汽車前后門裝配定位方案虛擬仿真分析

張少雄

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

汽車外觀是吸引潛在顧客進行消費選擇的重要因素，車身外觀從視覺角度可以分成前端區域、側圍四門區域、尾部區域等。其中，側圍四門是消費者視覺接觸最頻繁的區域，所以四門與周邊區域的間隙面差是整車DTS最重要組成部分。同時，四門與車身的裝配精度也會影響整車風噪聲、外觀品質、四門開閉的舒適性和順暢性等等，是衡量整車生產企業車身設計與制造水平的重要指標之一。四門精度控制包括側圍、鉸鏈、車門總成的零部件精度和配合，需要充分運用尺寸鏈分析方法進行裝配定位分析，不斷進行優化，得到符合現有生產工藝水平的、能夠提高匹配精度的最優裝配定位方案。

1 前后門的構成

普通轎車的前后門總成通過門鉸鏈與側圍進行連接，門鉸鏈普遍采用鑄造鉸鏈，包括固定部分（即鉸鏈座，固定在側圍上）、活動部分（安裝在車門上）和中心軸［1］；用該車門鉸鏈時，一般采用與車門和側圍采用螺栓連接方式［2］。

2 前后門裝配流程圖

目前主流車企四門車門的裝配均采用從后往前的方式，其裝配順序為：后門—前門—翼子板［3］。而實現側圍、鉸鏈、車門三者裝配的定位方式一般有兩種：

（1）鉸鏈先通過側圍工裝裝配到側圍，然后車門直接通過定位銷或定心螺栓與鉸鏈進行自定位裝配［4］，如圖1所示；

（2）鉸鏈先通過工裝或自定位裝配到車門，然后通過門工裝將帶鉸鏈的門總成裝配到車身上［5］，如圖2所示。

圖1 方案一前后門裝配定位方案

圖2 方案二前后門裝配定位方案

這兩種裝配定位方式對于以四門區域內外間隙為閉環的裝配尺寸鏈是不一樣的，故而需要進行尺寸鏈分析對比，實現裝配最優化。

3 四門裝配定位方案虛擬分析

為得到裝配優化結果目標值，即四門裝配后內外間隙值，傳統方法主要是在生產中進行驗證，該方法的風險主要是當無法滿足精度目標時，需要在后期進行設計方案變更，從而導致項目成本和周期的巨大風險，所以在此之前可運用三維公差分析軟件進行模擬生產統計學分析進行虛擬驗證。

本文主要討論通過三維公差分析軟件將整車數模、GD&T文件、定位裝配方案等相關信息建立起整車分析模型對四門區域的DTS在兩種裝配定位方案下進行虛擬計算。

3.1 模型基本假設

（1）模擬計算時以裝配5 000輛車為計算基礎，進行統計分析。

（2）所有零件公差只考慮6σ范圍。即99.73%的值落在公差范圍內，0.27%的值在公差范圍外。

（3）所有幾何特征的公差為對稱正態分布。即公差分布位于公差帶中心。

（4）對于非對稱公差帶，推薦公差分布位于公差帶中心。

（5）不考慮手動調整。

（6）建模時所有的零部件假設都是剛體，不考慮焊接變形和回彈。

3.2 建模通用公差及輸入各零部件詳細GD&T信息

各平臺車型需要根據項目定義進行通用公差的設計。

3.3 定義四門區域DTS分析目標

四門裝配后主要關注在關閉或運動的過程中前門與后門、門與翼子板、門與側圍之間的關系是否滿足要求，以及密封條的性能能否保證。本文以裝配后的內外間隙值波動范圍為對比的目標，對兩套裝配定位方案進行尺寸鏈分析。

運算前需要定義此次分析所需的目標區域。由于是要對比兩個方案的優劣，故需要選取能反映前后門裝配狀態在X向、Y向、Z向變化的點。圖3所示為某車型四門各DTS區域按編號01～08測量點進行模擬分析。

圖3 某車型四門區域DTS分析目標編號

3.4 裝配工藝規劃輸入

3.4.1 整車模型中零件、總成裝配順序

裝配順序參考CATIA 3D數模中的裝配樹。

3.4.2 四門工裝的裝配工藝輸入

（1）方案一：使用側圍工裝進行四門裝配

先將鉸鏈用工裝安裝到車身上，預緊鉸鏈螺栓，定位方案如圖4、5所示［6］；再將四門按照后門-前門的順序用定心螺栓直接與鉸鏈進行緊固。

圖4 車門鉸鏈在工裝上的定位示意圖

圖5 車門鉸鏈工裝在白車身上的定位示意圖

（2）方案二：使用側圍工裝進行四門裝配

先將鉸鏈用工裝安裝到車門上，預緊鉸鏈螺栓，定位方案如圖6所示；再將四門按照后門-前門的順序用門工裝裝配到車身上。

圖6 鉸鏈在車門工裝定位示意圖

門工裝主要有內置式和外置式兩種。本文主要分析采用內置式門工裝的方式：其定位方案如圖7所示，前車門的定位策略與后車門一致。

圖7 內置式門工裝示意圖

3.5 虛擬驗證結果分析

對定義好的兩套裝配定位方案的模型分別進行虛擬驗證，進行統計分析得到表1所示的分析結果。

表1 四門區域DTS兩套裝配方案結果

對超差部分進行統計分析。按照X向、Y向、Z向等分別做出對比圖。以分析兩套工裝方案對3個整車方向形成的間隙面差的不同影響。

（1）X向位置尺寸偏差分析

通過對01（前門與翼子板）、03（前門與后門）、05（后門與側圍）、07（前門框與后門框）點的GAP分析結果進行對比可得出兩套方案的X向偏差分析，如圖8～16所示。

圖8 01測點區域6σ X向偏差對比圖

圖9 05測點區域6σ X向偏差對比圖

圖10 03、07測點區域6σ X向偏差對比圖

通過圖8～10可以看出，前后門區域3處縫隙的偏差趨勢是一致的，現對05測點重要影響因子（組成環公差）進行詳細的分析，其中方案一的公差影響主要來源如圖11所示，方案二的公差影響主要來源如圖12所示。

圖11 方案一05測點X向間隙公差影響因子

圖12 方案二05測點X向間隙公差影響因子

由圖可知后面與側圍間隙DTS的偏差，在運用方案一側圍工裝主要影響因子有：鉸鏈工裝定位孔（側圍處）位置度和側圍間隙面輪廓度、后門外板間隙面輪廓度等；而在運用方案二門工裝的主要影響因子為：門工裝定位面輪廓度。方案二由于工裝定位面采用側圍拉沿面（面輪廓度1.0），精度比方案一采用的定位孔（位置度0.5）要差，且方案二的工裝定位面對X向縫隙靈敏度達到4.5，是造成X向間隙DTS波動最大的貢獻因子。

（2）Y向位置尺寸偏差分析

通過對01（前門與翼子板）、03（前門與后門）、05（后門與側圍）、07（前門框與后門框）點的FLUSH分析結果進行對比可得出兩套方案的Y向偏差分析，如圖13～15所示。

圖13 01測點區域6σ Y向偏差對比圖

圖14 05測點區域6σ Y向偏差對比圖

圖15 03、07測點區域6σ Y向偏差對比圖

由圖可以看出，前后門區域3處縫隙的偏差趨勢是一致的，現對05測點重要影響因子（組成環公差）進行詳細的分析，其中方案一的公差影響主要來源如圖16所示，方案二的公差影響主要來源如圖17所示。

圖16 方案一05測點Y向間隙公差影響因子

圖17 方案二05測點Y向間隙公差影響因子

由圖可知后門與側圍面差DTS的偏差，在運用方案一側圍工裝主要影響因子有：后門內板包邊面輪廓度、后門外板面差面輪廓度、鉸鏈工裝定位面輪廓度等；而在運用方案二門工裝的主要影響因子為：門工裝定位面輪廓度、后門內板包邊面輪廓度。

方案二工裝定位面采用側圍拉沿面（面輪廓度1.0），其對Y向縫隙靈敏度達到2.2，是造成Y向間隙DTS波動最大的貢獻因子，后門內板包邊面輪廓度影響次之。而方案一最大的貢獻因子僅僅為后門內板包邊面輪廓度，且其工裝定位面的精度更高（面輪廓度0.5）且對Y向縫隙靈敏度僅為1.2～1.4。

（3）Z向位置尺寸偏差分析

通過對02（前門與門檻）、04（后門與門檻）、06（后門框與側圍）、08（前門框與側圍）點的GAP分析結果進行對比可得出兩套方案的Z向偏差分析，如圖18～21所示。

圖18 02測點區域6σ Z向偏差對比圖

圖19 08測點區域6σ Z向偏差對比圖

圖20 04測點區域6σ Z向偏差對比圖

圖21 06測點區域6σ Z向偏差對比圖

由圖可以看出，前后門區域3處縫隙的偏差趨勢是一致的，現對04測點（后門與門檻）重要影響因子（組成環公差）進行詳細分析，其中方案一的公差影響主要來源如圖22所示，方案二的公差影響主要來源如圖23所示。

圖22 方案一04測點Z向間隙公差影響因子

圖23 方案二04測點Z向間隙公差影響因子

由圖可知后門與側圍門檻間隙DTS的偏差，在運用方案一側圍工裝主要影響因子有：后鉸鏈工裝定位孔（側圍處）位置度、側圍間隙面輪廓度、后門外板間隙邊輪廓度；而在運用方案二門工裝的主要影響因子為：門工裝定位面輪廓度、后門內板包邊面輪廓度。

方案二工裝定位面采用側圍拉沿面（面輪廓度1.0），精度比方案一采用的定位孔（位置度0.5）要差，且其對Z向縫隙靈敏度達到2.2，是造成Z向間隙DTS波動最大的貢獻因子。

3.6 模擬分析結果總結

3.6.1 采用門工裝分析結果總結

（1）X向工裝定位面對X向縫隙靈敏度為4.5，即當側圍拉沿面（面輪廓度1.0），有效公差達到4.5，直接影響四門區域的間隙面差DTS偏差。

（2）Y向工裝定位面對Y向縫隙靈敏度為2.2，即當側圍拉沿面（面輪廓度1.0），有效公差達到2.2，直接影響四門區域的間隙面差DTS偏差。

（3）Y向工裝定位面對Z向縫隙靈敏度為2.2，即當側圍拉沿面（面輪廓度1.0），有效公差達到2.2，直接影響四門區域的間隙面差DTS偏差。

3.6.2 采用側圍工裝分析結果總結

（1）前后門上下鉸鏈同時通過工裝定位裝配到側圍上，再通過定心螺栓裝配四門。

（2）X向受工裝定位孔（側圍處）位置度影響最大，定位孔精度較高（位置度0.5），有效公差也僅為1.2，相比上述門工裝方案對四門區域的間隙面差DTS偏差影響更小。

（3）Y向由于采用鉸鏈定心螺栓，最大的貢獻因子為后門內板包邊面輪廓度，工裝定位面面輪廓度次之，精度更高（面輪廓度0.5），且對Y向縫隙靈敏度僅為1.2～1.4，相比上述門工裝方案對四門區域的間隙面差DTS偏差影響更小。

（4） Z向受定位鉸鏈工裝定位孔（側圍處）位置度影響最大，定位孔精度較高（位置度0.5），有效公差也僅為1.1，相比上述門工裝方案對四門區域的間隙面差DTS偏差影響更小。

4 結束語

四門裝配質量由于車門安裝過程涉及工位多、零部件類型繁雜，其裝配質量的有效控制一直是個難點。為提高乘用車車門裝配質量，需要在對體現制造精度控制的車門、白車身、鉸鏈GD&T文件和四門裝配定位方式通過三維尺寸分析軟件將整車數模、GD&T文件等相關信息建立起整車分析模型后，虛擬計算得到四門內外間隙分析結果，并進行對比得到如下設計總結。

（1）采用車門內工裝時，定位均采用側圍門洞拉沿面，一般X向存在1～2個定位面、Y向3～4個定位面、Z向1～2個定位面［7］。

（2）采用車門內工裝時，定位面直接影響四門區域X向、Y向、Z向的間隙面差。

（3）采用側圍工裝時，前后門上下鉸鏈同時通過工裝定位裝配到側圍上，再通過定心螺栓裝配四門。

（4）采用側圍工裝時，鉸鏈工裝定位孔（側圍處）位置度直接影響四門區域X向/Z向的間隙面差；后門內板包邊面輪廓度直接影響四門區域Y向的間隙面差［8］。

（5）不同的裝配定位方案，造成偏差的影響貢獻因子和靈敏度都是不同，無論采用哪種方案，都需要對各個方案的定位孔位置、定位面分布進行詳細的分析，降低公差較大的影響因子對DTS偏差的靈敏度。