法[2-4]被廣泛應(yīng)用于尺寸工程計(jì)算分析中，極大地提升了理論分析的準(zhǔn)確性。通過(guò)理論建模和匹配公差分析可以指導(dǎo)零部件和工裝夾具設(shè)備的不斷優(yōu)化改進(jìn)，從而達(dá)到提升整車(chē)匹配質(zhì)量，降低返修工時(shí)，提高整車(chē)生產(chǎn)效率的目的，為企業(yè)在提質(zhì)增效降本的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中做出巨大貢獻(xiàn)。

2 問(wèn)題現(xiàn)狀介紹

2.1 分體式鉸鏈結(jié)構(gòu)介紹

車(chē)門(mén)分體式鉸鏈?zhǔn)侵高B接車(chē)門(mén)和車(chē)身的鉸鏈?zhǔn)怯煽刹鹦斗珠_(kāi)的2 部分鉸鏈組成，通孔一側(cè)的鉸鏈安裝在車(chē)身上，轉(zhuǎn)軸一側(cè)的鉸鏈安裝在車(chē)門(mén)上，裝配結(jié)合時(shí)只需將鉸鏈轉(zhuǎn)軸插入鉸鏈通孔再擰緊固定頂絲就可以了。每個(gè)車(chē)門(mén)都有上下兩對(duì)分體式鉸鏈，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分體式鉸鏈結(jié)構(gòu)

目前大多數(shù)車(chē)輛采用分體式車(chē)門(mén)鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式有利于整車(chē)生產(chǎn)工藝布局。鉸鏈可以先在車(chē)身和車(chē)門(mén)側(cè)單獨(dú)安裝好，白車(chē)身裝配時(shí)只需把車(chē)門(mén)掛入就可以了，也方便在總裝把車(chē)門(mén)拆卸下來(lái)單獨(dú)完成車(chē)門(mén)分裝的生產(chǎn)工藝。在相應(yīng)的工裝夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和人員操作上簡(jiǎn)單方便，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

2.2 分體式鉸鏈產(chǎn)生的問(wèn)題

車(chē)門(mén)分體式鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式雖然有很多使用優(yōu)點(diǎn)，但這種結(jié)構(gòu)形式對(duì)鉸鏈的尺寸和裝配位置精度要求很高。分體式鉸鏈的孔軸采用間隙配合，配合間隙一般在0.1 mm 左右，例如某一鉸鏈的孔和軸的直徑及公差分別為和，配合間隙在0.060～0.134 mm 之間。非常小的配合間隙使得車(chē)門(mén)分體式鉸鏈在結(jié)合到一起時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)插入不到位、鉸鏈落不下去的問(wèn)題，如圖2 所示。

圖2 鉸鏈同軸度問(wèn)題導(dǎo)致安裝不到位

鉸鏈沒(méi)有插入到位，本質(zhì)上是車(chē)門(mén)側(cè)鉸鏈和車(chē)身側(cè)鉸鏈不同軸。這種問(wèn)題會(huì)影響到車(chē)門(mén)的正常開(kāi)關(guān)，輕微的情況導(dǎo)致關(guān)閉滯澀，嚴(yán)重的導(dǎo)致車(chē)門(mén)無(wú)法關(guān)閉，需要操作人員在線調(diào)整返修，影響生產(chǎn)節(jié)拍。

如何提升車(chē)門(mén)裝配插入的合格率，需要在尺寸工程和公差分析以及優(yōu)化控制方面做深入研究工作。

3 理論建模分析

3.1 數(shù)學(xué)建模

將車(chē)門(mén)分體式鉸鏈進(jìn)行等效簡(jiǎn)化，車(chē)門(mén)側(cè)鉸鏈軸等效為直徑為d的圓柱軸，車(chē)身側(cè)鉸鏈孔等效為直徑為D的圓柱孔，如圖3 所示[5-6]。

圖3 分體式鉸鏈數(shù)學(xué)建模

以車(chē)門(mén)側(cè)鉸鏈為例，A1,B1,A2,B2分別為上下鉸鏈軸的上下端面圓心，O1,O2分別為上下鉸鏈軸的中心，理論設(shè)計(jì)上它們?cè)谝粭l直線上，假設(shè)A1在整車(chē)系下的坐標(biāo)為(x,y,z)，則上下鉸鏈各點(diǎn)的坐標(biāo)可表示為圖3 所示。

不考慮鉸鏈本身的制造誤差波動(dòng)，各個(gè)鉸鏈在安裝的過(guò)程中其空間位置會(huì)受鉸鏈裝具和車(chē)身車(chē)門(mén)尺寸偏差的影響發(fā)生各種波動(dòng)，導(dǎo)致鉸鏈安裝在車(chē)門(mén)和車(chē)身上的位置會(huì)存在偏差。根據(jù)鉸鏈的裝配關(guān)系，對(duì)影響鉸鏈裝配的各個(gè)變量進(jìn)行定義，以車(chē)門(mén)側(cè)鉸鏈為例，定義下鉸鏈中心O1的波動(dòng)量為x1,y1,z1，圓心B1相對(duì)O1發(fā)生偏轉(zhuǎn)的波動(dòng)量為x2,y2,z2，圓心A1相對(duì)O1發(fā)生偏轉(zhuǎn)的波動(dòng)量為-x2,-y2,-z2，上鉸鏈中心O2相對(duì)O1的z向波動(dòng)量z31。同理對(duì)車(chē)身側(cè)各個(gè)鉸鏈進(jìn)行變量定義，則分體式鉸鏈各點(diǎn)的空間坐標(biāo)如圖4、圖5 所示。

圖4 車(chē)門(mén)側(cè)鉸鏈空間坐標(biāo)

圖5 車(chē)身側(cè)鉸鏈空間坐標(biāo)

3.2 同軸度誤差

當(dāng)各個(gè)分體式鉸鏈在空間位置上分別產(chǎn)生某一尺寸波動(dòng)時(shí)，其上下鉸鏈之間會(huì)產(chǎn)生某一空間位置關(guān)系，如圖6 所示。

式中，(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)分別是空間內(nèi)任意2 個(gè)點(diǎn)的三坐標(biāo)，a 為空間兩點(diǎn)的長(zhǎng)度。

采用海倫公式（2）（3）計(jì)算三角形的面積。

式中，a,b,c分別是三角形的三條邊長(zhǎng)，p為三角形周長(zhǎng)的一半，S為三角形的面積。

采用三角形面積計(jì)算公式（4），可以推導(dǎo)出圖6 所示a1,a2,a3,a4公式如下。

圖6 分體式鉸鏈軸和鉸鏈孔的同軸度誤差

以圖6 左側(cè)車(chē)門(mén)側(cè)上下鉸鏈為例，軸線段A1O1B1和A2O2B2偏離了設(shè)計(jì)位置不在同一條直線上，即為不同軸。利用最小包容區(qū)域法[7]，最小包容圓柱體截面圓的直徑即為同軸度誤差[8]。畫(huà)一個(gè)能夠包容軸線段A1O1B1和A2O2B2的最小圓柱體，則它是一個(gè)以O(shè)1O2為基準(zhǔn)軸線的圓柱體，該圓柱體的截面圓直徑即為軸線段A1O1B1和A2O2B2的同軸度誤差。同樣的，畫(huà)一個(gè)能夠包容上下鉸鏈圓柱的最小圓柱體，則它是一個(gè)以O(shè)1O2為基準(zhǔn)軸線的圓柱體，該圓柱體的截面圓直徑即為車(chē)門(mén)側(cè)上下鉸鏈的同軸度誤差。相對(duì)于車(chē)門(mén)側(cè)鉸鏈軸的最小包容區(qū)域法，針對(duì)車(chē)身側(cè)鉸鏈孔而言，需要畫(huà)一個(gè)能夠通過(guò)車(chē)身側(cè)上下鉸鏈孔的最大圓柱體，則它是一個(gè)以O(shè)3O4為基準(zhǔn)軸線的圓柱體，該圓柱體的截面圓直徑即為車(chē)身側(cè)上下鉸鏈孔的同軸度誤差。

采用兩點(diǎn)間的計(jì)算公式（1）分別計(jì)算?O1O2B1、?O1O2B2、?O3O4B3、?O3O4B4的各條邊長(zhǎng)。

式中，m,n分別代表三角形的底和高。

利用三角函數(shù)關(guān)系可以推導(dǎo)出圖6 所示b1,b2,b3,b4如下。

車(chē)門(mén)側(cè)上下鉸鏈同軸度誤差如下。

車(chē)身側(cè)上下鉸鏈同軸度誤差如下。

車(chē)門(mén)側(cè)鉸鏈軸最小包容圓柱體要想順利插入車(chē)身側(cè)鉸鏈孔最大包容圓柱通孔內(nèi)，需滿足公式（15），同時(shí)分體式鉸鏈裝配還要求鉸鏈插入后上鉸鏈之間沒(méi)有縫隙，下鉸鏈之間縫隙控制在0.5mm以內(nèi)，即需滿足公式（16）。

3.3 公差分析

通過(guò)理論建模分析和同軸度誤差公式推導(dǎo)，在同時(shí)滿足公式（15）和（16）的情況下，鉸鏈裝配才算合格。提取出影響車(chē)門(mén)分體式鉸鏈裝配結(jié)果的獨(dú)立變量，如下表1 所示。

表1 分體式鉸鏈獨(dú)立變量表

表1 共有18 個(gè)獨(dú)立變量會(huì)影響到車(chē)門(mén)分體式鉸鏈的裝配結(jié)果。它們可分為三類(lèi)，分別為鉸鏈中心的位置變量、鉸鏈上下端面圓心的偏轉(zhuǎn)變量和上下鉸鏈的z 向距離變量。針對(duì)這些獨(dú)立變量需要找出一個(gè)準(zhǔn)確合理的控制公差來(lái)滿足鉸鏈裝配合格率的要求。

下面以某一車(chē)型的車(chē)門(mén)分體式鉸鏈為例進(jìn)行公差計(jì)算分析，鉸鏈的基礎(chǔ)參數(shù)如下表2 所示。

表2 分體式鉸鏈基礎(chǔ)參數(shù)表 mm

根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)理論，假定影響鉸鏈裝配合格率的這些變量滿足6σ正態(tài)分布，以鉸鏈裝配合格率95%為目標(biāo)，利用蒙特卡羅方法進(jìn)行30000 次公差計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析，得出各變量的控制公差范圍如表3 所示。

表3 分體式鉸鏈參數(shù)公差控制表 mm

通過(guò)蒙特卡羅方法公差分析，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)鉸鏈裝配合格率影響最關(guān)鍵的變量是鉸鏈本身的偏轉(zhuǎn)量，即單個(gè)鉸鏈的上下端面圓心（圖4、5）在x,y方向上的相對(duì)偏轉(zhuǎn)量要控制在±0.15 mm，z向距離變量對(duì)鉸鏈間縫隙影響最大，單個(gè)鉸鏈中心在x,y,z方向上的波動(dòng)對(duì)裝配合格率結(jié)果影響較小。如果要繼續(xù)提升鉸鏈裝配合格率到99%以上，則只需要進(jìn)一步減少單個(gè)鉸鏈的偏轉(zhuǎn)量公差，通過(guò)公差計(jì)算分析得出參數(shù)公差如表4 所示。單個(gè)鉸鏈的上下端面圓心在x,y方向上的相對(duì)偏轉(zhuǎn)量要控制在±0.12 mm，而單個(gè)鉸鏈中心在x,y,z方向上的公差可以放大到±0.9 mm。

表4 分體式鉸鏈參數(shù)控制表 mm

綜上所述，控制分體式鉸鏈裝配合格率的關(guān)鍵在于控制單個(gè)鉸鏈的上下端面圓心在x,y方向上的相對(duì)偏轉(zhuǎn)量公差和上下鉸鏈中心的z向距離公差。

4 優(yōu)化控制方法

4.1 變量影響因素識(shí)別

以某一對(duì)鉸鏈為例如下圖7 所示，對(duì)表1 中的各個(gè)變量參數(shù)具體是受零件尺寸影響還是鉸鏈裝具設(shè)備影響進(jìn)行識(shí)別區(qū)分，區(qū)分結(jié)果如下表5 所示。

表5 分體式鉸鏈參數(shù)影響因素識(shí)別表

圖7 鉸鏈裝配

4.2 關(guān)鍵影響因素控制方法

通過(guò)圖7 和表3～5 的對(duì)比分析，影響鉸鏈裝配合格率的關(guān)鍵參數(shù)主要受車(chē)身和車(chē)門(mén)鉸鏈裝具、車(chē)身鉸鏈安裝面y向型面上下楔形量和車(chē)門(mén)鉸鏈安裝面x向型面上下楔形量的影響。

針對(duì)車(chē)身和車(chē)門(mén)的尺寸偏差問(wèn)題，主要控制鉸鏈安裝面的平面楔形量，可以對(duì)鈑金件型面提出0.2 mm 的楔形量目標(biāo)進(jìn)行尺寸優(yōu)化控制，同時(shí)注意要消除內(nèi)外多層板之間的間隙，防止鉸鏈螺栓擰緊時(shí)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

針對(duì)鉸鏈裝具的優(yōu)化改進(jìn)，主要從控制鉸鏈的偏轉(zhuǎn)方面入手。如圖8 車(chē)門(mén)側(cè)鉸鏈裝具夾緊定位結(jié)構(gòu)，鉸鏈定位軸套孔徑比鉸鏈軸徑大1.2 mm，z 向接觸面位置定位軸套的倒角偏大，鉸鏈頂部的壓緊塊是翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由于鉸鏈的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致在壓緊時(shí)鉸鏈端面并不能與軸套完全貼合，發(fā)生翻轉(zhuǎn)造成同軸度誤差增大。通過(guò)重新設(shè)計(jì)定位軸套倒角和內(nèi)徑，改進(jìn)壓緊塊翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)從而解決了鉸鏈定位不穩(wěn)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)的問(wèn)題。

圖8 車(chē)門(mén)鉸鏈裝具結(jié)構(gòu)

4.3 日常監(jiān)控

鉸鏈裝具以及鉸鏈在車(chē)門(mén)和車(chē)身端安裝后的同軸度需要定期監(jiān)控。采用同軸度檢具對(duì)裝配結(jié)果以及裝具本身進(jìn)行抽檢，如圖9 所示，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并改進(jìn)，確保鉸鏈裝具以及鉸鏈安裝后的結(jié)果得到穩(wěn)定控制。

圖9 同軸度檢具應(yīng)用

通過(guò)對(duì)車(chē)身車(chē)門(mén)尺寸和鉸鏈裝具的改進(jìn)以及日常監(jiān)控，鉸鏈裝配合格率長(zhǎng)期穩(wěn)定在98%以上，取得了良好的控制效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)車(chē)門(mén)分體式鉸鏈在裝配結(jié)合過(guò)程中存在的鉸鏈漏縫落不到位的生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)分體式鉸鏈進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，研究分析了上下鉸鏈的同軸度誤差與鉸鏈的結(jié)構(gòu)參數(shù)和空間位置變量之間的相互關(guān)系。通過(guò)利用蒙特卡羅方法進(jìn)行公差計(jì)算分析，提出了影響分體式鉸鏈裝配合格率的關(guān)鍵參數(shù)，并針對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化提升提出了具體的夾具和零件的優(yōu)化控制方法。本文對(duì)車(chē)門(mén)分體式鉸鏈同軸度誤差的推導(dǎo)分析和公差分析結(jié)果能夠有效地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，解決了汽車(chē)裝配過(guò)程中的一項(xiàng)重難點(diǎn)質(zhì)量問(wèn)題，具有重要的指導(dǎo)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。