基于3DCS的車門運動尺寸分析

徐明洋，闞天水，丁劍峰

（愛馳汽車有限公司，上海 200082）

前言

隨著尺寸工程在汽車行業(yè)的廣泛發(fā)展，尺寸鏈分析得到越來越多汽車公司的重視。通過對公差進行尺寸鏈累計分析，汽車行業(yè)逐步建立了一套科學的尺寸公差問題解決方案[1]。

1D尺寸鏈計算由于能夠滿足大部分的初級公差分析要求，在線性的尺寸鏈分析中如汽車內飾匹配等領域得到了廣泛應用[2]。對于復雜的空間接口，通常會引入3D尺寸鏈分析軟件進行仿真計算，其在大燈周邊、門蓋外觀匹配以及底盤裝配等汽車領域得到了廣泛應用[3]。目前3D分析軟件3DCS和VSA兩種主流軟件，都是采用蒙特卡羅模擬算法，其基本思想是把封閉環(huán)尺寸公差的問題轉化為求解一個隨機變量的統(tǒng)計問題來處理，封閉環(huán)尺寸公差的確定，采用隨機模擬和統(tǒng)計實驗的方法求解[4]。

汽車門蓋開啟或關閉過程中如果設計間隙過小，可能會出現干涉碰撞問題。不考慮公差累計的運動校核，難以計算出公差累計后的真實最小間隙。通過3DCS進行運動仿真分析，可以有效反映空間狀態(tài)下零件的工藝公差累計結果并計算出在具體某個位置時的最小間隙，從而評估尺寸技術要求以及產品結構的合理性。本文以后門到車身的DTS設計間隙3.5±0.5mm為例，通過三種運動分析方法計算出其最小運動間隙。

1 裝配與工藝

后門的安裝工藝如圖1所示。鉸鏈分裝成鉸鏈總成，并通過工裝安裝到后門總成上；后門帶鉸鏈總成通過機器人自動裝配工裝裝配到白車身上。

后門自動裝配的定位基準如圖2所示，后門總成前部通過鉸鏈與車身進行打緊，作為Y向定位；其余X/Y/Z向定位通過工裝與車身進行自動調整實現。

圖2 后門總成工裝定位示意圖

針對后門與側圍間隙，本文總結了三種3D計算方法，并對三種方法的優(yōu)劣性及適應范圍進行分析對比。

方法一：傳統(tǒng)運動校核法（DMU+一維尺寸分析）；

方法二：最差點運動校核法（DMU+3DCS靜態(tài)分析）；

方法三：動態(tài)尺寸校核法（3DCS Mechanical運動分析）。

2 后門與車身最小間隙運動分析

2.1 傳統(tǒng)運動校核法

傳統(tǒng)運動校核法流程見圖3：

后門與車身間隙DTS公差設計要求為3.5±0.5mm，運用CATIA軟件自帶的DMU Kinematics運動分析方法，評估運動包絡過程中最小的間隙能否滿足最小安全間隙要求（標準為1.0mm）。

DMU Kinematics為可以模擬運動機構的模塊，在數據中能夠做出機構的運動狀態(tài)分析。它依照運動學的原理，通過約束自由度的方式建立機構，并且分析機構的運動狀態(tài)與移動軌跡。

圖3 傳統(tǒng)運動校核法流程圖

在本例分析中，將DMU Kinematics分析角度設置為0.5到-1度（后門從內向往打開），后門鉸鏈每0.1度測量一次理論最小間隙并記錄最小間隙處后門上的Z向坐標值。分析結果如圖4所示。累計為mm，該值則為最惡劣公差值。公式中公差設置：車身間隙面公差為±0.5mm，工裝調整公差為±0.15mm，后門間隙面公差為±0.5mm。

圖4 后門與車身DTS間隙DMU測量結果

因此，后門與車身的最小間隙為2.03-0.72=1.31mm，其中2.03為DMU計算下的最小理論間隙，0.72為最惡劣公差計算結果。可知，此種分析狀態(tài)下，設計規(guī)范能夠滿足最小安全間隙1.0mm的要求。

2.2 最差點運動校核法

最差點運動校核法流程見圖5：

由圖4可知，在后門鉸鏈往車內方向旋轉0.4度的時候，后門與車身的DTS間隙最小距離為2.03mm；最小距離的位置在車身坐標系下為Z向坐標1071.86mm。

由于后門與車身采用工裝調整裝配，即后門通過側車身在X向自動調整。通過尺寸鏈均方根算法進行分析，則公差

圖5 最差點運動校核法流程圖

在3.1中，運用CATIA軟件自帶的DMU Kinematics運動分析模塊找出后門在開閉過程之中的理論最小距離點（開啟角度0.4度時，在Z向坐標1071.86mm處），通過3DCS基礎模塊靜態(tài)仿真在該狀態(tài)下的公差累計結果，從而計算出最小間隙值。

由于DMU模塊分析的結果為理論數據狀態(tài)，而考慮車身公差累計之后的最小間隙、角度和位置均會發(fā)生不同程度的偏移。為了更精確的計算出公差累計后的最小間隙、角度和位置，在0.4度附近設置計算圓弧公差，公差角度為0.4±0.1度，即在該角度范圍內尋找間隙最小的角度值；在后門Z向理論最小距離點附近同時設置一定的測量范圍 1071.86±10mm，以找到考慮公差后的最小間隙點。測量的位置如圖6淺白色區(qū)域所示（下部靠近輪眉處）。

圖6 最小間隙點位置分析示意圖

由圖 7的計算結果可以看出，公差 6西格瑪值為±0.86mm，最小間隙為 1.10mm，與方法一結果差別較大。同時也能夠滿足最小運動安全間隙1.0的設計要求。

圖7 后門0.4度附近時最小間隙計算結果

根據最小間隙狀態(tài)，測量該狀態(tài)的后門旋轉角度，測量結果約為0.377度，如圖8所示。

圖8 最小間隙時的旋轉測量角度

保持最小間隙數據狀態(tài)，用 CATIA基礎測量命令測量最小間隙，從而得出在該狀態(tài)下后門的 Z向坐標點為1071.391mm，如圖9所示。

圖9 最小間隙時的后門坐標位置

2.3 動態(tài)尺寸校核法

運動尺寸校核法流程見圖10：

圖10 動態(tài)尺寸校核法流程圖

3DCS Mechanical是一個易于使用的、用于機械和運動組件裝配的尺寸偏差分析解決方案。它提供了一個不同于3-2-1 定位方法的運動副和約束庫用于建立裝配模型。組件可以是剛體，并可以在一定范圍內運動，并且可以計算出在運動過程中，各步的模擬結果。

為了減少 3DCS計算量和提高計算速度，將 3DCS Mechanical分析角度范圍設置為0.5到-1度，每0.1度作為步進間隔進行測量一次。3DCS Mechanical 模塊不同于基礎模塊的輸出格式，該模塊輸出格式為Excel統(tǒng)計表，而非類似于正態(tài)分布的貢獻因子類型。計算結果圖表轉換成柱狀圖，如圖11所示。

圖11 3DCS Mechanical運動仿真計算結果

圖11中結果可知，在后門旋轉0.4度時， 6西格瑪值為±0.79mm，最小間隙為 1.08mm。，同時也能夠滿足最小安全間隙1.0mm的設計要求。

通過CATIA基本功能將后門旋轉0.4度，采用CATIA測量工具測量后門與車身間隙，找出最小間隙Z向坐標點。如圖12所示，后門在Z向坐標為1071.86mm處，間隙值最小。

圖12 后門旋轉0.4度時最小間隙位置

2.4 三種運動尺寸分析的對比

通過上述分析結果可以得出：方法二和方法三結果相似，與方法一結果相差較大。針對三種分析方法進行優(yōu)劣性對比，對比結果如表1所示。

針對三種方法的優(yōu)缺點，其適用范圍建議如下：

傳統(tǒng)運動校核法：適用于產品工程師設計的時候采用，效率較高。對于沒有3DCS軟件的工程師，建議采用DMU+1D公差累計方式進行計算，能夠相對準確的分析運動間隙。

最差點運動校核法：適應于尺寸工程師在時間充裕的條件下進行運動間隙分析，特別是計算精度較為敏感且對功能影響較大的運動分析。

動態(tài)尺寸校核法：建模時間較短，適用于大部分的運動間隙分析。由于產品結構更新基本為最小距離點所在面的調整，故對最小間隙點的坐標不甚敏感，基本能夠滿足大部分的數據分析工作，也是最為推薦的一種分析方法。

表1 三種分析方法的優(yōu)劣性對比

3 樣車驗證

為了驗證新的運動尺寸分析方法的正確性與合理性，在樣車試制階段，選取5量樣車進行測量。每輛車后門往內旋轉0.4度（需解除密封膠條與鎖扣，以防旋轉不了）并固定，從上到下選取5個測量點。其中測點5為運動分析出的最小間隙點位置，如圖13所示。

圖13 后門與車身測量位置

測量結果如圖14所示。

圖14 后門往內旋轉0.4度與車身間隙測量結果統(tǒng)計

根據圖14計算可得，測點1到5五個位置各自的平均值依次為1.33mm、1.44mm、1.37mm、1.33mm和1.24mm，其中測點5間隙處距離最小。由于數據樣本較少且樣車尺寸穩(wěn)定性較差，相關數據不足以評判公差控制精度，但能基本反應尺寸控制趨勢和本文運動尺寸分析方法的合理性。

4 結論

對于傳統(tǒng)的尺寸分析方法，大多還處于尺寸鏈靜態(tài)分析狀態(tài)。對于運動過程中產生的尺寸鏈分析起來比較困難。本文通過對三種處理運動間隙分析方法，找到了更加有效、更加科學的運動間隙尺寸鏈分析手段。尤其是3D公差分析軟件的采用大大提高了計算精度，能夠在設計階段更精確地識別和評判風險，避免在生成過程之中產生的尺寸問題變更費用和變更時間。隨著3D尺寸鏈分析軟件應用的不斷成熟，運動尺寸分析將變得越來越普遍，且應用范圍也將越來越廣。