扭力梁推進(jìn)角偏差分析

馮勇先，馬俊杰，方文韜

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扭力梁推進(jìn)角偏差分析

馮勇先，馬俊杰，方文韜

（寶沃汽車（中國）有限公司，北京 100102）

汽車推進(jìn)角偏差較大時，車輛行駛過程中會出現(xiàn)跑偏問題。為了分析某車型扭力梁推進(jìn)角偏差超差問題，采用虛擬仿真分析技術(shù)創(chuàng)建理論模型，進(jìn)行尺寸鏈分析。模型構(gòu)建過程中，以變量角度（束角）函數(shù)定義目標(biāo)角度（推進(jìn)角）計算角度偏差。同時提出兩種計算推進(jìn)角編輯方案，避免結(jié)果失真。分析結(jié)果表明，扭力梁的聯(lián)軸器安裝面與面夾角公差是主要影響因子。依據(jù)分析結(jié)果對貢獻(xiàn)率排序靠前的尺寸鏈環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了超差率小于5%的目標(biāo)。

推進(jìn)角；扭力梁；偏差分析

推進(jìn)角作為汽車四輪定位的重要參數(shù)，對汽車行駛的穩(wěn)定性有著重要的影響。推進(jìn)角過大，將會導(dǎo)致輪胎的異常磨損，汽車易偏離其直線行駛方向，嚴(yán)重時將產(chǎn)生后軸側(cè)滑、甩尾等危險情況[1]。因此尺寸工程將推進(jìn)角的偏差分析作為四輪定位參數(shù)公差校核的一項重要工作。

當(dāng)?shù)妆P設(shè)計架構(gòu)為扭力梁式的非獨立懸架時，推進(jìn)角在四輪定位檢查線是無法調(diào)整的。為了避免后期匹配尺寸超差風(fēng)險，在項目開發(fā)的初期進(jìn)行偏差分析，識別出風(fēng)險并進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，同時識別出關(guān)鍵零件和關(guān)鍵尺寸進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，從而大大減少了后期質(zhì)量問題爆發(fā)的風(fēng)險。

本文以推進(jìn)角與前束角之間的幾何關(guān)系為基礎(chǔ)，搭建虛擬仿真模型。同時默認(rèn)前輪幾何中心偏移導(dǎo)致的實車中心線相對理論中心線的偏移，以及文獻(xiàn)1所列的車輞直徑對推進(jìn)角影響可忽略。

1 推進(jìn)角計算方法

推進(jìn)角是車后輪總前束的夾角平分線（推進(jìn)線）與車輛幾何中心線所成的角度，如圖1所示。角度大小為左、右后輪單獨前束差值的一半。

圖1 推進(jìn)角示意圖

＝(－)/2 （1）

式中：為推進(jìn)角，°；為左后輪前束，°；為右后輪前束，°。

本文所述的仿真模型是基于三維仿真軟件3DCS搭建而成，計算方法為蒙特卡洛模擬法。利用軟件的敏感度分析器和幾何影響因子分析器進(jìn)行后臺運算，算出需求的各項參數(shù)。所有分析是基于所涉及的零件為剛性件考慮，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6Sigma范圍，幾何特征的公差為對稱正態(tài)分布[2-4]。模型的仿真次數(shù)設(shè)置為5000次。

2 建模分析

2.1 仿真模型的輸入

三維數(shù)模：推進(jìn)角偏差分析模型涉及的主要零部件為：①白車身；②扭力梁；③聯(lián)軸器；④后懸架托盤；⑤AGV小車。

初版扭力梁分總成圖紙?zhí)峁┑亩ㄎ恍畔ⅲ骸榉挚偝蓽y量定位基準(zhǔn)，、孔為工裝上的定位孔，如圖2所示。

圖2 扭力梁定位系統(tǒng)

2.2 建模流程

仿真模型創(chuàng)建過程，如圖3所示。此模型的建立流程與其他三維分析模型最大區(qū)別在于建立測量目標(biāo)時，需要先建立束角的測量，再建立推進(jìn)角的測量，且推進(jìn)角測量需要引用束角測量。

圖3 仿真模型創(chuàng)建基本流程

2.3 單邊前束測量

靜態(tài)前束角是指在靜止的汽車上（參考狀態(tài)下）汽車縱向中心平面與車輪中心平面和地面的交線之間的角度。如果車輪的前部靠近汽車縱向中心平面，則前束為正值；反之則為負(fù)值[5]，如圖4所示。

圖4 前束角示意圖

測量點的創(chuàng)建需要考慮整車對應(yīng)的是何種載荷狀態(tài)。通常主機廠以空載狀態(tài)下的整車四輪定位參數(shù)要求作為調(diào)校線整車下線檢查標(biāo)準(zhǔn)，因此仿真模型中的地面線也應(yīng)選空載狀態(tài)的線。空載地面與理論數(shù)據(jù)的面（也稱0面）存在夾角，因此輪胎理論上與地面接觸會產(chǎn)生兩個接觸點，如圖5所示的、兩點。

圖5 輪胎地面接觸點

2.4 推進(jìn)角測量

采用軟件的User-DLL測量方法，通過公式編輯器完成推進(jìn)角的計算公式編輯，注意公式編輯器中單位需要更改為角度。由于選取束角的開始點和結(jié)束點不同，導(dǎo)致理論束角可能為正也可能為負(fù)。因此當(dāng)軟件推力角的理論值區(qū)域顯示的角度不為0時，一種方法是修改束角起始點，另外一種方法是可以算兩個角度之差時需要采用“加”的方法解決，公式如圖6所示。

圖6 推力角計算公式編輯

2.5 統(tǒng)計結(jié)果分析

后輪推進(jìn)角的仿真分析結(jié)果如圖7和表1所示。從圖7可知，推進(jìn)角偏差分布近似為正態(tài)分布。表1中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)均值與理論值相同，整個數(shù)據(jù)未發(fā)生理論偏移，對應(yīng)的6Sigma值為0.41°，大于目標(biāo)值0.2°，超差率都為14.46%，大于評價標(biāo)準(zhǔn)5%，因此理論計算結(jié)果不滿足設(shè)計目標(biāo)。

2.6 幾何影響因子分析

若統(tǒng)計分析結(jié)果不能滿足設(shè)計目標(biāo)時，需要對其幾何因子進(jìn)行分析。目的是識別出實物匹配時什么尺寸的波動會對最終的結(jié)果影響較大，為尺寸前期優(yōu)化提供解決方向。表2為推進(jìn)角的Geo Factor報告。從表中可知，扭力梁的四個特征的公差在整個公差累積貢獻(xiàn)率排名中在居于前列，因此可以得出扭力梁是推進(jìn)角這個參數(shù)對應(yīng)的關(guān)鍵零部件。貢獻(xiàn)率排在前兩位的公差為扭力梁左、右兩側(cè)的聯(lián)軸器安裝面面輪廓度，貢獻(xiàn)率都為32.84%，由此可以得出以上兩個尺寸應(yīng)該作為扭力梁的關(guān)鍵特性，即KPC。G Factor值是尺寸鏈公差放大縮小的系數(shù)，整個報告G Factor最大值為0.5，讓尺寸鏈環(huán)的公差值縮小一半，降低其在整個公差累積的貢獻(xiàn)率。由于G Factor即幾何影響因子減小可知優(yōu)化后的定位系統(tǒng)穩(wěn)定性更優(yōu)。

圖7 推進(jìn)角公差偏差范圍

表1 推進(jìn)角分析結(jié)果

3 方案優(yōu)化

若偏差分析的結(jié)果不能滿足設(shè)計目標(biāo)時，就需要對整個尺寸鏈進(jìn)行尺寸優(yōu)化。一般是選擇公差貢獻(xiàn)排在前3位的尺寸鏈進(jìn)行優(yōu)化。針對此案例表2的數(shù)值體現(xiàn)信息，優(yōu)化排在前兩位公差效果會最為明顯。根據(jù)相關(guān)工程師調(diào)研反饋：扭力梁的精度可提升到0.2°。按照以上公差輸入，重新計算6Sigma值可從0.41°優(yōu)化到0.34°，超差率為8.06%，但仍然不能滿足超出率小于5%的目標(biāo)。

排在貢獻(xiàn)率第3、4位的為扭力梁安裝定位孔的位置度。理論上分析，此案例的基準(zhǔn)發(fā)生轉(zhuǎn)換，增加了尺寸鏈環(huán)。若將測量基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)統(tǒng)一為圖2中的、孔，此裝配尺寸鏈環(huán)的公差就變?yōu)椤?”。在方案一、二同時實施條件下，軟件重新分析結(jié)果為：6Sigma值為0.32°，超差率5.46%，與目標(biāo)值只有0.46%的差距。

貢獻(xiàn)率第5位的公差為白車身的扭力梁工裝定位孔位置度公差，公差為2.0 mm。若提高相對整車基準(zhǔn)的公差要求，制造的成本會成倍增加。如果“打斷”此鏈環(huán)與整車基準(zhǔn)的公差要求，提高相對后地板局部基準(zhǔn)體系下的±0.5 mm的向尺寸要求，經(jīng)濟性相對較好，并且公差更容易保證。在模型中，通過增加兩個扭力梁工裝定位孔的相對尺寸公差要求，如圖8所示。在方案一、二和三都實施的條件下，6Sigma值為0.30°，超差率4.48%，滿足超差率小于5%尺寸目標(biāo)。

以上三種方案優(yōu)化效果對比結(jié)果如表3所示。在最終確優(yōu)化方案選定時，可對超差率降低的百分比與開發(fā)成本增加量進(jìn)行對比，保證優(yōu)化方案的經(jīng)濟性。

表2 推進(jìn)角GeoFactor報告

表3 優(yōu)化方案效果對照表

圖8 車身扭力梁定位孔X向尺寸要求

4 結(jié)語

本文針對扭力梁懸架系統(tǒng)下的推進(jìn)角偏差能否滿足設(shè)計目標(biāo)為研究對象，介紹如何利用三維仿真軟件創(chuàng)建推進(jìn)角仿真模型。建模過程中，研究嘗試了以變量角度（束角）函數(shù)定義目標(biāo)角度（推進(jìn)角）計算角度偏差的方法，并在軟件定義推進(jìn)角時提出了兩種編輯方式，通過區(qū)別計算方式來避免結(jié)果失真，供類似分析對象仿真建模參考。

此研究模型通過分析識別出推進(jìn)角偏差的主要干系零件扭力梁，主要尺寸鏈環(huán)為扭力梁上的聯(lián)結(jié)器安裝面向角度公差。通過多維優(yōu)化措施的嘗試，理論上驗證了目標(biāo)超差率得到改善并滿足要求。

[1]潘斌，馬俊，錢立軍. 推進(jìn)角影響下的汽車外傾角和前束值匹配計算的研究[J]. 現(xiàn)代制造工程，2016（4）：64-68.

[2]胡志敏，黃美發(fā)，鐘艷如，等. 基于尺寸鏈圖形理論的公差計算方法[J]. 機械設(shè)計與制造，2007（12）：106-108.

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[5]耶爾森·賴姆帕爾，著. 張洪欣，余卓平，譯. 汽車底盤基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)普及出版社，1992.

Deviation Analysis of Torsion Beam Thrust Angular

FENG Yongxian，MA Junjie，F(xiàn)ANG Wentao

( Borgward Automotive (China)Co., Ltd., Beijing 100102, China )

When deviation of automobile torsion beam thrust angular is more than tolerance, the vehicle’s direction deflect in running. For analyze deviation of vehicle torsion beam thrust angular, the virtual simulation technology was used to build model, which was analyzed dimensional chains. In process of building model, the angle (toe angle) function define the target angle (thrust angular) which was used in deviation analysis. Two editing programs were used in analysis of thrust angular, so the simulation result is less error. The analysis shows angle of torsion beam coupling mounting plane withplane is main effect factor. According to this analysis, high deviation of dimensional chains were corrected, the target which failure rate is less than 5% is realized.

thrust angular；torsion beam；deviation analysis

U461.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.009

1006－0316 (2018) 01－0042－05

2017－03－14

馮勇先（1982－），男，四川成都人，本科，工程師，主要研究方向為整車尺寸工程。