汽車發動機的裝配偏差仿真分析與公差修正

張高明，田洪峰

汽車發動機的裝配偏差仿真分析與公差修正

張高明，田洪峰

（上海交大智邦科技有限公司，上海 201306）

汽車發動機的裝配質量對汽車的燃油消耗率、扭矩、功率等性能指標都有著十分重要的影響。汽車發動機零部件的尺寸及形位公差是裝配偏差分析中的重要元素。使用三維公差分析軟件VisVSA對汽車發動機進行了裝配偏差仿真分析，在組成環設定公差的情況下計算封閉環尺寸。仿真結果表明，裝配后的缸體頂面到活塞高的距離FR的合格率并不能滿足在原有公差設定下的2%的合格率要求。根據組成環公差貢獻度，對偏差貢獻度較大的零部件公差進行修正，修正后的超差率明顯減小，裝配合格率滿足了設定要求。

汽車發動機；壓縮比；裝配偏差分析；公差優化；VisVSA

汽車發動機的裝配質量對汽車的燃油消耗率、扭矩、功率等性能指標都有著十分重要的影響[1-2]。研究表明，壓縮比是衡量這些性能的一個重要指標[3]：壓縮比越大，汽油燃燒的越充分，汽車的輸出功率也增大；但是當壓縮比超出設計范圍時，會增大發動機的機械負荷和熱負荷，甚至引起爆震和表面點火、降低發動機壽命；而壓縮比偏小則會導致氣體燃燒不完全，輸出功率下降，增加油耗。發動機各零部件的制造誤差以及裝配時的偏差累積傳遞是造成發動機壓縮比波動的重要原因。零部件公差及傳遞對壓縮比影響的定量分析已經成為發動機設計制造亟需解決的問題。

目前，汽車發動機相關零件的公差設計主要以經驗為主，公差分析和分配方法也是基于平面尺寸鏈的公差分析模型，得到的結果與實際相差略大，分析的對象僅局限于零件的尺寸公差，對于零件的形位公差信息，一直缺乏行之有效的分析方法和解決途徑。

本文采用三維偏差分析軟件VisVSA對發動機進行裝配偏差分析，通過建立傳遞零件誤差的尺寸鏈模型來分析零件制造誤差和裝配偏差對與發動機壓縮比有直接影響的缸體頂面到活塞高的距離的影響，并對影響結果最大偏差進行了修正，解決了裝配合格率的問題，同時也為零件公差設計及參數化建模[4]提供了依據與參考。

1 VisVSA裝配偏差建模仿真分析

1.1 模型建立

汽車發動機主要由缸蓋、凸輪軸、缸體、活塞、活塞銷、連桿、曲軸等零件組成，如圖1為汽車發動機的部分爆炸圖。其裝配過程是首先完成活塞、活塞銷、連桿小端及連桿襯套間的裝配，然后分別完成缸體、止推瓦、軸瓦和曲軸、止推瓦、軸瓦間的裝配，最后進行總裝，完成活塞和缸體、連桿襯套和曲軸間的裝配。缸體頂面到活塞高的距離對壓縮比的大小有直接影響，通過對的控制可以實現對壓縮比的精確控制，的發動機功能要求如圖2所示。

1.2 裝配尺寸鏈分析

合理的裝配偏差建模需要對裝配尺寸鏈進行分析，正確的尺寸鏈能夠真實反映各公差的傳遞情況，是進行公差分析[3-4]與公差綜合[5-6]的基礎。本文針對壓縮比高度的測量需求和功能需求，對活塞－連桿組件－曲軸組件－缸體組件（方向）進行了裝配尺寸鏈分析，壓縮比高度方向的裝配尺寸鏈如圖3所示。

圖1 汽車發動機的部分爆炸圖

圖2 FR的發動機功能要求圖

1.3 零件公差輸入

對于剛性零件，其裝配偏差主要來源于零件本身的尺寸偏差及裝配過程中的定位偏差，并在裝配鏈中按幾何關系形成封閉環[7]。依據發動機的工藝圖紙確定尺寸鏈中所需各零件的尺寸及形位公差，如表1所列，所有公差均假設服從正態分布。

圖3 壓縮比高度的裝配尺寸鏈

表1 發動機壓縮比相關零件尺寸及形位公差/mm

1.4 定義零件裝配順序

裝配順序是裝配偏差分析中偏差的主要來源，裝配順序不同將導致結果的不同，所以在運用VisVSA進行分析時盡量做到符合實際的裝配順序對獲得理想的結果非常重要。按照實際生產工藝確定的順序，整個裝配體的部件可分為四大主件、四小配件。以缸體為基準進行裝配，裝配順序為：活塞－連桿組件（包含活塞銷）－曲軸組件（包含襯套）－缸體組件（包含止推瓦和軸瓦）。

1.5 壓縮比高度輸出

由于無法測量面與面的距離，在處理過程中轉為求取多點到面的距離，并求取平均值，以期使之符合測量實際的需要。本文取九個具有代表性的點來表達活塞頂面的變動位置，從而擬合出活塞頂面到缸體上表面的距離，擬合方法如圖4所示。

圖4 距離的定義輸出

1.6 仿真結果與分析

在VisVSA中的仿真計算基于以下假設：零件為剛性件；不考慮裝配力、熱膨脹、變形和回彈影響；所有的幾何特征公差均服從正態分布；所有的零件公差只考慮±3（標準偏差）范圍。根據設計要求，設置的尺寸偏差為±0.1，仿真分析采用5000個樣本進行模擬，要求裝配一次合格率低于2%。仿真結果如圖5所示。

軟件計算得到FR均值＝-3.2045、FR標準差＝0.0470，由于要求尺寸偏差為±0.1，化為標準正態分布計算>μ+0.1的概率，由(＋0.1－)/＝2.128查詢標準正態分布表知，>2.12＝0.983＜>μ+0.1＜>2.13＝0.9834，因此該種情況的超差率為3.32%～3.4%，顯然超差率過高，故一次裝配合格率不滿足要求。這說明零件間的部分裝配公差設置不合理，導致裝配體最終的裝配尺寸超差。需要確定各個組成環對封閉環的影響，確定其貢獻度。

圖5 FR尺寸偏差裝配仿真結果

貢獻度＝2/2，σ為組成環的標準差，σ為封閉環的標準差[10]，通過縮小貢獻度大的組成環公差可以高效低成本地減小封閉環標準差，提高合格率。計算各個組成環貢獻度結果如表2所示。

表2 發動機零部件尺寸形位公差對FR尺寸偏差貢獻度影響情況

由圖5和表2綜合可以看出，引起尺寸偏差超差的主要原因是活塞銷孔的位置度約束較為寬松，因此公差的修正將在此進行。

2 公差修正設計與優化

由仿真模擬結果可知，裝配后的尺寸超差率不能滿足低于2%的要求，所以需要對尺寸影響較大的公差進行修正。

對尺寸影響最大的公差為活塞銷孔的公差位置度0.1，現將其修正為0.05重新進行模擬仿真，結果如圖6所示，此處＝-3.2045、＝0.0388，同樣由于要求的尺寸偏差為±0.1，化為標準正態分布計算>μ+0.1的概率，由(＋0.1－)/＝2.577查詢標準正態分布表知，>2.57＝0.9949＜>μ+0.1＜>2.18＝0.9951，其超差率為0.98%～1.02%，滿足了的裝配偏差設計要求。由此可以看出，公差修正的效果很明顯。此時各個組成環對裝配結果的貢獻度如表3所示，可見通過各組成環對特征裝配精度的貢獻度影響分析可以有效地進行特征的公差優化，改善目標裝配精度。基于目標的主要特征公差優化可以經濟有效地進行公差優化再分配，提升產品合格率。

表3 優化后的發動機零部件尺寸形位公差對FR尺寸偏差貢獻度影響情況

圖6 修正后的FR尺寸偏差裝配仿真結果

3 結論

形位公差影響機械產品的裝配質量，從而對機械產品的機械性能產生重要影響。要平衡產品精度、制造成本、產品性能之間的關系，不僅要進行尺寸公差分析，更要進行形位公差分析。通過形位公差分析，結合組成環對封閉環貢獻度可以高效低成本地提高產品合格率。

本文利用偏差分析軟件VisVSA對汽車發動機進行了裝配偏差分析，設置了各個組成零部件的尺寸及形位公差，以功能要求尺寸為控制目標，從而對壓縮比進行控制，根據模擬仿真運算的結果對目標尺寸偏差貢獻度大的零部件公差進行了優化修正，并再次進行仿真分析，結果表明公差修正后的零件完成的裝配，功能要求尺寸的超差率均能滿足小于2%的設定目標，滿足了設計要求，優化了公差設計，提高了裝配合格率。

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Simulation Analysis of Assembling Deviation for Automobile Engine and Tolerance Correction

ZHANG Gaoming，TIAN Hongfeng

( Shanghai SmartState Technology Co., Ltd., Shanghai 201306, China)

The assembly quality of automobile engines has a very important influence on the fuel consumption rate, torque, power and other performance indicators of automobiles. Dimensional and geometrical tolerance of automobile engine parts are important elements in assembly deviation analysis. Using the three-dimensional tolerance analysis software VisVSA, a simulation analysis of assembling deviation for automobile engine is used to calculate the dimension of the closed ring with the tolerance set for the constituent ring. The simulation results show that the qualified rate of the distance FR from the top surface of the assembled cylinder to the piston does not meet the requirement of the original tolerance setting value of 2%. According to the result of simulation analysis, the tolerances of the components with greater contribution to the deviation are corrected. The corrected overshoot rate is significantly reduced, and the assembly qualification rate meets the set requirements

automobile engine；compression ratio；assembling deviation analysis；tolerance optimization；VisVSA

TH162

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.008

1006－0316 (2020) 11－0049－05

2020－01－08

國家科技重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”（2019ZX04027001）

張高明（1981－），男，陜西咸陽人，工程師，主要從事機械設計與制造工作，E-mail：gaoming.zhang@sh-smartstate.com。