汽車柔性件尺寸分析方法研究

徐明洋，闞天水，張強

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汽車柔性件尺寸分析方法研究

徐明洋，闞天水，張強

（愛馳汽車有限公司，上海 200082）

隨著汽車工業尺寸工程長足的發展，推進了3D尺寸鏈分析在汽車行業中的廣泛應用。然而常規的3D尺寸鏈分析僅適用于剛性零件的裝配，無法對柔性件進行精確的尺寸分析，常常引起剛性分析結果無法體現實際匹配狀態的問題。文章通過運用3DCS FEA柔性模塊，對塑料翼子板進行三維尺寸鏈分析，有效評估尺寸目標設計的合理性，同時對裝配工藝進行了優化。最后，文章通過樣車驗證了3DCS FEA柔性尺寸鏈分析方法的合理性。

柔性件；塑料翼子板；尺寸鏈；3DCS；FEA

1 前言

研究表明，產品在設計階段需要投入的成本非常低，大概占總成本的5%，但設計階段的工作卻能決定產品成本的60%~70%[1]，而尺寸的合理設計是產品設計中最重要的環節之一。因此尺寸開發的目標為：在能夠滿足功能和匹配要求的情況下，允許公差最大化以降低制造成本。

產品設計的核心之一是如何正確分析產品主要組件的尺寸鏈關系從而設定合理的公差與配合，最終實現穩定的產品品質[2]。尺寸鏈分析的長足發展，助推了3D尺寸鏈分析在汽車行業中的快速發展, 不僅在傳統的車身內外飾而且在汽車底盤尺寸分析中得到了充分應用[3]。然而常規的3D尺寸鏈分析僅適用于剛性零件的裝配，無法對柔性件進行精確的尺寸分析，常常導致剛性分析結果無法真實體現實際匹配狀態。

本文示例中的塑料翼子板柔性較大、打緊點較多、過約束嚴重且打緊安裝方式對最終的裝配效果影響較大。常規尺寸分析難以準確計算出該零件對周圍零部件的匹配效果。本文運用3DCS FEA柔性模塊對塑料翼子板進行了三維尺寸鏈分析，找到了處理柔性零部件尺寸分析的新方法；同時針對塑料翼子板的裝配方法進行了細致研究，找出了最合理的安裝方式；最后在實車上進一步驗證了本論文的中提出的分析方法的可靠性。

2 裝配與工藝

裝配尺寸鏈的自動生成是計算機輔助尺寸鏈分析計算中的關鍵技術[4]。裝配尺寸鏈的生成依賴于零件間配合關系信息和零件內部的尺寸信息的表達和存儲[5]。為了確保尺寸分析的準確性和可靠性，數據搭建需完全與裝配工藝保持一致，如圖1所示。

圖1 裝配工藝路線圖

塑料翼子板的安裝定位方式較為復雜，配合關系與裝配點較多，如圖2所示。其中A1，A2，a7，B1，B2，b3采用前門模擬工裝進行定位；A3，a4，a5，a6采用前部發蓋間隙調整工裝進行定位；C1打緊到發蓋鉸鏈上；c2，c3，c4，D1，D2，F1，F2，F3直接打緊到車身上；D3，D4，E，G定位到充電口安裝支架上。

圖2 翼子板安裝定位布置圖

由于裝配點較多，容易產生各種過約束與形變。為了進一步研究塑料翼子板對總裝匹配狀態的綜合影響，本文研究了兩種分析方法：剛性尺寸鏈分析法和柔性尺寸鏈分析法。

3 塑料翼子板匹配研究

3.1 剛性尺寸鏈分析法

如圖3所示，將翼子板與前門以及翼子板與發蓋的DTS (Dimensional Technical Specification 尺寸技術規范，下文均簡稱為DTS)作為研究對象。翼子板與發蓋DTS定義為：間隙3.0+/-0.5mm，面差-0.25+/-0.75mm（發蓋低）；翼子板與前門DTS定義為：間隙3.75+/-0.5mm，面差0+0/-1.0mm。

圖3 測量點位置示意圖

對于一般剛性零件而言，只要滿足定位3-2-1要求，零件就能精確定位。塑料翼子板柔性較大且定位安裝點較多，普通的3-2-1裝配法會舍棄較多的安裝定位點。為了更精確的計算塑料翼子板的形變量，將塑料翼子板按照區域進行分割，選取對應位置且對DTS影響較大的定位點進行裝配分析。如圖4所示，將塑料翼子板定位按照與前門和前蓋配合區域進行分配。其中實線標注的基準為前門配合區域基準體系，虛線標注的基準以及A2&B1為發蓋配合區域基準體系。以兩套基準體系分別搭建數模，對應兩個區域的匹配尺寸鏈分析。

圖4 翼子板定位方式選取

通過3DCS基礎模塊進行剛性尺寸鏈分析，塑料翼子板與前門以及發蓋區域的DTS分析結果如圖6所示。

3.2 柔性尺寸鏈分析法

3DCS有限元柔性模塊(3DCS FEA CM)是3DCS結合有限元的方法精確模擬柔性零件以及裝配變形的高級模塊。該模塊可以模擬生產制造中的變形情況，諸如夾持、焊接、松開夾持、打緊順序調整以及施加外力等情況。該模塊以零件的剛度矩陣為依據計算變形，剛度矩陣是由專業的有限元軟件計算得到的。

3DCS FEA CM模塊能夠分析圖2中所示的所有安裝定位點，并模擬裝配工藝過程，分析出該零部件的尺寸公差累計、重力形變以及扭曲變形綜合結果。模型搭建整個裝配工藝過程思路如圖5所示。

圖5 3DCS FEA CM模塊數模搭建步驟

數模搭建完畢后運行FEA仿真分析，分析結果如圖6所示。

對比剛性尺寸鏈分析與柔性尺寸鏈分析結果，對于翼子板相關DTS，柔性尺寸鏈分析要比剛性尺寸鏈分析結果差。剛性尺寸鏈分析對影響因素有所取舍，難以完全反應綜合匹配真實狀態；而柔性尺寸鏈分析考慮進來的影響因素較多，從貢獻因子的區別來看，FEA柔性分析結果基本包含了所有的影響因素。

圖6 剛性分析與柔性分析結果對比

3.3 裝配順序優化

從圖6的分析結果可以看出，現有翼子板裝配工藝匹配效果不佳，公差累計較大，且部分位置超差嚴重。由于塑料翼子板的柔性較大，不同的安裝順序對翼子板的最終裝配狀態會有不同的影響。為了進一步提高翼子板的匹配效果，對裝配工藝安裝順序進行了優化，方案如圖7所示。

圖7 翼子板裝配順序工藝方案

對三個方案分別進行建模分析，將分析結果統一匯總并進行對比，如圖8所示。方案1和2比原打緊順序綜合效果要好，特別是前門與翼子板面差優化效果明顯。方案1與2結果相近，但在不同位置各有優劣。

圖8 翼子板打緊順序優化對比

4 樣車實物驗證

為更近一步驗證本文分析方法的可靠性與正確性，選取10輛樣車，按照3種裝配方案分別進行裝配，然后測量出每個方案的測量報告，共計3X10份。將測量結果取公差平均值，繪制公差分布圖，如圖9所示。

圖9 樣車測量公差分布圖

可以得出，優化方案1和優化方案2比原設計裝配順序綜合匹配效果更好，而優化方案2比優化方案1的效果更好，實車測量的結果一定程度上驗證了本文分析方法的可靠性與正確性。

雖然樣車數據能驗證分析的可靠性與正確性，但由于樣本數較少、樣車尺寸穩定性差、工裝裝配工藝所限，測量結果還需在量產階段通過大量數據進一步尺寸驗證。

5 小結

本文以塑料翼子板為例，闡述了針對柔性零部件的一種可靠的尺寸鏈分析方法。通過3DCS FEA模塊對柔性件進行尺寸鏈分析，相比剛性模塊更能反映真實的狀態；同時通過對柔性件在不同裝配工藝條件下進行柔性尺寸鏈分析，為尋求最優的裝配工藝方案提供了強有力的理論支持，并得到了有效驗證。隨著汽車制造水平和對車身匹配要求的不斷提高，尺寸鏈的柔性分析方法將會應用到更多更深的層次中去。

[1] 盧華軍.汽車產品設計階段成本控制技術研究.[J]重慶大學,2011: 10-20.

[2] 劉學成.淺析產品設計中公差與配合及尺寸鏈分析的應用.[J]科學與財富,2017(18):30-35.

[3] 闞天水,徐明洋,徐旭松,吉庭婷.3DCS在汽車底盤尺寸與公差分析中的應用.[J]現代制造工程,2017 (5) :97-101.

[4] 吳昭同,楊將新.計算機輔助公差優化設計.[M]浙江大學出版社, 1999:1-15.

[5] 薛文濤.數字化裝配建模技術的研究.[M]南京理工大學出版社, 2004:5-25.

Research on Dimensional Analysis Method of Automotive Flexible Parts

Xu Mingyang, Kan Tianshui, Zhang Qiang

( AI-WAYS Automotive Co., Ltd, Shanghai 200082 )

With the wide development of dimensional engineering in automotive industry, 3D dimensional analysis has been used more and more frequently in automotive industry. However, general 3D dimensional tolerance chain analysis is only suitable for rigid parts, and it is particularly difficult for flexible parts, and rigid analysis results could not be matched with actual status. In this paper, according to 3DCS FEA flexible module, three-dimensional tolerance chain analysis of plastic fender is carried out to effectively evaluate the rationality of the dimensional target, and the final assembly process is optimized. Finally, the paper validates the rationality of the 3DCS FEA flexible dimensional tolerance chain analysis method through prototype cars.

Flexible Part; Plastic Fender; Dimensional Tolerance Chain; 3DCS; FEA

A

1671-7988(2019)03-167-03

U466

A

1671-7988(2019)03-167-03

U466

徐明洋，就職于愛馳汽車有限公司，碩士，美國ASME GD&T高級認證專家，全國產品幾何技術規范標準化技術委員會委員，研究方向為汽車尺寸工程。闞天水，就職于愛馳汽車有限公司，碩士，美國ASME GD&T高級認證專家，中級工程師，研究方向為汽車尺寸工程。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.055