某長頭重卡車型車門DTS的公差研究

郭琦，高峰，李龍，瞿軍平

（陜西汽車集團有限責任公司技術中心，陜西 西安 710200）

引言

隨著國內商用車市場增量日益凸顯以及GB 1589-2016的實施，高端長頭重卡車型受到了各大主流商用車制造廠商的青睞[1]。在轎車領域，外觀DTS（間隙和面差）的高品質要求早已應用，對于長頭重卡而言，外觀DTS的高品質要求也已成為主流趨勢。DTS的英文全稱為Dimensional Tolerance Specification，指的是整車內外部尺寸公差規范，在白車身中主要指代間隙、面差等的設計值和公差值，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[2-3]。

根據以往新車型的開發設計經驗，DTS公差定義值主要通過對標和經驗來制定，對于長頭重卡車型，國內可借鑒的車型少之又少，并且以往經驗也是空白，所以借助其他手段預先分析DTS的合理性和準確性，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計函數[4-5]，考慮到各子組鏈環尺寸的不同分布類型，采用統計抽樣和隨機模擬對子組鏈環進行抽樣分析[6]，可對汽車初期設計階段的DTS設計值及公差值進行有效分析，有助于制定最為合理的DTS值。

1 某長頭重卡車型車門初版DTS制定及實車測量結果

在長頭重卡車型開發的概念設計階段，首先根據對標（國外車型）結果和初步的尺寸鏈分析制定初版車門－側圍DTS值。如圖1所示，車門與側圍的DTS定義值有4處，分別為車門A柱區域、車門上段和車門后段（兩處），每處對應的設計值和公差值詳見表1。在車型開發的工程設計和試制驗證階段，根據項目進度進行性能樣車和可靠性樣車的裝車驗證，在此期間分別統計了5輛車的車門－側圍間隙和面差值，面差平均合格率為52.25%，間隙平均合格率為87.5%，從合格率統計結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%），面差的合格率遠低于業內試制的平均水平，從此可以引出兩個問題，究竟是裝配方式不合理導致面差合格率較低，還是DTS公差值設置不合理，下面借助3DCS軟件并結合實際裝車工藝方案進行深入的探究。

圖1 車門－側圍DTS位置

表1 車門－側圍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

蒙特卡羅方法所運用到的基礎理論有：大數定律、中心極限定理以及F（X）～U（0，1）。求解的基本思路為：當所求問題的解是某個事件的概率，通過試驗方法，得出該事件發生的頻率，根據大數定律得到問題的解。為了獲得具有一定精確度的近似解，需要大量的試驗，人工完成試驗的困難大且不實際，3DCS軟件借由計算機可以完成巨大數目的隨機試驗，進而較好地解決三維尺寸公差問題。

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，具體工藝內容為：（1）間隙塊通過磁力吸附在側圍外板上，并與側圍外板貼緊；（2）人工抬舉車門安裝在側圍上，并與間隙塊貼緊；（3）將鉸鏈分別與車門和側圍安裝面貼緊并打緊螺栓。此工藝方案對于DTS值的保障主要依靠間隙塊的兩側貼合面精度（輪廓度為±0.1mm），對于沖壓單件和焊接總成的面輪廓度公差為±0.5mm和±0.7mm，此公差水平屬于行業主流偏上水平，所以在子系統的公差精度方面已經達到最優分配。

車門在側圍上的定位方案如圖2所示，S1控制YZ方向的移動，S2-S3控制XY方向的移動，車門在側圍上的X、Y、Z方向的移動和繞X軸、Y軸、Z軸方向的轉動總計6個自由度被限制住，符合3-2-1定位原則[7]。

借助3DCS軟件對基于間隙塊的車門裝配方案進行尺寸分析，首先需要在軟件中整理數據，確保結構樹有序且合理，利用特征點和DCS點建立裝配關系，根據GD&T圖為每個功能點設置公差值，模擬裝配過程并建立測量點[8]，確保各個測量點的位置和方向正確，以免影響分析結果。

3DCS軟件分析運算完成后得到各處的間隙和面差的正態分布結果，僅有①處的面差值超差，從圖3分析結果得到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%，根據行業經驗，超差率≤5%判定為合格，5%＜超差率≤10%須根據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-側圍①處面差分析結果

從圖4敏感度列表得知，①處面差子系統的公差水平在±0.5mm～±0.7mm之間，此公差水平已經達到主流乘用車的公差設定標準[9]，對于長頭重卡車型而言，此公差水平處于較高水平，依此可以判定此處的初版DTS公差定義值過于嚴格，實際裝車水平無法滿足，需修改此處的DTS公差定義值。

圖4 基于方案一的車門-側圍①處面差敏感度分析結果

經過3DCS軟件的分析可知，當①處的DTS公差定義值設定為±2.0mm時，分析結果如圖5所示，超差率為2.75%，判定為合格，所以①處DTS公差值設定為±2.0mm時，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-側圍①處面差二次分析結果

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品設計驗證階段完成，此時無量產車型可供參考，主要借鑒試制樣車的測量數據和3DCS軟件的尺寸分析結果以及經驗值來最終敲定DTS公差定義值。基于工裝的車門裝配方案（方案二）為量產階段的裝配工藝，具體工藝內容為：（1）內置工裝安裝在側圍門洞中，定位塊貼緊并夾緊；（2）車門安裝在內置工裝上，定位面貼緊后夾緊車門；（3）將鉸鏈分別與車門和側圍安裝面貼緊并打緊螺栓。此工藝方案對于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），對于沖壓單件和焊接總成的公差精度保持不變。

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

圖6 車門內置工裝在側圍上的定位點

車門在工裝上的定位如圖7所示，S1-S3控制Y方向的移動，S4-S5控制Z方向的移動，定位孔H控制XZ方向移動，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合理且可靠[10]。

圖7 車門在內置工裝上的定位點

借助3DCS軟件對基于工裝的車門裝配方案進行尺寸分析，所得結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-側圍①處面差分析結果

方案二中鈑金件子系統的公差水平在±0.5mm～±0.7mm之間，工裝的公差水平在±0.1mm，此公差水平已沒有優化空間，依此可以判定①處面差的初版DTS公差定義值過于嚴格，實際批量裝車水平無法滿足，需修改此處的DTS公差定義值。經過3DCS軟件的分析可知，當①處面差的DTS公差定義值設定為±1.5mm時，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-側圍①處面差二次分析結果

4 結論

通過上述分析可以看出，裝配工藝的不同會導致DTS公差定義值的不同結果，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處實車測量數據合格率較低，與裝配工藝有很大關系。另外，基于試制工藝方案和基于批產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，說明初版的DTS定義值在此處的公差設置過于嚴格且不合理。由于試制裝配工藝屬于臨時方案，只有在試制階段以及（部分）小批量裝車情況下采用，所以DTS 公差定義應參照批量生產工藝方案進行定義，故①處面差DTS公差定義值應設定為±1.5mm最為有效且合理。