基于3DCS的扭梁后懸架定位參數偏差分析

王淑婧,劉光威,張偉

廣汽本田汽車有限公司，廣東廣州 510700

0 引言

近年來，扭梁懸架以其占用空間少、結構簡單、安裝定位便利等特點，被廣泛應用于電動車后懸系統(tǒng)中。因其作為非獨立后懸架沒有設置四輪定位參數的調節(jié)方式，在合車后的四輪定位參數不能調整，如發(fā)生參數超差則線下返修困難，嚴重影響生產效率。故進行扭梁懸架系統(tǒng)四輪定位參數三維偏差仿真分析，找出影響定位參數的主要影響因子，對實際生產中相關參數的控制有著重要的指導意義。

一般意義上講，后輪作為車輛的非轉向輪，主要的定位參數有前束角和外傾角等。其中，前束角或者外傾角的超差不僅會導致輪胎快速磨損，而且還會增加行駛阻力，引起車輛跑偏等嚴重問題[1]。所以，各整車廠對該前束角和外傾角都進行了嚴格的定義，并要求對下線車輛的定位參數100%檢測合格后才能出廠交付。

某車型在生產驗證階段偶發(fā)后輪前束角超差現象，經統(tǒng)計的綜合不良品率在3.9%左右,經計算的過程能力指數CPK為0.73，小于目標值1.33，需分析查明問題的原因。本文基于3DCS軟件，建立后懸架的虛擬裝配偏差仿真模型，分析在各零件制造和裝配過程中影響整車該參數的主要因子，并提出相對應的優(yōu)化方案進行驗證。

1 尺寸工程的分析方法與3DCS軟件

尺寸工程常用的分析方法有極值法、統(tǒng)計分析法和蒙特卡洛模擬分析法等。其中極值法主要適用于裝配技術要求不高的領域，是假設尺寸鏈中所有尺寸都處于最大偏差值時的公差計算方法，它往往會導致增加零件加工成本和制造難度，不太適用于汽車生產裝配的公差分析；統(tǒng)計分析法是以概率論為理論基礎，較極值法可以得到更加接近現實的公差計算，但該方法設定每個零件的公差帶均遵守正態(tài)分布的要求過于理想化，嚴重影響尺寸鏈計算的準確度，且該方法不能計算零件表面的輪廓公差、型面公差以及復合公差等，這也進一步影響了計算結果；蒙特卡洛模擬分析法又稱隨機模擬方法，其基本原理是建立一個虛擬的隨機數發(fā)生器來模擬尺寸公差的變化，可以用來解決一般試驗或者代數方法無法解決的復雜問題,并綜合考慮非線性公差的相關性，通過對所有影響因素公差帶進行全微分求解得到最終的裝配公差值。采用蒙特卡洛模擬法的計算結果精度比極值法和概率法都要高，且更加符合實際生產的工作環(huán)境[2-4]。

3DCS是一種業(yè)內廣泛使用的基于蒙特卡洛模擬理論的分析軟件[5]。工程師在3DCS軟件設置相關參數，操作執(zhí)行一定量的虛擬裝配來模擬真實現場場景。當軟件每執(zhí)行一次模擬裝配時，首先所有的相關零部件都被按照隨機抽樣次數被虛擬地制造出來，并賦予該零件設定公差帶范圍里隨機的公差值;然后再進行模擬裝配，且每次模擬裝配后都會生成一個相對應的測試結果。因此考慮計算機計算效率的前提下模擬裝配的次數越多，分析的結果越接近真實的情況，也就越可靠[6]。

圖1為3DCS懸架偏差分析建模的仿真流程[7]。

圖1 3DCS懸架偏差分析建模的仿真流程

在進行分析模型的搭建前，還需明確以下設計裝配參數：

(1)與總裝工藝確認后懸零件、扭梁、軸承、摩擦片及車輪的裝配工藝流程；

(2)按照每個零件的裝配工藝和結構特征確認具體的定位策略；

(3)按照采購級零件總成公差帶設置軟件公差仿真輸入；

(4)由底盤專業(yè)組輸出后懸架定位參數的理論中值角度及允許的公差。

本車型整備工況下后輪前束角及外傾角定位參數見表1。

表1 后輪前束角及外傾角定位參數 單位:(°)

2 裝配與工藝

后懸架分總成與車身裝配工藝如圖2所示。

圖2 后懸架分總成與車身裝配工藝

由圖2可知，左右兩側的車輪與制動盤、軸承、防塵罩及扭梁總成組合裝配形成后懸架分總成，該分總成通過扭梁安裝支架裝配至下車體。

后懸架分總成與下車體的合車裝配按照階梯面裝配(Step-Plane)方案，遵循3-2-1定位原則。在階梯面裝配分析中，需設置3組向量(Dir1、Dir2、Dir3)用于創(chuàng)建不同的對象點與目標面，通過把各對象點對應到各目標面上來實現裝配。該車型底盤后懸架分總成與下車體合車定位方案1如圖3所示，合車主副定位孔在扭梁安裝支架上，該分總成的3個自由度(沿Z軸的平動、繞X軸的轉動、繞Y軸的轉動)由3個U/D定位面限制(創(chuàng)建向量Dir1)，2個自由度(沿X軸的平動、沿Y軸的平動)由左側的主定位孔(F/A、C/C)限制(創(chuàng)建向量Dir2)，剩余的1個自由度(繞Z軸轉動)由右側的副定位孔(F/A)限制(創(chuàng)建向量Dir3)。

圖3 后懸架分總成與下車體合車定位方案1

3 仿真模型計算與優(yōu)化

3.1 Tolerance及Measure的創(chuàng)建

在3DCS軟件中根據車輛后懸架與下車體裝配定位工藝定義“Feature”及“Move”部分后，參考GD&T文件對仿真模型中的各零部件及裝配工裝定義公差值，詳見表2，并將所規(guī)定的各項公差值輸入到仿真模型中。設置前束角和外傾角的測量類型均為“Line-Plan”，選取輪轂安裝面X向前、后兩個端點的連線投影至XY面，測量投影線與XZ面的夾角，即為車輪的前束角;選取輪轂安裝面Z向上、下兩個端點的連線投影至YZ面，測量投影線與XZ面的夾角，即為車輪的外傾角。

表2 公差值定義 單位:mm

3.2 計算結果仿真分析

對裝配方案1模型進行10 000次模擬裝配計算，其后輪前束角及外傾角的3DCS分析結果如圖4和圖5所示。由圖4可以看到，前束角的分析結果6σ=±0.145°，超差3.61%;由圖5可以看到，外傾角的分析結果6σ=±0.18°，超差0.00%。由此可見，前束角仿真分析超差率與車輛實際下線超差率3.9%基本吻合，證明了仿真模型的可靠度較高，可以為后續(xù)優(yōu)化方案的驗證分析提供參考。

圖4 按照定位方案1模擬裝配10 000次后輪前束角的3DCS分析結果

圖5 按照定位方案1模擬裝配10 000次后輪外傾角的3DCS分析結果

3.3 裝配尺寸鏈的調整優(yōu)化

分析結果顯示后輪前束角存在超差風險，需針對影響因子較大項進行優(yōu)化，在充分評估后懸架分總成與下車體合車的裝配定位方式后，制定出合車定位方案2，選取扭梁本體橫梁兩端作為新的主定位孔和主定位面，調整優(yōu)化相關尺寸鏈，提升合車定位的穩(wěn)健性，其合車定位方案2如圖6所示。

圖6 后懸架分總成與下車體合車定位方案2

將新的定位方案輸入軟件進行模擬裝配分析，按照定位方案2模擬裝配10 000次后輪前束角及外傾角的3DCS分析結果如圖7和圖8所示。

圖7 按照定位方案2模擬裝配10 000次后輪前束角的3DCS分析結果

圖8 按照定位方案2模擬裝配10 000次后輪外傾角的3DCS分析結果

由圖7可以看到，前束角的分析結果6σ=±0.125°，超差1.62%，合車方案2的偏差值和超差率較于方案1均有較大的提升;由圖8可以看到，調整版面外傾角的分析結果6σ=±0.18°，超差0.00%，與方案1的外傾角仿真分析結果基本無變化。

3.4 關鍵公差值的調整優(yōu)化

由圖6可知，按照方案2的裝配方式后輪前束角的超差率仍有1.62%，高于0.6%的不良品率要求，因此需對貢獻量占比較大的尺寸鏈環(huán)進行關鍵公差優(yōu)化。分析圖6前束角排名前六的貢獻因子，包括扭梁輪轂軸承安裝面輪廓度(46.36%)、扭梁安裝支架襯套安裝孔位置度(22.26%)、車身后懸定位面輪廓度(7.42%)、車身后懸定位孔位置度(7.42%)、軸承與扭梁安裝面輪廓度(4.32%)及車身后懸安裝面輪廓度(2.06%)。

通過與扭梁焊接總成及扭梁安裝支架供應商交流，評估在最小成本代價的前提下，將扭梁輪轂軸承安裝面輪廓度從±0.14 mm收緊至±0.10 mm，扭梁安裝支架襯套安裝孔位置度由±2.0 mm收緊至±1.5 mm。按照以上公差優(yōu)化方案，對模型相關參數修正后進行分析，結果見表3。由表可知，優(yōu)化關鍵零件的公差帶后，后輪前束角的分析結果6σ=±0.092°，超差0.00%，過程能力指數CPK優(yōu)化至1.45，大于1.33，證明過程能力充足，裝配狀態(tài)穩(wěn)定，滿足相關要求。

表3 方案2與方案3后輪前束角三維尺寸鏈分析結果對比

將方案3提交實施后，監(jiān)控約1 000輛下線車輛，前束角不良率為0%，綜合改善效果明顯，可有效滿足生產部門要求。

4 結論

(1)相較于1D尺寸鏈公差分析，3DCS軟件能夠進行較復雜產品的公差累積計算，特別對一些多零部件組成的大總成以及匹配關系復雜的組合單元，該軟件具有較強的準確性。本案例中原裝配方案經3DCS軟件分析后的前束角裝配偏差與實際生產的統(tǒng)計結果較吻合，證明了仿真模型較高的可靠度，可以為后續(xù)優(yōu)化提供具體參考。

(2)通過對后輪前束角的偏差分析，充分考慮合車裝配定位的穩(wěn)健性，優(yōu)化后懸合車主定位孔和主定位面，提高了匹配的穩(wěn)定性，同時對尺寸鏈環(huán)上貢獻度較高的影響因子進行公差優(yōu)化，從而進一步降低了后輪前束角的超差率，以上改進方法均已在實際生產中實施，改善效果得到了驗證。