地鐵車輛中部扶手結構公差分析與改進

王國平，常 虹，周 瑜，宗 艷

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031)

0 引言

地鐵車輛客室中部扶手是內(nèi)裝的重要組成部分，也是絕大多數(shù)乘客乘車時需要接觸的區(qū)域，其裝配質(zhì)量的優(yōu)勢將直接影響車輛的運營及乘客的體驗。其良好的結構設計不僅方便制造安裝，也可以提高乘客的舒適度。本文以一不銹鋼四通結構中部扶手為例，從組裝的工藝性出發(fā)介紹地鐵中部扶手出現(xiàn)的典型問題，并原因分析，提出解決方案。

1 不銹鋼中部扶手結構及安裝工藝

不銹鋼中部扶手一般采用四通連接的結構，其主要由上部扶手安裝座、立扶手桿、連接桿、橫扶手及下部扶手安裝座等零部件組成，如圖1所示。其中立扶手桿與立扶手桿之間通過連接桿及橫扶手連接在一起；而立扶手桿上部通過彈性重型銷釘與上部扶手安裝座連接在一起，上部扶手安裝座安裝于車頂橫梁的C型槽內(nèi)；立扶手桿下部通過下部扶手安裝座與車廂地板連接在一起。

圖1 不銹鋼四通中部扶手結構示意

不銹鋼中部扶手安裝工藝流程如下：車頂橫梁安裝→上部扶手安裝座安裝→下部扶手安裝座安裝→立扶手桿安裝→連接桿安裝→橫扶手安裝。裝配完工后橫扶手與連接桿間的間隙已成型，以上安裝零部件的縱向(車長方向)公差將累積于此間隙，如圖2所示。

現(xiàn)場實際組裝過程中，出現(xiàn)了大量的連接桿與橫扶手之間的間隙不滿足設計要求(0～1)mm的情況。此處間隙過大會導致美觀度下降；間隙過小，車輛由AW0狀態(tài)(車輛空載)變換到AW3狀態(tài)(車輛滿載)后，將導致連接桿與橫扶手端部出現(xiàn)剛性接觸，影響扶手的壽命。現(xiàn)階段唯一解決的方法是特制不同長度的連接桿來對間隙進行補償，使得間隙大小滿足設計要求，但是該方案會延長生產(chǎn)周期，同時使得地鐵車輛生產(chǎn)成本因特制而產(chǎn)生大幅增加。

圖2 連接桿與橫扶手間隙

2 間隙超差問題分析

2.1 裝配尺寸鏈分析

將中部扶手主要安裝尺寸關系簡化為如圖3所示的裝配尺寸鏈，橫梁、上部扶手座、立桿、橫桿、連接桿之間形成封閉裝配尺寸鏈，該尺寸鏈公差詳見表1。表1中，A8為A1、A2、A3的線性累積公差，A4為立扶手桿與上部扶手安裝座銷軸之間的間隙浮動值。由表1可看出，影響公差的因子較多，且全部為線性尺寸公差，最終累計至連接桿與橫桿的間隙，導致A0目標間隙值超差。

2.2 仿真建模與分析

利用SIS VSA容差仿真軟件，基于蒙特卡羅法進行容差仿真計算，并進一步進行分析。

2.2.1 仿真建模

圖4為建立的中部扶手仿真模型。選取車體中間部分的4根連接桿、3根立扶手桿、2根橫扶手，在上下左右4個方向建立16對測量點，仿真過程中通過20 000次監(jiān)測，得出這些測量點的間隙變化情況。

圖3 中部扶手裝配尺寸鏈

表1 中部扶手裝配尺寸鏈公差

圖4 中部扶手仿真模型

2.2.2 一次仿真分析

按照設計圖紙尺寸公差(見表1)進行一次仿真分析，仿真分析結果如圖5所示。由圖5可知，橫扶手間隙的超差率約46.63%，間隙均值為0.912 2 mm，相對(0～1) mm的檢測標準來說均值偏大，導致間隙過大的概率較間隙不足的概率要大，這與實際情況以及2.1節(jié)分析結論是符合的，容易出現(xiàn)超差現(xiàn)象。在組裝過程中，約一半的連接桿與橫扶手間隙偏大，無法滿足產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)拍化生產(chǎn)需求。

3 優(yōu)化措施及二次仿真

3.1 具體優(yōu)化措施

考慮到產(chǎn)品實際加工及組裝工藝能力，可從以下幾方面進行尺寸公差控制：

(1) 圖紙名義間隙尺寸。由于連接桿與橫扶手形成的名義間隙尺寸為0.75 mm，與目標間隙值(0～1) mm相比存在名義均值偏移，導致間隙過大的概率較間隙偏小的概率要大，因此，可將橫扶手長度設計的理論尺寸由1 450 mm變更為1 450.5 mm，名義間隙尺寸由0.75 mm變更為0.5 mm。

(2) 扶手安裝座銷軸之間距離公差(A8)。由表1可知，橫梁C型槽間距A1公差已達到±1 mm(實際組裝也符合)，螺紋滑塊相對于C型槽的浮動公差A2為±0.5 mm，上部扶手安裝座銷軸位置公差A3為±0.2 mm，其累計公差極限值已達±1.7 mm，且均沿車長方向，對目標間隙值A0影響很大，需制定相關措施減小此處累計公差。因此，可制作專用高精度卡尺工裝(如圖6所示)，直接定位上部扶手安裝座銷軸之間的尺寸(避免A1、A2、A3的累計公差)。通過現(xiàn)場組裝驗證，可將該距離尺寸公差A8控制在±0.5 mm以內(nèi)。

圖5 一次仿真分析結果

圖6 卡尺工裝示意

圖7 立扶手桿與上部扶手安裝座組裝示意

3.2 二次仿真分析

將上述優(yōu)化的尺寸參數(shù)在軟件中重新設置，同時分兩種工況進行仿真分析。

工況一：連接桿與橫扶手目標間隙值A0為(0～1) mm，其余按照3.1節(jié)中優(yōu)化的尺寸參數(shù)重新設置。

工況二：連接桿與橫扶手目標間隙值A0為(0.2～1.5) mm，其余與工況一一致。因為目標間隙值為(0～1) mm，在該值為0 mm時，車輛由AW0狀態(tài)變換至AW3狀態(tài)，連接桿與橫扶手端部會出現(xiàn)剛性接觸，影響扶手的壽命，并且間隙由1 mm更改至1.5 mm不影響車輛美觀。兩種工況下中部扶手裝配尺寸鏈公差如表2所示。

按照3.1節(jié)措施優(yōu)化尺寸參數(shù)后，重新進行仿真,工況一仿真結果如圖8所示。由圖8可知，橫扶手間隙的超差率為16.74%，間隙均值為0.537 7 mm，相對目標間隙值(0～1) mm更為合理，出現(xiàn)干涉和間隙過大的概率明顯下降，更有利于現(xiàn)場裝配，提高了產(chǎn)品合格率，但出現(xiàn)干涉和間隙過大的概率同時存在。

表2 兩種工況下中部扶手裝配尺寸鏈公差 mm

圖8 工況一仿真分析結果

工況二仿真分析結果如圖9所示。由圖9可知，橫扶手間隙的超差率為1.46%，間隙均值為0.908 2 mm，相對于初期和工況一的間隙超差率46.63%和16.74%來說，改善明顯；相對目標間隙值(0.2～1.5) mm，均值0.908 2 mm接近于目標間隙值的中間值0.85 mm(0.2和1.5的中間值為0.85)，合格率

明顯提高。而按照工況二，優(yōu)化工裝、圖紙及工藝標準后，通過南京某地鐵項目兩列車組裝實際驗證，一列車共計240個接頭，只需更換3個特制連接桿，而過去近一半接頭需使用特制連接桿，大大降低了特制連接桿的使用數(shù)量。

圖9 工況二仿真分析結果

4 結語

本文以一般地鐵項目中部扶手安裝過程中其連接桿與橫扶手間隙超差率很高為研究對象，通過尺寸鏈分析及基于蒙特卡羅法進行容差仿真計算，發(fā)現(xiàn)主要原因是該結構尺寸鏈累計公差較多，容易造成超差。之后提出幾種優(yōu)化措施，并通過容差仿真計算以及實際裝車驗證，大大降低了間隙超差的概率，減少了特制連接桿的數(shù)量，提升了產(chǎn)品的一次裝配合格率，最終降低了生產(chǎn)成本，提高了現(xiàn)場的生產(chǎn)效率，同時也為類似結構設計提供了參考。