基于VisVSA在后保險杠與尾門的尺寸偏差分析

蘇世棟

摘 要：汽車后保險杠與尾門的間隙段差匹配一直是汽車主機廠整車感知質量的重點和難點。以某車型后保險杠與尾門間隙段差為例，通過VisVSA軟件采用Monte Carlo（蒙特卡羅）方法進行虛擬偏差分析以及優化方案的虛擬驗證，減少實車匹配階段的重復性工作，對縮短項目開發周期以及節省成本具有重要意義。

關鍵詞：VisVSA;偏差分析;后保險桿;尾門

1 引言

隨著人們對美觀的追求越來越高，對汽車靜態尺寸感知質量的要求也越來越高，尺寸偏差分析在汽車尺寸前期開發占據這愈發總要的地位。尺寸偏差分析過程中，若是簡單的提高尺寸鏈中每個鏈環公差要求會增加生產成本。各公司都希望通過優化定位、采用簡易工裝、者先進的制造工藝或采用穩定容差大的結構等方法縮短尺寸鏈環、減少公差累積。尾部作為整車可視A面，尺寸靜態感知質量尤為重要。

本文基于VisVSA技術，以某汽車后保險杠與尾門尺寸匹配為例，采用數字化手段進行尺寸分配方案的優化，進一步提高了尺寸偏差分析的精度和容差設計的合理性。

2 VSA偏差分析的原理以及流程

偏差分析（Variation Analysis），簡稱VA，核心思想是采用Monte Carlo（蒙特卡羅）方法模擬實際生產中零件的制造或者裝配過程，以此仿真分析實際零件制造或裝配中的尺寸問題，蒙特卡羅模擬法事一種以概率和統計理論方法為基礎使用隨機數來解決很多計算問題的方法。將需求解的問題和相應的概率模型聯系起來通過計算機虛擬抽樣和統計，可得到穩定的近似解。工程生產近似的概率模型為正態分布，VisVSA軟件根據輸入的零件形位公差，和相應的概率模型，隨機產生不同尺寸的虛擬零件，進行多次模擬裝配，對需求解的尺寸鏈封閉環進行多次測量和統計，最終可得標準偏差（σ）、工序性能（CP）、工序能力（CPK）等關鍵參數。

如圖1，通過分析裝配環節上零部件的尺寸分布和公差，考慮偏差的累積和傳播，來計算裝配體的尺寸分布和總成公差，實現在設計階段對結構方案的尺寸質量進行評估。偏差分析宗旨是在成本、制造能力范圍內合理分配零部件制造公差，使每個零部件公差符合設計要求。但并不是所有的零部件公差都能符合要求，這時候需從產品結構設計、工藝設計等方面找出影響因素，減少公差源，或者通過更改結構設計，將車身公差累積到非重點的特征上。

3 后保險杠與尾門偏差分析

后保險杠與尾門偏差包括后保險杠與尾門豎直段&水平段之間的間隙段差，如圖2。

其偏差累積不但與各級零件的公差設定直接相關，還與尾門自身的安裝定位方式相關，相關影響的因素包含后保險杠、后保險杠左右安裝支架、后保險杠中間安裝支架、尾門總成、白車身、尾門安裝工具。

3.1 后保險杠與尾門分析的輸入和輸出

一、輸入：（1）相關三維數據，后保險杠、后保險杠左右安裝支架、后保險杠中間安裝支架、尾門總成等;（2）目標文件DTS，建標點與校核目標如圖3;（3）裝配工藝，各零件裝配關系以及裝配工藝，如圖4;（4）相關零件定位信息&公差信息等。

二、輸出：（1）VSA分析模型和分析結果;（2）白車身公差建議，后保險杠裝配方向以及后保險杠中間安裝支架結構優化建議報告

3.2 后保險杠定位方案

后保險杠安裝點較多，各方向均有控制點，此次分析采用兩種裝配方案進行分析。

Case 1：Z向為第一裝配方向，用于分析水平段U/D間隙。 其中Z1/Z2為卡扣配光孔，添加浮動變量裝換成第一安裝面;X向取兩點為第二裝配方向;Y向采用與左右安裝支架面居中裝配 ，如圖5。

Case 2：X向為第一裝配方向，用于分析豎直段C/C間隙和面差。X1-X4第一裝配方向;Z1/Z2第二裝配方向;Y向采用與左右安裝支架面居中裝配，如圖6。

3.3 建立偏差分析模型進行分析

各項輸入信息為前提下在VisVSA軟件中建立偏差分析模型以及建立裝配和測量，如圖7。

分別對上述兩種裝配方案進行5000次的仿真計算，后保險杠與尾門的間隙、面差分析結果見表1（方案1），結果分析如下：

水平段GAP1-GAP3：在后蒙皮中安裝支架Case1裝配結果如下，結果超差大，6σ偏大。經分析，后蒙皮中間安裝支架為Y向長條型結構，第一裝配方向幾乎在一直線上，裝配時容易擺動，影響Z向精度，結構不穩定。建議優化結構！

表1說明：1、超差0～3%為綠色，可接受;2、超差3～10%為黃色，待討論;3、超差>10%為紅色，需整改

3.4 針對分析結果進行優化

（1）后保險杠中安裝支架：

Case1（原有結構）：由于該支架長條形Y向很長Z向很窄，3個點難于構成一穩定的主定位面，采用4個點做第一裝配面 ，后保險杠中間安裝支架Z向test點偏差情況如圖8。

在后保險杠中安裝支架Case1裝配結果如下，結果超差大，6σ偏大。經分析，后蒙皮中間安裝支架為Y向長條型結構，第一裝配方向幾乎在一直線上，裝配時容易擺動，影響Z向精度，結構不穩定。建議優化結構如圖9！

優化結構后，在后蒙皮中安裝支架取Z向測試點結果如圖12所示，結果好不超差，6σ小，結果穩定。優化后對模型間隙段差進行重新分析，結果見表1（方案二），結果良好不超差，6σ較穩定。

4 結語

本文介紹了三種偏差分析方法的原理和適用場合，著重介紹了使用蒙特卡洛方法的VSA軟件的使用，通過對某車型后保險杠與尾門匹配偏差的分析，解決了產品設計階段后保險杠最優定位方案的選取以及尺寸鏈環優化問題，降低了后保險杠與尾門間隙段差匹配的超差率。同時方案優化選取過程中將尺寸鏈中各鏈環敏感度系數大小作為參考項，通過產品結構的更改，充分考慮到零件安裝定位點的尺寸偏差放大效應，提高匹配的穩定性，以上方法已在實車匹配中得到驗證。

參考文獻：

[1]崔慶泉. 轎車尺寸同步工程實施綜述[J]. 機械研究與應用，2013（6）：191-194.

[2]張振珠. 車身公差分配及質量控制[D].重慶：重慶理工大學，2012.

[3]方紅芳.計算機輔助工序尺寸及其公差設計[M].上海： 中國紡織大學出版社，2000.

[4]林忠欽. 汽車車身制造質量控制技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[5]吳昭同，楊將新計算機輔助公差優化設計[M].杭州： 浙江大學出版社，1999.