基于尺寸工程的門檻尺寸問題分析與解決

姚二蒙

摘要：基于某車型門檻與車身的匹配間隙分析，介紹了采用線性尺寸鏈計算長條狀塑料零件與車身尺寸匹配公差的方法。通過對門檻尺寸鏈特征的闡述，提出了測量環境溫度對門檻尺寸的影響，提供了一些優化尺寸鏈的方案，可為改善門檻制造精度及裝車效果提供一定的借鑒。

關鍵詞：尺寸工程;門檻;車身;匹配間隙

0 ? ?引言

汽車整車是由各種結構、尺寸不同的零部件組裝而成的復雜的結構體，在整車組裝的過程中會涉及眾多復雜的尺寸鏈環，整車制造尺寸的穩定性由尺寸鏈中的尺寸公差決定。整車制造尺寸越穩定反映出整車廠制造水平越高，比如白車身制造的穩定性、零部件單件尺寸的制造穩定性，都會對整車總裝生產及最終產品外觀匹配產生很大的影響。通過整車尺寸鏈的分析和計算，可以在前期開發設計階段，判斷制造工藝的加工精度能否滿足零部件所規定的公差要求;并且在保證整車裝配性能的前提下，適當調整公差范圍，在整車外觀匹配質量和成本之間找到一個合適的平衡點，以制造出更具有性價比的汽車產品。同時，合理制訂產品的尺寸公差也會對生產效率產生有益的影響，加強尺寸鏈的計算和管控也是提高整車制造精度的有效手段。如圖1所示，通過前期的尺寸鏈分析和管理，可以提前發現問題，解決問題，既可以縮短開發周期，又可以降低整車生產成本[1]。

1 ? ?問題描述

某車型門檻為PP+EPDM+T30材料，在試制過程中發現門檻在總成檢具上與后門模擬塊匹配間隙波動范圍較大。現場測量結果顯示門檻與后門模擬塊X向間隙波動范圍較大，理論值（4.0±0.8）mm，實測3～5 mm，尺寸不合格，如圖2所示。

2 ? ?門檻定位

采用RPS定位法對相關零件進行定位，保證在同一基準定位系統下測量分析。門檻與模擬車身檢具的安裝定位方案嚴格遵守“3·2·1”定位進行設計。該車型門檻與車身鈑金的定位結構如圖3所示。門檻通過中間定位銷與鈑金孔實現X向定位，其他定位銷對應的鈑金腰形孔則為Z向定位，Y向定位通過卡扣與車身鈑金拉緊。由此可以看出，門檻與后門匹配間隙主要受產品X向尺寸影響。

3 ? ?線性尺寸鏈的計算方法[2]

按照尺寸鏈組成環所處的空間位置，可以將尺寸鏈分為線性尺寸鏈、平面尺寸鏈、空間尺寸鏈。線性尺寸鏈計算方法較為簡單;平面尺寸鏈由平面矢量組成，計算較為復雜，一般是將各個尺寸投影到某一確定的方向上，從而把平面尺寸鏈轉化為線性尺寸鏈。對于長條狀零件，與長度方向一致的尺寸匹配就可以作為線性尺寸鏈，因此，門檻與后門匹配間隙的尺寸鏈便可以轉化為X方向的線性尺寸鏈。

首先需要定義尺寸鏈，尺寸鏈有兩個特征：（1）封閉性，尺寸鏈由多個尺寸首尾相連;（2）關聯性，尺寸鏈中每個尺寸的精度都會影響到目標尺寸的精度。

然后判斷尺寸的正負。尺寸鏈的正負關系到最終評價尺寸的理論值，圖4中需要測量的是間隙X，則X的理論值即A、B、C三者的理論值之和，X的公差范圍則受三者的綜合影響。在進行公差分析時，尺寸的正負可以用“箭頭法”確定。箭頭法是指從目標尺寸的任一端開始起畫單向箭頭，順著整個尺寸鏈一直畫下去，如圖4所示，直到最后形成一個閉合回路，然后按照箭頭方向進行判斷，凡是箭頭方向與目標尺寸箭頭同向的尺寸為負，反向的為正。

在進行公差分析時，為了方便計算，尺寸的公差只能是對稱公差;如果不是，需要轉化為對稱公差。例如：

100+0.2 ?0 ? ?mm→100.1+0.1 ?-0.1 ?mm

此外，要考慮裝配偏移帶來的尺寸影響。裝配偏移是指由于孔與軸、孔與螺釘、定位孔與定位柱等之間間隙的存在使得零件的實際位置與名義位置存在一定的偏移。如果目標尺寸的尺寸鏈包括裝配偏移，那么計算時要考慮裝配偏移。裝配偏移值和公差的公式如下：

式中：D為裝配偏移的值;T為裝配偏移的公差;D1是孔的直徑;D2是軸的直徑;T1是孔的公差;T2是軸的公差。

公差的計算方法有以下兩種：

（1）極值法：

目標尺寸的名義值為尺寸鏈上尺寸的名義值之和，尺寸具有正負性。

目標尺寸的公差為尺寸鏈上各個尺寸的公差之和。

（2）均方根法：

目標尺寸的名義值的計算方法與極值法一樣。

目標尺寸的公差為尺寸鏈上各個尺寸的公差的平方和開方，即：

通過線性尺寸鏈的介紹分析，可以判斷門檻在總成檢具上的尺寸鏈中各環的組成分別是門檻、檢具定位孔以及后門模擬塊。首先，通過批量測量可以得出相同生產批次、相同工藝的門檻零件之間的尺寸波動范圍約±0.7 mm，門檻定位銷與定位孔存在裝配偏移，偏移公差±0.2 mm，后門模擬塊相對檢具定位孔尺寸偏差為0。經計算發現目標間隙的公差范圍僅±0.73 mm，如表1所示，滿足給定的公差范圍。但是實際測量波動范圍遠超公差范圍，可以推斷測量過程中的變量并未完全考慮到尺寸鏈中。

4 ? ?環境溫度對門檻尺寸鏈的影響

門檻除了批次件工藝波動帶來的尺寸波動，還同時受到外界氣溫影響，產品受環境溫度影響程度可以通過線性膨脹系數進行表征。固體物質的溫度每改變1 ℃時，其長度的變化和它在0 ℃時長度之比，叫做“線性膨脹系數”（Coefficient of Linear Thermal Expansion，CLTE，簡稱“線脹系數”）。對于塑料產品來說，是指溫度升高1 ℃時，每1 cm的塑料伸長的厘米數，若表示塑料在某一溫度區間的線脹特性，就稱為“平均線脹系數”。塑料的線性膨脹系數一般是鋼材的10倍左右。常見塑料的線性膨脹系數如表2所示。