引言

汽車整車是由各種結構、尺寸不同的零部件組裝而成的復雜的結構體,在整車組裝的過程中會涉及眾多復雜的尺寸鏈環(huán),整車制造尺寸的穩(wěn)定性由尺寸鏈中的尺寸公差決定。整車制造尺寸越穩(wěn)定反映出整車廠制造水平越高,比如白車身制造的穩(wěn)定性、零部件單件尺寸的制造穩(wěn)定性,都會對整車總裝生產(chǎn)及最終產(chǎn)品外觀匹配產(chǎn)生很大的影響。通過整車尺寸鏈的分析和計算,可以在前期開發(fā)設計階段,判斷制造工藝的加工精度能否滿足零部件所規(guī)定的公差要求:并且在保證整車裝配性能的前提下,適當調整公差范圍,在整車外觀匹配質量和成本之間找到一個合適的平衡點,以制造出更具有性價比的汽車產(chǎn)品。同時,合理制訂產(chǎn)品的尺寸公差也會對生產(chǎn)效率產(chǎn)生有益的影響,加強尺寸鏈的計算和管控也是提高整車制造精度的有效手段。如圖1所示,通過前期的尺寸鏈分析和管理,可以提前發(fā)現(xiàn)問題,解決問題,既可以縮短開發(fā)周期,又可以降低整車生產(chǎn)成本。

圖1前期設計對產(chǎn)品開發(fā)成本的影響

1問題描述

某車型門檻為PP+EPDM+T30材料,在試制過程中發(fā)現(xiàn)門檻在總成檢具上與后門模擬塊匹配間隙波動范圍較大?，F(xiàn)場測量結果顯示門檻與后門模擬塊x向間隙波動范圍較大,理論值(4.0±0.8）mm,實測3～5mm,尺寸不合格,如圖2所示。

2門檻定位

采用RPS定位法對相關零件進行定位,保證在同一基準定位系統(tǒng)下測量分析。門檻與模擬車身檢具的安裝定位方案嚴格遵守"3·2·1"定位進行設計。該車型門檻與車身飯金的定位結構如圖3所示。門檻通過中間定位銷與飯金孔實現(xiàn)X向定位,其他定位銷對應的飯金腰形孔則為Z向定位,Y向定位通過卡扣與車身飯金拉緊。由此可以看出,門檻與后門匹配間隙主要受產(chǎn)品X向尺寸影響。

3線性尺寸鏈的計算方法

按照尺寸鏈組成環(huán)所處的空間位置,可以將尺寸鏈分為線性尺寸鏈、平面尺寸鏈、空間尺寸鏈。線性尺寸鏈計算方法較為簡單:平面尺寸鏈由平面矢量組成,計算較為復雜,一般是將各個尺寸投影到某一確定的方向上,從而把平面尺寸鏈轉化為線性尺寸鏈。對于長條狀零件,與長度方向一致的尺寸匹配就可以作為線性尺寸鏈,因此,門檻與后門匹配間隙的尺寸鏈便可以轉化為X方向的線性尺寸鏈。

首先需要定義尺寸鏈,尺寸鏈有兩個特征:(1）封閉性,尺寸鏈由多個尺寸首尾相連:(2）關聯(lián)性,尺寸鏈中每個尺寸的精度都會影響到目標尺寸的精度。

然后判斷尺寸的正負。尺寸鏈的正負關系到最終評價尺寸的理論值,圖4中需要測量的是間隙X,則X的理論值即A、B、C三者的理論值之和,X的公差范圍則受三者的綜合影響。在進行公差分析時,尺寸的正負可以用"箭頭法"確定。箭頭法是指從目標尺寸的任一端開始起畫單向箭頭,順著整個尺寸鏈一直畫下去,如圖4所示,直到最后形成一個閉合回路,然后按照箭頭方向進行判斷,凡是箭頭方向與目標尺寸箭頭同向的尺寸為負,反向的為正。

圖4尺寸鏈正負判斷圖示

在進行公差分析時,為了方便計算,尺寸的公差只能是對稱公差:如果不是,需要轉化為對稱公差。例如:

此外,要考慮裝配偏移帶來的尺寸影響。裝配偏移是指由于孔與軸、孔與螺釘、定位孔與定位柱等之間間隙的存在使得零件的實際位置與名義位置存在一定的偏移。如果目標尺寸的尺寸鏈包括裝配偏移,那么計算時要考慮裝配偏移。裝配偏移值和公差的公式如下:

式中:D為裝配偏移的值:T為裝配偏移的公差:D₁是孔的直徑:D₂是軸的直徑:T₁是孔的公差:T₂是軸的公差。

公差的計算方法有以下兩種:

(1）極值法:

目標尺寸的名義值為尺寸鏈上尺寸的名義值之和,尺寸具有正負性。

目標尺寸的公差為尺寸鏈上各個尺寸的公差之和。

(2）均方根法:

目標尺寸的名義值的計算方法與極值法一樣。

目標尺寸的公差為尺寸鏈上各個尺寸的公差的平方和開方,即:

通過線性尺寸鏈的介紹分析,可以判斷門檻在總成檢具上的尺寸鏈中各環(huán)的組成分別是門檻、檢具定位孔以及后門模擬塊。首先,通過批量測量可以得出相同生產(chǎn)批次、相同工藝的門檻零件之間的尺寸波動范圍約±0.7mm,門檻定位銷與定位孔存在裝配偏移,偏移公差±0.2mm,后門模擬塊相對檢具定位孔尺寸偏差為0。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)目標間隙的公差范圍僅±0.73mm,如表1所示,滿足給定的公差范圍。但是實際測量波動范圍遠超公差范圍,可以推斷測量過程中的變量并未完全考慮到尺寸鏈中。

4環(huán)境溫度對門檻尺寸鏈的影響

門檻除了批次件工藝波動帶來的尺寸波動,還同時受到外界氣溫影響,產(chǎn)品受環(huán)境溫度影響程度可以通過線性膨脹系數(shù)進行表征。固體物質的溫度每改變1℃時,其長度的變化和它在0℃時長度之比,叫做"線性膨脹系數(shù)"(Coefficient of Linear Thermal Expansion,CLTE,簡稱"線脹系數(shù)"）。對于塑料產(chǎn)品來說,是指溫度升高1℃時,每1cm的塑料伸長的厘米數(shù),若表示塑料在某一溫度區(qū)間的線脹特性,就稱為"平均線脹系數(shù)"。塑料的線性膨脹系數(shù)一般是鋼材的10倍左右。常見塑料的線性膨脹系數(shù)如表2所示。

表2 常見塑料的線性膨脹系數(shù)

于汽車裝在車身飯金上的細長塑料件來說這是一個不小的尺寸變化,如何保證其在高低溫環(huán)境下的裝配效果,結構和對線性膨脹系數(shù)的選擇就很關鍵了。圖5所示為某車型下邊梁護板的圖片。

圖5下邊梁護板圖示

其總長為2073mm,總寬為153mm,所選材質為PP＋EPDM-T20,假定冬天最低氣溫為-20℃,夏天氣溫為30℃。該產(chǎn)品是7月份試制完成并轉產(chǎn)的,當時各方面的裝配間隙面差都很好,且與飯金的貼合度很好,如圖6所示。但是到了冬天則裝不上了,即使勉強能裝上,前后端也會出現(xiàn)裂紋,如圖7所示。

圖6下邊梁護板夏天裝配效果

圖7下邊梁護板冬天裝配效果

夏天轉產(chǎn)時氣溫大約30℃,根據(jù)裝配效果認為當時尺寸與理論設計尺寸一致,那么到了-20℃的冬天則尺寸變化約9mm(-20～30℃的線性膨脹系數(shù)按與23～80℃相當來計算）。整體尺寸要縮短9mm,該產(chǎn)品的定位點在中間位置,則前后各縮短4.5mm,由于兩端已經(jīng)與飯金進行緊固連接,沒有變形量,所以在兩端與飯金貼合不上且短也是必然的。

因此,在分析門檻相對后門的尺寸公差時,除了考慮到門檻零件之間的尺寸公差范圍,門檻定位銷與定位孔存在裝配偏移,后門模擬塊相對檢具定位孔尺寸偏差外,還要考慮測量環(huán)境溫度對門檻x方向尺寸的影響。該門檻長度約2165mm,原材料CLTE值為70.90μm/（m·℃）。當裝車環(huán)境與測量環(huán)境溫差為10℃時,產(chǎn)品長度變化約1.5mm。

考慮到X向定位居中,則與后門匹配點變化量約0.75mm。表3計算結果顯示,當考慮環(huán)境溫度對門檻尺寸的影響時,原有公差范圍偏小。

5結語

基于尺寸工程的基本方法,采用線性尺寸鏈分析了門檻尺寸公差的影響因素。在門檻類零件尺寸公差定義及產(chǎn)品開發(fā)過程中應注意以下事項:

(1）對門檻類產(chǎn)品的尺寸公差定義不僅要考慮產(chǎn)品生產(chǎn)工藝波動導致產(chǎn)品尺寸的變化,還要考慮到原材料線性膨脹這一物理特性,合理調整公差,避免因公差定義不合理導致成本上升。同時對于測量人員,要統(tǒng)一測量環(huán)境溫度,避免溫度變化帶來的干擾。

(2）對于這類產(chǎn)品一方面要選擇線性膨脹系數(shù)小的材料,另一方面還是要落實到結構的設計上。除定位點外,建議前后各固定點長度方向放開,兩端頭的固定點預留出適當?shù)淖冃瘟?這也是后續(xù)產(chǎn)品設計需要考慮的問題。