基于VSA的尾門與頂蓋間隙偏差分析

李揚宇　張爭

摘 要：乘用車尾門與頂蓋的相關配合一直是整車匹配中的難點。本文圍繞某車型尾門與頂蓋的間隙配合相關工作展開，基于三維偏差分析軟件VSA建立尺寸仿真裝配模型，模擬尾門裝配過程，計算裝配后尾門與頂蓋間隙超差概率及各個影響因子的貢獻量。通過相關工裝定位塊的使用，優化尾門裝配過程，并對優化后的方案進行仿真驗證，有效降低了尾門與頂蓋間隙超差概率，減少了實車匹配階段的重復性工作。

關鍵詞：偏差分析 VSA 間隙 尾門 頂蓋

1 引言

隨著目前經濟的飛速增長，人們的物質生活水平顯著提高，汽車由原來普通代步工具的單一角色，已經轉變成為體現大眾審美的高端工業藝術品。汽車的外觀感知質量越來越受到顧客的重視，已經成為了影響顧客購車的關鍵因素，同時也成為各個企業提升產品競爭力的關注要點。因此，整車外觀尺寸偏差控制已經逐漸在研發過程中占據重要地位。偏差分析是尺寸偏差控制的重要手段，也是尺寸工程中的核心部分。對新產品的定位策略、裝配工藝進行偏差分析，可以減少零件實際模具調試階段的工作量，縮短開發周期，降低開發成本，提升企業的競爭力[1]。

尾門與頂蓋的間隙，作為整車尾部區域重要的外觀尺寸，對造型風格的具體實現產生重要影響，同時也反映了整車的設計水平與制造水平。相關總成的制造精度、定位策略以及裝配工藝均會對該間隙造成影響，造成間隙超差，影響外觀感知質量，降低用戶滿意度。如果間隙超差嚴重，還會影響尾門開啟及閉合，造成嚴重的功能性問題。本文以某車型尾門與頂蓋間隙超差問題為切入點，基于偏差分析原理與偏差分析仿真軟件，分析及優化尾門裝配過程，提高了裝配穩定性與目標間隙合格率。

2 偏差分析的基本原理及VSA工作流程

偏差分析，是基于零件構成的尺寸鏈關系，分析尺寸鏈中各個組成環的尺寸偏差，如何影響封閉環（目標尺寸）尺寸偏差，也就是各個組成環的偏差積累，是否會造成封閉環尺寸超差[2]。偏差分析根據空間維度分類，可分為一維偏差分析、二維偏差分析與三維偏差分析。一維偏差分析與二維偏差分析，主要使用的是極值法與均方根法，分別針對單一方向的偏差積累與平面內的偏差積累。二者計算簡單，使用成本低，對于較為簡單的尺寸鏈，可以快速查找問題。但是，上述兩種方法只是平面內的偏差分析，無法從零件在三維空間內平移、旋轉等6個自由度進行分析，導致忽略一些關鍵因素，存在局限性。如果尺寸問題涉及多個方向，就需要對各個方向逐一進行偏差分析，導致工作量加大，不利于復雜尺寸問題解決。

三維偏差分析，可以有效的彌補上述方法的局限性。三維偏差分析計算過程中，一般采用的算法是蒙特卡洛算法。蒙特卡洛算法的基本思想是當所求解問題是某種隨機事件出現的概率，或者是某個隨機變量的期望值時，通過某種“實驗”的方法，以這種事件出現的頻率估計這一隨機事件的概率，或者獲得這個隨機變量的某些數字特征，并將其作為問題的解[3]。該方法能夠較好的模擬，在大批量制造的前提下，零件的裝配過程。在一定條件下，用這種方法得到的結果，較為符合實際情況。相比于其他方法，蒙特卡洛法能處理各種復雜（空間尺寸鏈、非線性尺寸鏈等）問題，適用范圍廣，結果準確[4]。

三維偏差分析由于其計算的復雜性，通常在仿真軟件環境下實現。VSA是目前各個車企常用的三維尺寸偏差分析仿真軟件之一，三維尺寸偏差分析已經成為各個車企提升產品競爭力的主要手段。該軟件基于產品設計與生產制造過程，通過導入產品數據模型，輸入零件相關公差信息、定位系統及裝配順序，在三維環境當中對零部件進行裝配，并通過公差驅動，實現車身尺寸鏈仿真計算?；谘b配過程因素、零件公差及其分布類型，計算累積偏差的均值與標準差，同時尋找產生裝配偏差的原因與分析尺寸策略是否合理的過程[5]。其核心基理，是通過數理統計的計算方法進行仿真分析，同時評估在設計與制造過程中，零部件的制造偏差與裝配工藝策略如何對產品的各種關鍵特性產生影響。

仿真分析基于下列基本假設：所有的零部件都是剛體，不存在自身變形；除非特別給定，所有的特征點公差均服從正態分布；對于車間生產過程中，造成的零件變形，與零件自身沖壓回彈影響，不納入考慮范圍；不考慮夾具、檢具的磨損及熱膨脹影響。具體分析工作流程如圖１：

3 尾門與頂蓋間隙的VSA分析

基于上述偏差分析理論，對某車型的尾門與頂蓋間隙進行VSA分析。尾門與頂蓋間隙為X向間隙，其測量方式如圖2所示。其偏差積累不但受各個層級零件的公差影響，還與尾門的裝配方案密切相關。

3.1 VSA分析的相關輸入

VSA分析過程，需要以下相關輸入：

（1）構成該分析特征的相關零件三維數模，包括尾門總成、頂蓋總成等等。

（2）間隙校核目標，即相關DTS標準，確定該間隙的名義值和公差。

（3）相關零件的定位信息與公差信息。

（4）尾門的裝配工藝與裝配方案。

3.2 偏差分析模型的建立與結果輸出

根據上述分析輸入，構建偏差分析模型。相關零件的三維數模如圖3所示。根據項目前期DTS定義，尾門與頂蓋間隙名義值6.0mm，公差±0.5mm。相關零件的定位信息與公差信息，由相關零件GDT圖紙獲取。尾門總成是通過安裝工具，X向推進裝配至白車身，然后打緊鉸鏈。初始尾門定位調整方案，鉸鏈安裝面定位尾門Z向。尾門的Y向與X向，通過安裝在尾門上的模擬塊，與側圍特征配合形成的間隙與段差進行調整。將模擬塊與側圍特征相關的間隙與段差調合DTS要求，打緊螺栓，尾門安裝完成。構建VSA分析模型，建立模型樹。在整段間隙上選取7個點作為測量校核點，左右對稱。偏差分析模型如圖4所示。

設置仿真裝配次數為2000，分析結果如圖5所示。尾門與頂蓋間隙合格率約為70%，同時根據敏感因子分析可知，對間隙超差貢獻最大的前位敏感因子，均是尾門與白車身X向定位特征，X向定位不穩定。按照目前尾門裝配方式，無法保證目標間隙。

3.3 尾門裝配方案優化

3.3.1 裝配方案中工裝定位塊的使用

為了優先保證尾門與頂蓋的間隙，尾門裝配調整方案需進行優化。現開發控制間隙的工裝定位塊，在進行尾門裝配時使用。定位塊共設計兩塊，左右對稱，保證整段間隙的一致性。工裝定位塊主定位面定位與頂蓋A面接觸，定位Z向。為避免損傷A面，與頂蓋接觸面可采用尼龍塊。根據DTS定義要求，定位塊間隙控制塊設計為6mm，與DTS一致。使用時，間隙控制塊一側貼緊頂蓋X向面，控制X向。尾門裝配時，X向推進。當尾門與間隙控制塊另一側接觸壓緊時，打緊鉸鏈螺栓。打緊螺栓后，取出工裝定位塊，完成尾門裝配。工裝定位塊具體工作示意圖，如圖7所示。對使用了工裝定位塊的裝配方案，重新構建VSA模型，分析間隙偏差。

3.3.2 優化方案結果驗證

使用工裝定位塊后，重新搭建仿真模型，分析結果如圖8所示。間隙合格率提升至92%，滿足DTS設計要求，有效降低了尾門運動校核的風險。同時根據前位敏感因子分析可知，尾門與頂蓋的自身輪廓為主要貢獻因素。尾門裝配方案優化后，X向定位穩定，裝配調整方式不再是影響間隙的要因，間隙合格率有效提升。在定位穩定的情況下，提升尾門質量與頂蓋質量能直接有效的提升間隙合格率。前期的仿真分析，對比了不同裝配方式對目標間隙的影響，避免了多輪手工樣件的驗證，減少了驗證時間與驗證成本。根據前期分析結果，在項目后期制造出工裝定位塊實物，運用于實際裝車。實際造車證明了工裝定位塊的合理性、有效性，尾門與頂蓋間隙得到有效控制。

4 結束語

本文介紹了偏差分析的基本原理，重點闡述了三維偏差分析的蒙特卡洛算法?；谌S偏差分析軟件VSA，結合公司車型，建立了某車型尾門與頂蓋間隙相關尺寸偏差分析仿真模型。通過模擬尾門裝配過程，獲得了尾門與頂蓋間隙超差概率及各個影響因子的貢獻量。結合工裝定位塊的使用，優化尾門裝配過程，降低了尾門與頂蓋間隙超差概率。

三維偏差分析軟件VSA作為一項系統的公差管理與分析工具，可以高效的分析三維空間內的復雜尺寸鏈關系，幫助工程師快速鎖定最大偏差來源，在設計階段即可發現問題，及時解決。同時，三維偏差分析軟件可以比較不同方案的尺寸偏差表現，對定位方案選擇、裝配方式優化等一系列尺寸前期工作具有重要意義。

參考文獻：

[1]朱立君，王浩.基于VisVSA軟件的三維偏差分析方法[J].企業科技與發展，2016（09）：58-64.

[2]藍先，黃朝輝.一維偏差分析在汽車整車設計中的應用及發展趨勢[J].裝備制造技術，2006（02）：22-26.

[3]馬振海，李應軍，曾賀，胡敏.基于三維偏差分析技術的尺寸公差設計應用[J].世界制造技術與裝備市場，2010（05）：83-87.

[4]馮勇先，陳紅燕，崔慶泉.基于3DCS在某車型尾燈匹配的偏差分析[J].機械研究與應用，2015，28（02）：154-156.

[5]張爭，曾心延，黃高翔.基于三維偏差分析技術的零件尺寸優化[J].裝備制造技術，2017（06）：166-170+196.