基于3DCS的發動機前端輪系裝配偏差仿真分析

楊彥靈 潘 強 吳嵩松 顧 勇

（長城汽車股份有限公司技術中心）

1 問題提出

某汽車公司裝配使用的某款發動機前端輪系偶爾出現較大噪聲，即使新裝的皮帶也存在此問題，嚴重影響了整車質量。此款發動機有2個前端輪系驅動系統，其中1個是多楔帶驅動，包括曲軸皮帶輪、空調壓縮機、惰輪和轉向泵。通常皮帶進入多楔帶輪角越大，輪系產生噪聲的幾率也越大。通過對該發動機的測量，發現前端輪系存在對齊度較差的問題。為分析零部件公差對前端輪系對齊度的影響，基于三維公差仿真分析軟件3DCS[1～3]對零部件公差及靈敏度進行仿真分析，并依據分析結果對零部件公差進行修正，以改善發動機前端輪系對齊度，解決發動機噪聲較大的問題。

2 3DCS公差仿真分析

2.1 基于CATIA仿真模型的創建

3DCS仿真誤差概率模型的創建過程如圖1所示。3DCS三維公差仿真分析軟件是作為一個應用模塊集成于CATIA，所以可直接利用CATIA軟件所創建的數模來進行三維公差仿真分析[4～6]，可將數模整理成所需Part格式文件后進行裝配，然后導入3DCS模塊。為仿真分析發動機前端輪系對齊度差的問題，對曲軸帶輪、轉向泵輪、空調壓縮機之間相互切線與理想平面的夾角進行測量，創建的3個測量位置如圖2所示，其中測量1為曲軸帶輪與轉向泵輪相互切線與理想平面的夾角，測量2為轉向泵輪與空調壓縮機帶輪相互切線與理想平面的夾角，測量3為曲軸帶輪與空調壓縮機帶輪相互切線與理想平面的夾角。

2.2 仿真模型公差輸入

依據發動機設計圖紙確定各零部件的尺寸及形位公差，如表1所列，涉及標準件的尺寸及公差均按國家標準輸入[7，8]。

2.3 仿真結果及分析

仿真分析采用2000個樣本，并假設:所有零件作為剛性件考慮，不考慮裝配力、熱膨脹、重力、焊接變形和回彈的影響，所有零件的公差只考慮6σ范圍，幾何特征的公差為對稱正態分布[9～11]。驗證目標為曲軸帶輪、轉向泵輪、空調壓縮機帶輪相互切線與理想平面夾角公差滿足±0.33°，仿真分析結果的超差率（即樣本偏差超出驗證目標的不合格率）不大于5%即認為滿足裝配要求。

表1 發動機各零部件尺寸及形位公差 mm

2.3.1 曲軸帶輪和轉向泵輪相互切線與理想平面夾角

曲軸帶輪和轉向泵輪相互切線與理想平面夾角公差仿真分析結果見圖3及表2中測量1。由圖3和表2可知，樣本總超差率為12.65%，大于5%，不能滿足裝配要求，即曲軸帶輪和轉向泵輪裝配后皮帶進入角超差的可能性較大。

表2 發動機前端輪系與理想平面夾角公差仿真分析結果

靈敏度仿真分析結果見表3。由表3可知，對曲軸帶輪和轉向泵輪相互切線與理想平面夾角偏差仿真計算結果影響最大的是轉向泵支架與發動機體主定位的孔軸浮動量，貢獻率為47.52%。

表3 曲軸帶輪和轉向泵輪切線與理想平面夾角靈敏度仿真分析結果

2.3.2 轉向泵輪和空調壓縮機帶輪相互切線與理想平面夾角

轉向泵輪和空調壓縮機帶輪相互切線與理想平面夾角公差仿真分析結果如圖4所示。計算結果見表2中測量2。由表2和圖4可知，樣本總超差率為9.4%，不滿足超差率不大于5%的要求，轉向泵輪和空調壓縮機帶輪裝配后皮帶進入角超差的可能性較大。

靈敏度仿真分析結果見表4。由表4可知，對仿真分析結果影響最大的是轉向泵支架與發動機體主定位孔的孔軸浮動量，貢獻率為20.01%。

表4 轉向泵輪和空調壓縮機帶輪相互切線與理想平面夾角靈敏度仿真分析結果

2.3.3 曲軸帶輪和空調壓縮機帶輪相互切線與理想平面夾角

曲軸帶輪和空調壓縮機帶輪相互切線與理想平面夾角公差仿真分析結果如圖5所示，計算結果見表2中測量3。由圖5和表2可知，樣本總超差率為7.45%，不滿足超差率不大于5%的要求，曲軸帶輪和空調壓縮機帶輪裝配后皮帶進入角超差的可能性較大。

靈敏度仿真分析結果見表5。由表5可知，對仿真分析結果影響最大的前2位分別為:空調壓縮機支架與發動機輔助定位孔的孔軸浮動量，貢獻率為26.91%；空調壓縮機帶輪面輪廓度，貢獻率為22.58%。

表5 曲軸帶輪和空調壓縮機帶輪切線與理想平面夾角靈敏度仿真分析結果

3 公差修正設計與分析

由以上仿真分析結果可知，曲軸帶輪、轉向泵輪、空調壓縮機帶輪相互切線與理想平面夾角公差均不能滿足±0.33°的要求，超差率較大，因此對貢獻較大的組成環公差進行修正設計與分析。

對仿真分析結果影響較大的公差有轉向泵支架與發動機體主定位孔的孔軸浮動量、空調壓縮機支架與發動機輔助定位孔的孔軸浮動量、空調壓縮機帶輪面輪廓度。通過與產品工程師溝通，將轉向泵

表6 修正后各帶輪相互切線與理想平面夾角公差仿真分析結果

由表6和圖6可看出，公差修正后各帶輪相互切線與理想平面夾角公差總超差率明顯減小，分別為1.15%、2.40%和0.85%，能夠滿足超差率不大于5%的要求。

4 對齊度測量

為驗證公差修正后發動機前端輪系對齊度改善情況，采用FARO便攜式CMM對生產線上的一臺發動機機體進行測量，共測量5臺套附件系統，測量結果如表7所列。修正前發動機前端輪系對齊度測量結果如表8所列。

對比表7和表8可知，公差修正后各附件皮帶輪的偏移量及進入角均有不同程度的改善，其中改善最大的是空調壓縮機的偏移量及進入角，偏移量由平均0.69mm降為0.33mm，進入角由平均0.89°降為0.34°。公差修正后測量的5臺發動機皮帶進入角最大為0.57°（表7中序號3的AC），其余皮帶進入角均小于0.33°，能夠滿足各附件皮帶輪進入角的公差要求。

表7 公差修正后發動機前端輪系對齊度測量結果

表8 公差修正前發動機前端輪系對齊度測量結果

5 結束語

3DCS公差分析軟件能夠快速分析三維尺寸鏈各組成環對封閉環影響度的大小，為實際生產中尺寸偏差問題提供有效的解決方案。本文采用3DCS軟件對某發動機前端輪系公差及靈敏度進行了仿真分析，依據靈敏度分析結果對仿真結果貢獻率大的零部件尺寸及公差進行修正，然后再次進行公差仿真分析，結果顯示公差修正后均能滿足±0.33°的設定目標。為驗證仿真分析結果，采用FARO便攜式CMM對發動機前端輪系對齊度進行測量，測量結果表明公差修正后發動機前端輪系對齊度明顯改善，解決了發動機前端輪系皮帶進入角超差問題。

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