某長(zhǎng)頭重卡車型車門DTS的公差研究

郭琦，高峰，李龍，瞿軍平

（陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，陜西 西安 710200）

引言

隨著國(guó)內(nèi)商用車市場(chǎng)增量日益凸顯以及GB 1589-2016的實(shí)施，高端長(zhǎng)頭重卡車型受到了各大主流商用車制造廠商的青睞[1]。在轎車領(lǐng)域，外觀DTS（間隙和面差）的高品質(zhì)要求早已應(yīng)用，對(duì)于長(zhǎng)頭重卡而言，外觀DTS的高品質(zhì)要求也已成為主流趨勢(shì)。DTS的英文全稱為Dimensional Tolerance Specification，指的是整車內(nèi)外部尺寸公差規(guī)范，在白車身中主要指代間隙、面差等的設(shè)計(jì)值和公差值，白車身外觀DTS定義的合理性直接決定了車型的制造水平和外觀品質(zhì)[2-3]。

根據(jù)以往新車型的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，DTS公差定義值主要通過(guò)對(duì)標(biāo)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定，對(duì)于長(zhǎng)頭重卡車型，國(guó)內(nèi)可借鑒的車型少之又少，并且以往經(jīng)驗(yàn)也是空白，所以借助其他手段預(yù)先分析DTS的合理性和準(zhǔn)確性，顯得尤為重要。三維公差分析軟件能夠很好地解決制造和裝配中尺寸鏈問(wèn)題，3DCS是市面上主流的三維公差分析軟件，采用Monte Caelo仿真原理，其算法適用于非線性公差設(shè)計(jì)函數(shù)[4-5]，考慮到各子組鏈環(huán)尺寸的不同分布類型，采用統(tǒng)計(jì)抽樣和隨機(jī)模擬對(duì)子組鏈環(huán)進(jìn)行抽樣分析[6]，可對(duì)汽車初期設(shè)計(jì)階段的DTS設(shè)計(jì)值及公差值進(jìn)行有效分析，有助于制定最為合理的DTS值。

1 某長(zhǎng)頭重卡車型車門初版DTS制定及實(shí)車測(cè)量結(jié)果

在長(zhǎng)頭重卡車型開(kāi)發(fā)的概念設(shè)計(jì)階段，首先根據(jù)對(duì)標(biāo)（國(guó)外車型）結(jié)果和初步的尺寸鏈分析制定初版車門－側(cè)圍DTS值。如圖1所示，車門與側(cè)圍的DTS定義值有4處，分別為車門A柱區(qū)域、車門上段和車門后段（兩處），每處對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)值和公差值詳見(jiàn)表1。在車型開(kāi)發(fā)的工程設(shè)計(jì)和試制驗(yàn)證階段，根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行性能樣車和可靠性樣車的裝車驗(yàn)證，在此期間分別統(tǒng)計(jì)了5輛車的車門－側(cè)圍間隙和面差值，面差平均合格率為52.25%，間隙平均合格率為87.5%，從合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出間隙的整體合格率符合要求（≥80%），面差的整體合格率較低（＜80%），面差的合格率遠(yuǎn)低于業(yè)內(nèi)試制的平均水平，從此可以引出兩個(gè)問(wèn)題，究竟是裝配方式不合理導(dǎo)致面差合格率較低，還是DTS公差值設(shè)置不合理，下面借助3DCS軟件并結(jié)合實(shí)際裝車工藝方案進(jìn)行深入的探究。

圖1 車門－側(cè)圍DTS位置

表1 車門－側(cè)圍DTS定義值

2 車門裝配方案尺寸分析

2.1 蒙特卡羅方法的基本思想及誤差

蒙特卡羅方法所運(yùn)用到的基礎(chǔ)理論有：大數(shù)定律、中心極限定理以及F（X）～U（0，1）。求解的基本思路為：當(dāng)所求問(wèn)題的解是某個(gè)事件的概率，通過(guò)試驗(yàn)方法，得出該事件發(fā)生的頻率，根據(jù)大數(shù)定律得到問(wèn)題的解。為了獲得具有一定精確度的近似解，需要大量的試驗(yàn)，人工完成試驗(yàn)的困難大且不實(shí)際，3DCS軟件借由計(jì)算機(jī)可以完成巨大數(shù)目的隨機(jī)試驗(yàn)，進(jìn)而較好地解決三維尺寸公差問(wèn)題。

2.2 基于間隙塊的車門裝配方案尺寸分析

基于間隙塊的車門裝配方案（方案一）為試制階段的裝配工藝，具體工藝內(nèi)容為：（1）間隙塊通過(guò)磁力吸附在側(cè)圍外板上，并與側(cè)圍外板貼緊；（2）人工抬舉車門安裝在側(cè)圍上，并與間隙塊貼緊；（3）將鉸鏈分別與車門和側(cè)圍安裝面貼緊并打緊螺栓。此工藝方案對(duì)于DTS值的保障主要依靠間隙塊的兩側(cè)貼合面精度（輪廓度為±0.1mm），對(duì)于沖壓?jiǎn)渭秃附涌偝傻拿孑喞裙顬椤?.5mm和±0.7mm，此公差水平屬于行業(yè)主流偏上水平，所以在子系統(tǒng)的公差精度方面已經(jīng)達(dá)到最優(yōu)分配。

車門在側(cè)圍上的定位方案如圖2所示，S1控制YZ方向的移動(dòng)，S2-S3控制XY方向的移動(dòng)，車門在側(cè)圍上的X、Y、Z方向的移動(dòng)和繞X軸、Y軸、Z軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)總計(jì)6個(gè)自由度被限制住，符合3-2-1定位原則[7]。

借助3DCS軟件對(duì)基于間隙塊的車門裝配方案進(jìn)行尺寸分析，首先需要在軟件中整理數(shù)據(jù)，確保結(jié)構(gòu)樹有序且合理，利用特征點(diǎn)和DCS點(diǎn)建立裝配關(guān)系，根據(jù)GD&T圖為每個(gè)功能點(diǎn)設(shè)置公差值，模擬裝配過(guò)程并建立測(cè)量點(diǎn)[8]，確保各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位置和方向正確，以免影響分析結(jié)果。

3DCS軟件分析運(yùn)算完成后得到各處的間隙和面差的正態(tài)分布結(jié)果，僅有①處的面差值超差，從圖3分析結(jié)果得到①處的面差超差：其中±3?值為±2.77mm（初版DTS定義公差值為±1.0mm），超差率為28.2%，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，超差率≤5%判定為合格，5%＜超差率≤10%須根據(jù)具體情況由尺寸工程師判定是否合格，超差率＞10%判定為不合格，所以①處的面差不合格。

圖3 基于方案一的車門-側(cè)圍①處面差分析結(jié)果

從圖4敏感度列表得知，①處面差子系統(tǒng)的公差水平在±0.5mm～±0.7mm之間，此公差水平已經(jīng)達(dá)到主流乘用車的公差設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)[9]，對(duì)于長(zhǎng)頭重卡車型而言，此公差水平處于較高水平，依此可以判定此處的初版DTS公差定義值過(guò)于嚴(yán)格，實(shí)際裝車水平無(wú)法滿足，需修改此處的DTS公差定義值。

圖4 基于方案一的車門-側(cè)圍①處面差敏感度分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)3DCS軟件的分析可知，當(dāng)①處的DTS公差定義值設(shè)定為±2.0mm時(shí)，分析結(jié)果如圖5所示，超差率為2.75%，判定為合格，所以①處DTS公差值設(shè)定為±2.0mm時(shí)，基于間隙塊的車門裝配方案可以滿足裝配要求。

圖5 基于方案一的車門-側(cè)圍①處面差二次分析結(jié)果

2.3 基于工裝的車門裝配方案尺寸分析

由于DTS的最終版制定須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段完成，此時(shí)無(wú)量產(chǎn)車型可供參考，主要借鑒試制樣車的測(cè)量數(shù)據(jù)和3DCS軟件的尺寸分析結(jié)果以及經(jīng)驗(yàn)值來(lái)最終敲定DTS公差定義值。基于工裝的車門裝配方案（方案二）為量產(chǎn)階段的裝配工藝，具體工藝內(nèi)容為：（1）內(nèi)置工裝安裝在側(cè)圍門洞中，定位塊貼緊并夾緊；（2）車門安裝在內(nèi)置工裝上，定位面貼緊后夾緊車門；（3）將鉸鏈分別與車門和側(cè)圍安裝面貼緊并打緊螺栓。此工藝方案對(duì)于DTS值的保障主要依靠工裝的定位精度和制造精度（定位孔和定位面精度為±0.1mm），對(duì)于沖壓?jiǎn)渭秃附涌偝傻墓罹缺３植蛔儭?/p>

車門內(nèi)置工裝在側(cè)圍上的定位如圖6所示，S1-S2控制XY方向的移動(dòng)，S3-S4控制Y方向的移動(dòng)，S5-S6控制Z方向的移動(dòng)，車門內(nèi)置工裝在側(cè)圍上的所有自由度都被限制，所有定位面和定位布局擇優(yōu)選擇。

圖6 車門內(nèi)置工裝在側(cè)圍上的定位點(diǎn)

車門在工裝上的定位如圖7所示，S1-S3控制Y方向的移動(dòng)，S4-S5控制Z方向的移動(dòng)，定位孔H控制XZ方向移動(dòng)，車門在工裝上的所有自由度都被限制，所有定位孔和定位面的選擇相對(duì)合理且可靠[10]。

圖7 車門在內(nèi)置工裝上的定位點(diǎn)

借助3DCS軟件對(duì)基于工裝的車門裝配方案進(jìn)行尺寸分析，所得結(jié)果與基于間隙塊的車門裝配方案類似，僅有①處的面差值超差，從圖8可以看出，其±3?值為±2.03mm（初版DTS定義公差值為±1.0mm），超差率為14.7%，所以①處的面差不合格。

圖8 基于方案二的車門-側(cè)圍①處面差分析結(jié)果

方案二中鈑金件子系統(tǒng)的公差水平在±0.5mm～±0.7mm之間，工裝的公差水平在±0.1mm，此公差水平已沒(méi)有優(yōu)化空間，依此可以判定①處面差的初版DTS公差定義值過(guò)于嚴(yán)格，實(shí)際批量裝車水平無(wú)法滿足，需修改此處的DTS公差定義值。經(jīng)過(guò)3DCS軟件的分析可知，當(dāng)①處面差的DTS公差定義值設(shè)定為±1.5mm時(shí)，從圖9可以看出基于間隙塊的車門裝配方案在①處的面差超差率為2.5%，可以滿足批量裝車要求。

圖9 基于方案二的車門-側(cè)圍①處面差二次分析結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析可以看出，裝配工藝的不同會(huì)導(dǎo)致DTS公差定義值的不同結(jié)果，基于間隙塊的車門裝配方案中，①處面差的DTS公差定義值為±2.0mm可以滿足裝配要求，而基于工裝的車門裝配方案中，此處的DTS定義值為±1.5mm即可滿足裝配要求，所以方案一的裝配精度差一些，由此可以得出①處實(shí)車測(cè)量數(shù)據(jù)合格率較低，與裝配工藝有很大關(guān)系。另外，基于試制工藝方案和基于批產(chǎn)的工藝方案分析得出的①處面差公差值為±2.0mm和±1.5mm，相較于初版DTS定義值±1.0mm都偏大，說(shuō)明初版的DTS定義值在此處的公差設(shè)置過(guò)于嚴(yán)格且不合理。由于試制裝配工藝屬于臨時(shí)方案，只有在試制階段以及（部分）小批量裝車情況下采用，所以DTS 公差定義應(yīng)參照批量生產(chǎn)工藝方案進(jìn)行定義，故①處面差DTS公差定義值應(yīng)設(shè)定為±1.5mm最為有效且合理。