尺寸偏差控制技術在汽車塑料尾門中應用研究

喻大偉，蔡浩華，孫曉明，陳普

(東風汽車公司技術中心，湖北武漢 430058)

0 引言

隨著“十三五”節能減排規劃的發布，作為國家支柱產業的汽車行業已將節能減排作為未來發展的趨勢。而其中，輕量化技術則是實現節能減排的關鍵技術之一。汽車質量每下降10%，油耗下降6%～8%，排放減少4%～6%[1]。現有汽車背門大部分為鈑金沖壓焊接成形，零部件數量多，質量大，受金屬沖壓成形工藝限制，其造型也因此受限。塑料復合材料因其密度低，比剛度、比強度高，造型自由等優點，廣泛用于汽車中實現輕量化，近年來出現了眾多輕量化的塑料尾門[2-3]。由于塑料尾門本身的材料特性、制造工藝與傳統鈑金尾門有很大差異，導致目前針對鈑金尾門的尺寸偏差控制標準不能簡單地移植到塑料尾門的設計與制造中。因此研究與塑料尾門相匹配的尺寸偏差設計與調試標準迫在眉睫。

1 尺寸偏差控制技術

尺寸偏差控制技術主要分為前期設計階段的尺寸偏差設計和后期工業化階段的尺寸偏差調試。

尺寸偏差設計是以既定或預期的制造能力為出發點，開發合理的定位、合理地分配和制定公差及設計恰當的加工、裝配工藝以使產品達到既定的匹配和功能要求，并且通過應用尺寸鏈分析或虛擬仿真技術對上述尺寸設計和尺寸要求進行風險評估和預防的一系列活動。尺寸偏差調試是運用科學有效的驗證技術以及監控手段對尺寸偏差進行有效的診斷、預測以及調試補償的一系列活動。在汽車塑料尾門開發過程中，無論是前期設計階段還是后期工業化階段，都運用了多種尺寸分析、控制手段使整個背門尺寸達到最優狀態。圖1為汽車塑料尾門在尺寸開發過程中涉及的主要內容以及重要應用技術。

圖1 涉及塑料尾門尺寸開發的主要內容和技術

2 面向汽車塑料尾門的尺寸偏差設計

2.1 公差分析技術

公差分析也叫作公差的驗證，就是指已知各零件的尺寸和公差，確定最終裝配后需保證的封閉環的公差。傳統鈑金尾門是將沖壓成形鈑金件運用焊接工藝焊接成內、外板分總成，然后使用包邊工藝使內板和外板包合而成。而新型的塑料尾門則是將注塑成形的內、外板運用粘接工藝連接成形。由于傳統鈑金背門在汽車制造中廣泛使用，因此其尺寸公差控制標準已非常成熟，所以針對新研發的鈑金背門的公差分析，各大主機廠往往直接沿用已量產車型的尺寸公差標準。而針對塑料尾門的尺寸公差分析，由于缺乏成熟的可借鑒的量產車型的尺寸公差標準，因此對塑料尾門的尺寸公差分析技術的研究與運用勢在必行。

現在被廣泛運用的公差分析方法可以分為如下3種:極值法(Worst Case,WS)、方和根法(Root Sum Squared,RSS)以及蒙特卡洛模擬法(Monte Carlo Simulation)。針對塑料尾門的尺寸公差研究，文中主要使用方和根法。圖2為塑料尾門擾流板區域Y向尺寸鏈計算實例。

圖2 塑料尾門擾流板區域Y向尺寸鏈計算實例

對塑料尾門各區域的尺寸鏈分析計算，可以得到初版尺寸公差值，如圖3所示。通過對比傳統鈑金尾門與塑料尾門尺寸公差，可以得出：由于材料、工藝的特殊性，塑料背門的尺寸公差值往往比鈑金尾門大。因此為了降低塑料尾門的尺寸公差值需后期制造時加強對工藝參數(注塑壓力、溫度、時間等)以及裝配穩定性的管控。

圖3 塑料尾門與鈑金尾門各區域公差對比

2.2 有限元尺寸分析技術

有限元方法是結構分析中的一種數值計算方法，也叫“有限單元法”(Finite Element Method，FEM)，這種方法在結構力學領域的分析中引入了矩陣方法，使其在分析計算中的規律性很強，因此適用于通過計算機運算來解決實際問題[2-3]。目前在尾門設計中，主要運用有限元方法建立有限元模型完成多種工況下的模態分析和剛度分析。而在實際塑料尾門與車身裝配完成后，由于尾門自身的性能以及車身上其他裝配附件(如：尾門氣撐、密封條、尾門玻璃、尾門鎖、尾門鎖扣等)的影響，尾門上局部位置將發生尺寸變形，最終影響整車的外觀美學性。因此在塑料尾門前期設計階段引入有限元方法對尾門變形進行有效分析以及對策優化將降低后期整車制造時產生的尺寸缺陷風險。

在進行整車狀態下塑料尾門尺寸變形分析時，由于受到生產線工位規劃布置的影響，目前有兩種裝配方案：方案一：尾門玻璃先與尾門裝配完成后，再與車身裝配；方案二：尾門(未帶玻璃)先與車身裝配，然后裝配氣撐、密封條、鎖、鎖扣，最后裝配玻璃。為了更好地對最終裝配效果做出評價，將對兩種方案分別進行有限元尺寸分析。圖4為方案一(先裝尾門玻璃)有限元尺寸分析結果，圖5為方案二(后裝尾門玻璃)有限元尺寸分析結果。

圖4 方案一有限元尺寸分析結果

圖5 方案二有限元尺寸分析結果

通過對比方案一與方案二的結果發現：(1)車身附件產生的反力對尾門尺寸有較大影響；(2)裝配順序對最終的尺寸結果有較大影響；(3)受塑料尾門自身性能以及造型影響，各局部位置變形無規律，后期工藝調整困難。因此設計階段的有限元分析技術為工藝反變形尾門數據的設計以及塑料尾門的特殊檢具設計提供了理論基礎。

3 面向汽車塑料尾門的尺寸偏差調試

3.1 檢具設計技術

傳統的鈑金尾門總成檢具是在尾門開發及批量生產階段，用來評價尾門尺寸品質狀態的一種檢測設備，它能模擬尾門裝配狀態，集中發現品質問題并能對工序變化量、重要功能孔及重要安裝面進行品質管理，快速解決問題[3]。

圖6為某車型鈑金尾門總成檢具，該檢具可以實現里板單件、里板總成、尾門板件總成及尾門(帶鉸鏈)總成的外觀間隙面差、密封面以及尾燈、鎖、氣撐安裝孔位置度檢測。

圖6 某車型鈑金尾門總成檢具

塑料尾門總成檢具的設計開發大致與鈑金尾門一致。但通過前期設計階段有限元尺寸分析發現，車身裝配附件對尾門最終裝配狀態有很大影響，因此如何在尾門檢具設計中增加和模擬實現與實車裝配相一致的裝配狀態則是新型塑料尾門檢具設計的重點。圖7為某車型塑料尾門總成檢具，在檢具中增加車身裝配附件(尾門氣撐、密封條、尾門鎖扣等)的安裝結構,可以有效模擬總裝尾門裝配狀態，確認整個系統裝配完成后對尾門尺寸的影響。

圖7 某車型塑料尾門總成檢具

3.2 實物驗證技術

實物驗證技術主要是運用實物驗證試驗手段驗證產品設計是否符合產品的性能要求。在前期設計階段，利用公差分析、有限元尺寸分析已經對整個塑料尾門總成以及尾門在整車上的裝配狀態進行了理論分析，但實際尾門裝配時如產生圖5的裝配尺寸變形時，往往首先會通過調整尾門鎖扣的位置綜合考慮尾門的整體變形狀態，使其處于最優尺寸狀態下，而整個過程的尺寸變化差異以及優化目前很難仿真模擬。因此需要利用總成檢具或整車主模型檢具進行實物驗證試驗對尾門的尺寸變化做進一步的驗證。

實物驗證試驗的整體思路：主要對比實物尾門的初始總成尺寸(尾門的重要尺寸100%合格)與在標準檢具或標準白車身上將尾門相關裝配附件裝配完成后的變形尺寸。通過對各局部位置的尺寸變形量的分析，既可以有效驗證前期仿真分析的準確性，為后續新塑料尾門累計真實可信的數據形成組織記憶，又可以為尾門的最終尺寸改善提供數據支持。圖8為通過實物驗證試驗，確認的尾門各局部位置的變化特點及變化量。

圖8 某車型尾門各局部位置尺寸變化圖

4 結束語

在汽車塑料尾門的前期設計階段引入尺寸偏差控制技術可以對尾門的尺寸公差及尺寸變形規律進行有效仿真和確認，為后續制造提供理論支撐；在工業化調試階段引入尺寸偏差控制技術可以則可更準確、更快速，更直觀地分析出質量缺陷的根本原因，從而快速地改進質量。 表1為尺寸偏差控制技術在新型塑料尾門與傳統鈑金尾門中應用的特點與差異。

表1 尺寸偏差控制技術在鈑金尾門與塑料尾門運用中的特點與差異

參考文獻:

[1]中國汽車工程學會，中國汽車輕量化技術創新戰略聯盟，中國第一汽車股份有限公司技術中心.中國汽車輕量化發展：戰略與路徑[M].北京：北京理工大學出版社，2015.

[2]顧麗揚.某轎車塑料背門結構優化設計研究[D].長春：吉林大學，2013.

[3]王建中，田學強.汽車五門一蓋綜合檢具的開發與運用[J].汽車工藝與材料，2010(6):48-51.

WANG J Z,TIAN X Q.Development and Application of Checking Fixture for 5-door and 1-cover of Vehicle[J].Automobile Technology & Material,2010(6):48-51.