扭力梁推進(jìn)角偏差分析

馮勇先，馬俊杰，方文韜

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扭力梁推進(jìn)角偏差分析

馮勇先，馬俊杰，方文韜

（寶沃汽車(chē)（中國(guó)）有限公司，北京 100102）

汽車(chē)推進(jìn)角偏差較大時(shí)，車(chē)輛行駛過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)跑偏問(wèn)題。為了分析某車(chē)型扭力梁推進(jìn)角偏差超差問(wèn)題，采用虛擬仿真分析技術(shù)創(chuàng)建理論模型，進(jìn)行尺寸鏈分析。模型構(gòu)建過(guò)程中，以變量角度（束角）函數(shù)定義目標(biāo)角度（推進(jìn)角）計(jì)算角度偏差。同時(shí)提出兩種計(jì)算推進(jìn)角編輯方案，避免結(jié)果失真。分析結(jié)果表明，扭力梁的聯(lián)軸器安裝面與面夾角公差是主要影響因子。依據(jù)分析結(jié)果對(duì)貢獻(xiàn)率排序靠前的尺寸鏈環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了超差率小于5%的目標(biāo)。

推進(jìn)角；扭力梁；偏差分析

推進(jìn)角作為汽車(chē)四輪定位的重要參數(shù)，對(duì)汽車(chē)行駛的穩(wěn)定性有著重要的影響。推進(jìn)角過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致輪胎的異常磨損，汽車(chē)易偏離其直線行駛方向，嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生后軸側(cè)滑、甩尾等危險(xiǎn)情況[1]。因此尺寸工程將推進(jìn)角的偏差分析作為四輪定位參數(shù)公差校核的一項(xiàng)重要工作。

當(dāng)?shù)妆P(pán)設(shè)計(jì)架構(gòu)為扭力梁式的非獨(dú)立懸架時(shí)，推進(jìn)角在四輪定位檢查線是無(wú)法調(diào)整的。為了避免后期匹配尺寸超差風(fēng)險(xiǎn)，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的初期進(jìn)行偏差分析，識(shí)別出風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，同時(shí)識(shí)別出關(guān)鍵零件和關(guān)鍵尺寸進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，從而大大減少了后期質(zhì)量問(wèn)題爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

本文以推進(jìn)角與前束角之間的幾何關(guān)系為基礎(chǔ)，搭建虛擬仿真模型。同時(shí)默認(rèn)前輪幾何中心偏移導(dǎo)致的實(shí)車(chē)中心線相對(duì)理論中心線的偏移，以及文獻(xiàn)1所列的車(chē)輞直徑對(duì)推進(jìn)角影響可忽略。

1 推進(jìn)角計(jì)算方法

推進(jìn)角是車(chē)后輪總前束的夾角平分線（推進(jìn)線）與車(chē)輛幾何中心線所成的角度，如圖1所示。角度大小為左、右后輪單獨(dú)前束差值的一半。

圖1 推進(jìn)角示意圖

＝(－)/2 （1）

式中：為推進(jìn)角，°；為左后輪前束，°；為右后輪前束，°。

本文所述的仿真模型是基于三維仿真軟件3DCS搭建而成，計(jì)算方法為蒙特卡洛模擬法。利用軟件的敏感度分析器和幾何影響因子分析器進(jìn)行后臺(tái)運(yùn)算，算出需求的各項(xiàng)參數(shù)。所有分析是基于所涉及的零件為剛性件考慮，不考慮裝配力、熱膨脹、重力、焊接變形和回彈的影響，所有零件的公差只考慮6Sigma范圍，幾何特征的公差為對(duì)稱正態(tài)分布[2-4]。模型的仿真次數(shù)設(shè)置為5000次。

2 建模分析

2.1 仿真模型的輸入

三維數(shù)模：推進(jìn)角偏差分析模型涉及的主要零部件為：①白車(chē)身；②扭力梁；③聯(lián)軸器；④后懸架托盤(pán)；⑤AGV小車(chē)。

初版扭力梁分總成圖紙?zhí)峁┑亩ㄎ恍畔ⅲ?、為分總成測(cè)量定位基準(zhǔn)，、孔為工裝上的定位孔，如圖2所示。

圖2 扭力梁定位系統(tǒng)

2.2 建模流程

仿真模型創(chuàng)建過(guò)程，如圖3所示。此模型的建立流程與其他三維分析模型最大區(qū)別在于建立測(cè)量目標(biāo)時(shí)，需要先建立束角的測(cè)量，再建立推進(jìn)角的測(cè)量，且推進(jìn)角測(cè)量需要引用束角測(cè)量。

圖3 仿真模型創(chuàng)建基本流程

2.3 單邊前束測(cè)量

靜態(tài)前束角是指在靜止的汽車(chē)上（參考狀態(tài)下）汽車(chē)縱向中心平面與車(chē)輪中心平面和地面的交線之間的角度。如果車(chē)輪的前部靠近汽車(chē)縱向中心平面，則前束為正值；反之則為負(fù)值[5]，如圖4所示。

圖4 前束角示意圖

測(cè)量點(diǎn)的創(chuàng)建需要考慮整車(chē)對(duì)應(yīng)的是何種載荷狀態(tài)。通常主機(jī)廠以空載狀態(tài)下的整車(chē)四輪定位參數(shù)要求作為調(diào)校線整車(chē)下線檢查標(biāo)準(zhǔn)，因此仿真模型中的地面線也應(yīng)選空載狀態(tài)的線?？蛰d地面與理論數(shù)據(jù)的面（也稱0面）存在夾角，因此輪胎理論上與地面接觸會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)接觸點(diǎn)，如圖5所示的、兩點(diǎn)。

圖5 輪胎地面接觸點(diǎn)

2.4 推進(jìn)角測(cè)量

采用軟件的User-DLL測(cè)量方法，通過(guò)公式編輯器完成推進(jìn)角的計(jì)算公式編輯，注意公式編輯器中單位需要更改為角度。由于選取束角的開(kāi)始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)不同，導(dǎo)致理論束角可能為正也可能為負(fù)。因此當(dāng)軟件推力角的理論值區(qū)域顯示的角度不為0時(shí)，一種方法是修改束角起始點(diǎn)，另外一種方法是可以算兩個(gè)角度之差時(shí)需要采用“加”的方法解決，公式如圖6所示。

圖6 推力角計(jì)算公式編輯

2.5 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

后輪推進(jìn)角的仿真分析結(jié)果如圖7和表1所示。從圖7可知，推進(jìn)角偏差分布近似為正態(tài)分布。表1中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)均值與理論值相同，整個(gè)數(shù)據(jù)未發(fā)生理論偏移，對(duì)應(yīng)的6Sigma值為0.41°，大于目標(biāo)值0.2°，超差率都為14.46%，大于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)5%，因此理論計(jì)算結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.6 幾何影響因子分析

若統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，需要對(duì)其幾何因子進(jìn)行分析。目的是識(shí)別出實(shí)物匹配時(shí)什么尺寸的波動(dòng)會(huì)對(duì)最終的結(jié)果影響較大，為尺寸前期優(yōu)化提供解決方向。表2為推進(jìn)角的Geo Factor報(bào)告。從表中可知，扭力梁的四個(gè)特征的公差在整個(gè)公差累積貢獻(xiàn)率排名中在居于前列，因此可以得出扭力梁是推進(jìn)角這個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵零部件。貢獻(xiàn)率排在前兩位的公差為扭力梁左、右兩側(cè)的聯(lián)軸器安裝面面輪廓度，貢獻(xiàn)率都為32.84%，由此可以得出以上兩個(gè)尺寸應(yīng)該作為扭力梁的關(guān)鍵特性，即KPC。G Factor值是尺寸鏈公差放大縮小的系數(shù)，整個(gè)報(bào)告G Factor最大值為0.5，讓尺寸鏈環(huán)的公差值縮小一半，降低其在整個(gè)公差累積的貢獻(xiàn)率。由于G Factor即幾何影響因子減小可知優(yōu)化后的定位系統(tǒng)穩(wěn)定性更優(yōu)。

圖7 推進(jìn)角公差偏差范圍

表1 推進(jìn)角分析結(jié)果

3 方案優(yōu)化

若偏差分析的結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，就需要對(duì)整個(gè)尺寸鏈進(jìn)行尺寸優(yōu)化。一般是選擇公差貢獻(xiàn)排在前3位的尺寸鏈進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)此案例表2的數(shù)值體現(xiàn)信息，優(yōu)化排在前兩位公差效果會(huì)最為明顯。根據(jù)相關(guān)工程師調(diào)研反饋：扭力梁的精度可提升到0.2°。按照以上公差輸入，重新計(jì)算6Sigma值可從0.41°優(yōu)化到0.34°，超差率為8.06%，但仍然不能滿足超出率小于5%的目標(biāo)。

排在貢獻(xiàn)率第3、4位的為扭力梁安裝定位孔的位置度。理論上分析，此案例的基準(zhǔn)發(fā)生轉(zhuǎn)換，增加了尺寸鏈環(huán)。若將測(cè)量基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)統(tǒng)一為圖2中的、孔，此裝配尺寸鏈環(huán)的公差就變?yōu)椤?”。在方案一、二同時(shí)實(shí)施條件下，軟件重新分析結(jié)果為：6Sigma值為0.32°，超差率5.46%，與目標(biāo)值只有0.46%的差距。

貢獻(xiàn)率第5位的公差為白車(chē)身的扭力梁工裝定位孔位置度公差，公差為2.0 mm。若提高相對(duì)整車(chē)基準(zhǔn)的公差要求，制造的成本會(huì)成倍增加。如果“打斷”此鏈環(huán)與整車(chē)基準(zhǔn)的公差要求，提高相對(duì)后地板局部基準(zhǔn)體系下的±0.5 mm的向尺寸要求，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較好，并且公差更容易保證。在模型中，通過(guò)增加兩個(gè)扭力梁工裝定位孔的相對(duì)尺寸公差要求，如圖8所示。在方案一、二和三都實(shí)施的條件下，6Sigma值為0.30°，超差率4.48%，滿足超差率小于5%尺寸目標(biāo)。

以上三種方案優(yōu)化效果對(duì)比結(jié)果如表3所示。在最終確優(yōu)化方案選定時(shí)，可對(duì)超差率降低的百分比與開(kāi)發(fā)成本增加量進(jìn)行對(duì)比，保證優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性。

表2 推進(jìn)角GeoFactor報(bào)告

表3 優(yōu)化方案效果對(duì)照表

圖8 車(chē)身扭力梁定位孔X向尺寸要求

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)扭力梁懸架系統(tǒng)下的推進(jìn)角偏差能否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)為研究對(duì)象，介紹如何利用三維仿真軟件創(chuàng)建推進(jìn)角仿真模型。建模過(guò)程中，研究嘗試了以變量角度（束角）函數(shù)定義目標(biāo)角度（推進(jìn)角）計(jì)算角度偏差的方法，并在軟件定義推進(jìn)角時(shí)提出了兩種編輯方式，通過(guò)區(qū)別計(jì)算方式來(lái)避免結(jié)果失真，供類(lèi)似分析對(duì)象仿真建模參考。

此研究模型通過(guò)分析識(shí)別出推進(jìn)角偏差的主要干系零件扭力梁，主要尺寸鏈環(huán)為扭力梁上的聯(lián)結(jié)器安裝面向角度公差。通過(guò)多維優(yōu)化措施的嘗試，理論上驗(yàn)證了目標(biāo)超差率得到改善并滿足要求。

[1]潘斌，馬俊，錢(qián)立軍. 推進(jìn)角影響下的汽車(chē)外傾角和前束值匹配計(jì)算的研究[J]. 現(xiàn)代制造工程，2016（4）：64-68.

[2]胡志敏，黃美發(fā)，鐘艷如，等. 基于尺寸鏈圖形理論的公差計(jì)算方法[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（12）：106-108.

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Deviation Analysis of Torsion Beam Thrust Angular

FENG Yongxian，MA Junjie，F(xiàn)ANG Wentao

( Borgward Automotive (China)Co., Ltd., Beijing 100102, China )

When deviation of automobile torsion beam thrust angular is more than tolerance, the vehicle’s direction deflect in running. For analyze deviation of vehicle torsion beam thrust angular, the virtual simulation technology was used to build model, which was analyzed dimensional chains. In process of building model, the angle (toe angle) function define the target angle (thrust angular) which was used in deviation analysis. Two editing programs were used in analysis of thrust angular, so the simulation result is less error. The analysis shows angle of torsion beam coupling mounting plane withplane is main effect factor. According to this analysis, high deviation of dimensional chains were corrected, the target which failure rate is less than 5% is realized.

thrust angular；torsion beam；deviation analysis

U461.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.009

1006－0316 (2018) 01－0042－05

2017－03－14

馮勇先（1982－），男，四川成都人，本科，工程師，主要研究方向?yàn)檎?chē)尺寸工程。