基于3DCS的車門運動尺寸分析

徐明洋，闞天水，丁劍峰

（愛馳汽車有限公司，上海 200082）

前言

隨著尺寸工程在汽車行業的廣泛發展，尺寸鏈分析得到越來越多汽車公司的重視。通過對公差進行尺寸鏈累計分析，汽車行業逐步建立了一套科學的尺寸公差問題解決方案[1]。

1D尺寸鏈計算由于能夠滿足大部分的初級公差分析要求，在線性的尺寸鏈分析中如汽車內飾匹配等領域得到了廣泛應用[2]。對于復雜的空間接口，通常會引入3D尺寸鏈分析軟件進行仿真計算，其在大燈周邊、門蓋外觀匹配以及底盤裝配等汽車領域得到了廣泛應用[3]。目前3D分析軟件3DCS和VSA兩種主流軟件，都是采用蒙特卡羅模擬算法，其基本思想是把封閉環尺寸公差的問題轉化為求解一個隨機變量的統計問題來處理，封閉環尺寸公差的確定，采用隨機模擬和統計實驗的方法求解[4]。

汽車門蓋開啟或關閉過程中如果設計間隙過小，可能會出現干涉碰撞問題。不考慮公差累計的運動校核，難以計算出公差累計后的真實最小間隙。通過3DCS進行運動仿真分析，可以有效反映空間狀態下零件的工藝公差累計結果并計算出在具體某個位置時的最小間隙，從而評估尺寸技術要求以及產品結構的合理性。本文以后門到車身的DTS設計間隙3.5±0.5mm為例，通過三種運動分析方法計算出其最小運動間隙。

1 裝配與工藝

后門的安裝工藝如圖1所示。鉸鏈分裝成鉸鏈總成，并通過工裝安裝到后門總成上；后門帶鉸鏈總成通過機器人自動裝配工裝裝配到白車身上。

后門自動裝配的定位基準如圖2所示，后門總成前部通過鉸鏈與車身進行打緊，作為Y向定位；其余X/Y/Z向定位通過工裝與車身進行自動調整實現。

圖2 后門總成工裝定位示意圖

針對后門與側圍間隙，本文總結了三種3D計算方法，并對三種方法的優劣性及適應范圍進行分析對比。

方法一：傳統運動校核法（DMU+一維尺寸分析）；

方法二：最差點運動校核法（DMU+3DCS靜態分析）；

方法三：動態尺寸校核法（3DCS Mechanical運動分析）。

2 后門與車身最小間隙運動分析

2.1 傳統運動校核法

傳統運動校核法流程見圖3：

后門與車身間隙DTS公差設計要求為3.5±0.5mm，運用CATIA軟件自帶的DMU Kinematics運動分析方法，評估運動包絡過程中最小的間隙能否滿足最小安全間隙要求（標準為1.0mm）。

DMU Kinematics為可以模擬運動機構的模塊，在數據中能夠做出機構的運動狀態分析。它依照運動學的原理，通過約束自由度的方式建立機構，并且分析機構的運動狀態與移動軌跡。

圖3 傳統運動校核法流程圖

在本例分析中，將DMU Kinematics分析角度設置為0.5到-1度（后門從內向往打開），后門鉸鏈每0.1度測量一次理論最小間隙并記錄最小間隙處后門上的Z向坐標值。分析結果如圖4所示。累計為mm，該值則為最惡劣公差值。公式中公差設置：車身間隙面公差為±0.5mm，工裝調整公差為±0.15mm，后門間隙面公差為±0.5mm。

圖4 后門與車身DTS間隙DMU測量結果

因此，后門與車身的最小間隙為2.03-0.72=1.31mm，其中2.03為DMU計算下的最小理論間隙，0.72為最惡劣公差計算結果?？芍?，此種分析狀態下，設計規范能夠滿足最小安全間隙1.0mm的要求。

2.2 最差點運動校核法

最差點運動校核法流程見圖5：

由圖4可知，在后門鉸鏈往車內方向旋轉0.4度的時候，后門與車身的DTS間隙最小距離為2.03mm；最小距離的位置在車身坐標系下為Z向坐標1071.86mm。

由于后門與車身采用工裝調整裝配，即后門通過側車身在X向自動調整。通過尺寸鏈均方根算法進行分析，則公差

圖5 最差點運動校核法流程圖

在3.1中，運用CATIA軟件自帶的DMU Kinematics運動分析模塊找出后門在開閉過程之中的理論最小距離點（開啟角度0.4度時，在Z向坐標1071.86mm處），通過3DCS基礎模塊靜態仿真在該狀態下的公差累計結果，從而計算出最小間隙值。

由于DMU模塊分析的結果為理論數據狀態，而考慮車身公差累計之后的最小間隙、角度和位置均會發生不同程度的偏移。為了更精確的計算出公差累計后的最小間隙、角度和位置，在0.4度附近設置計算圓弧公差，公差角度為0.4±0.1度，即在該角度范圍內尋找間隙最小的角度值；在后門Z向理論最小距離點附近同時設置一定的測量范圍 1071.86±10mm，以找到考慮公差后的最小間隙點。測量的位置如圖6淺白色區域所示（下部靠近輪眉處）。

圖6 最小間隙點位置分析示意圖

由圖 7的計算結果可以看出，公差 6西格瑪值為±0.86mm，最小間隙為 1.10mm，與方法一結果差別較大。同時也能夠滿足最小運動安全間隙1.0的設計要求。

圖7 后門0.4度附近時最小間隙計算結果

根據最小間隙狀態，測量該狀態的后門旋轉角度，測量結果約為0.377度，如圖8所示。

圖8 最小間隙時的旋轉測量角度

保持最小間隙數據狀態，用 CATIA基礎測量命令測量最小間隙，從而得出在該狀態下后門的 Z向坐標點為1071.391mm，如圖9所示。

圖9 最小間隙時的后門坐標位置

2.3 動態尺寸校核法

運動尺寸校核法流程見圖10：

圖10 動態尺寸校核法流程圖

3DCS Mechanical是一個易于使用的、用于機械和運動組件裝配的尺寸偏差分析解決方案。它提供了一個不同于3-2-1 定位方法的運動副和約束庫用于建立裝配模型。組件可以是剛體，并可以在一定范圍內運動，并且可以計算出在運動過程中，各步的模擬結果。

為了減少 3DCS計算量和提高計算速度，將 3DCS Mechanical分析角度范圍設置為0.5到-1度，每0.1度作為步進間隔進行測量一次。3DCS Mechanical 模塊不同于基礎模塊的輸出格式，該模塊輸出格式為Excel統計表，而非類似于正態分布的貢獻因子類型。計算結果圖表轉換成柱狀圖，如圖11所示。

圖11 3DCS Mechanical運動仿真計算結果

圖11中結果可知，在后門旋轉0.4度時， 6西格瑪值為±0.79mm，最小間隙為 1.08mm。，同時也能夠滿足最小安全間隙1.0mm的設計要求。

通過CATIA基本功能將后門旋轉0.4度，采用CATIA測量工具測量后門與車身間隙，找出最小間隙Z向坐標點。如圖12所示，后門在Z向坐標為1071.86mm處，間隙值最小。

圖12 后門旋轉0.4度時最小間隙位置

2.4 三種運動尺寸分析的對比

通過上述分析結果可以得出：方法二和方法三結果相似，與方法一結果相差較大。針對三種分析方法進行優劣性對比，對比結果如表1所示。

針對三種方法的優缺點，其適用范圍建議如下：

傳統運動校核法：適用于產品工程師設計的時候采用，效率較高。對于沒有3DCS軟件的工程師，建議采用DMU+1D公差累計方式進行計算，能夠相對準確的分析運動間隙。

最差點運動校核法：適應于尺寸工程師在時間充裕的條件下進行運動間隙分析，特別是計算精度較為敏感且對功能影響較大的運動分析。

動態尺寸校核法：建模時間較短，適用于大部分的運動間隙分析。由于產品結構更新基本為最小距離點所在面的調整，故對最小間隙點的坐標不甚敏感，基本能夠滿足大部分的數據分析工作，也是最為推薦的一種分析方法。

表1 三種分析方法的優劣性對比

3 樣車驗證

為了驗證新的運動尺寸分析方法的正確性與合理性，在樣車試制階段，選取5量樣車進行測量。每輛車后門往內旋轉0.4度（需解除密封膠條與鎖扣，以防旋轉不了）并固定，從上到下選取5個測量點。其中測點5為運動分析出的最小間隙點位置，如圖13所示。

圖13 后門與車身測量位置

測量結果如圖14所示。

圖14 后門往內旋轉0.4度與車身間隙測量結果統計

根據圖14計算可得，測點1到5五個位置各自的平均值依次為1.33mm、1.44mm、1.37mm、1.33mm和1.24mm，其中測點5間隙處距離最小。由于數據樣本較少且樣車尺寸穩定性較差，相關數據不足以評判公差控制精度，但能基本反應尺寸控制趨勢和本文運動尺寸分析方法的合理性。

4 結論

對于傳統的尺寸分析方法，大多還處于尺寸鏈靜態分析狀態。對于運動過程中產生的尺寸鏈分析起來比較困難。本文通過對三種處理運動間隙分析方法，找到了更加有效、更加科學的運動間隙尺寸鏈分析手段。尤其是3D公差分析軟件的采用大大提高了計算精度，能夠在設計階段更精確地識別和評判風險，避免在生成過程之中產生的尺寸問題變更費用和變更時間。隨著3D尺寸鏈分析軟件應用的不斷成熟，運動尺寸分析將變得越來越普遍，且應用范圍也將越來越廣。