王淑婧,刘光威,张伟
广汽本田汽车有限公司，广东广州 510700
近年来，扭梁悬架以其占用空间少、结构简单、安装定位便利等特点，被广泛应用于电动车后悬系统中。因其作为非独立后悬架没有设置四轮定位参数的调节方式，在合车后的四轮定位参数不能调整，如发生参数超差则线下返修困难，严重影响生产效率。故进行扭梁悬架系统四轮定位参数三维偏差仿真分析，找出影响定位参数的主要影响因子，对实际生产中相关参数的控制有着重要的指导意义。
一般意义上讲，后轮作为车辆的非转向轮，主要的定位参数有前束角和外倾角等。其中，前束角或者外倾角的超差不仅会导致轮胎快速磨损，而且还会增加行驶阻力，引起车辆跑偏等严重问题[1]。所以，各整车厂对该前束角和外倾角都进行了严格的定义，并要求对下线车辆的定位参数100%检测合格后才能出厂交付。
某车型在生产验证阶段偶发后轮前束角超差现象，经统计的综合不良品率在3.9%左右,经计算的过程能力指数CPK为0.73，小于目标值1.33，需分析查明问题的原因。本文基于3DCS软件，建立后悬架的虚拟装配偏差仿真模型，分析在各零件制造和装配过程中影响整车该参数的主要因子，并提出相对应的优化方案进行验证。
尺寸工程常用的分析方法有极值法、统计分析法和蒙特卡洛模拟分析法等。其中极值法主要适用于装配技术要求不高的领域，是假设尺寸链中所有尺寸都处于最大偏差值时的公差计算方法，它往往会导致增加零件加工成本和制造难度，不太适用于汽车生产装配的公差分析；
统计分析法是以概率论为理论基础，较极值法可以得到更加接近现实的公差计算，但该方法设定每个零件的公差带均遵守正态分布的要求过于理想化，严重影响尺寸链计算的准确度，且该方法不能计算零件表面的轮廓公差、型面公差以及复合公差等，这也进一步影响了计算结果；
蒙特卡洛模拟分析法又称随机模拟方法，其基本原理是建立一个虚拟的随机数发生器来模拟尺寸公差的变化，可以用来解决一般试验或者代数方法无法解决的复杂问题,并综合考虑非线性公差的相关性，通过对所有影响因素公差带进行全微分求解得到最终的装配公差值。采用蒙特卡洛模拟法的计算结果精度比极值法和概率法都要高，且更加符合实际生产的工作环境[2-4]。
3DCS是一种业内广泛使用的基于蒙特卡洛模拟理论的分析软件[5]。工程师在3DCS软件设置相关参数，操作执行一定量的虚拟装配来模拟真实现场场景。当软件每执行一次模拟装配时，首先所有的相关零部件都被按照随机抽样次数被虚拟地制造出来，并赋予该零件设定公差带范围里随机的公差值;然后再进行模拟装配，且每次模拟装配后都会生成一个相对应的测试结果。因此考虑计算机计算效率的前提下模拟装配的次数越多，分析的结果越接近真实的情况，也就越可靠[6]。
图1为3DCS悬架偏差分析建模的仿真流程[7]。
图1 3DCS悬架偏差分析建模的仿真流程
在进行分析模型的搭建前，还需明确以下设计装配参数：
(1)与总装工艺确认后悬零件、扭梁、轴承、摩擦片及车轮的装配工艺流程；
(2)按照每个零件的装配工艺和结构特征确认具体的定位策略；
(3)按照采购级零件总成公差带设置软件公差仿真输入；
(4)由底盘专业组输出后悬架定位参数的理论中值角度及允许的公差。
本车型整备工况下后轮前束角及外倾角定位参数见表1。
表1 后轮前束角及外倾角定位参数 单位:(°)
后悬架分总成与车身装配工艺如图2所示。
图2 后悬架分总成与车身装配工艺
由图2可知，左右两侧的车轮与制动盘、轴承、防尘罩及扭梁总成组合装配形成后悬架分总成，该分总成通过扭梁安装支架装配至下车体。
后悬架分总成与下车体的合车装配按照阶梯面装配(Step-Plane)方案，遵循3-2-1定位原则。在阶梯面装配分析中，需设置3组向量(Dir1、Dir2、Dir3)用于创建不同的对象点与目标面，通过把各对象点对应到各目标面上来实现装配。该车型底盘后悬架分总成与下车体合车定位方案1如图3所示，合车主副定位孔在扭梁安装支架上，该分总成的3个自由度(沿Z轴的平动、绕X轴的转动、绕Y轴的转动)由3个U/D定位面限制(创建向量Dir1)，2个自由度(沿X轴的平动、沿Y轴的平动)由左侧的主定位孔(F/A、C/C)限制(创建向量Dir2)，剩余的1个自由度(绕Z轴转动)由右侧的副定位孔(F/A)限制(创建向量Dir3)。
图3 后悬架分总成与下车体合车定位方案1
3.1 Tolerance及Measure的创建
在3DCS软件中根据车辆后悬架与下车体装配定位工艺定义“Feature”及“Move”部分后，参考GD&T文件对仿真模型中的各零部件及装配工装定义公差值，详见表2，并将所规定的各项公差值输入到仿真模型中。设置前束角和外倾角的测量类型均为“Line-Plan”，选取轮毂安装面X向前、后两个端点的连线投影至XY面，测量投影线与XZ面的夹角，即为车轮的前束角;选取轮毂安装面Z向上、下两个端点的连线投影至YZ面，测量投影线与XZ面的夹角，即为车轮的外倾角。
表2 公差值定义 单位:mm
3.2 计算结果仿真分析
对装配方案1模型进行10 000次模拟装配计算，其后轮前束角及外倾角的3DCS分析结果如图4和图5所示。由图4可以看到，前束角的分析结果6σ=±0.145°，超差3.61%;由图5可以看到，外倾角的分析结果6σ=±0.18°，超差0.00%。由此可见，前束角仿真分析超差率与车辆实际下线超差率3.9%基本吻合，证明了仿真模型的可靠度较高，可以为后续优化方案的验证分析提供参考。
图4 按照定位方案1模拟装配10 000次后轮前束角的3DCS分析结果
图5 按照定位方案1模拟装配10 000次后轮外倾角的3DCS分析结果
3.3 装配尺寸链的调整优化
分析结果显示后轮前束角存在超差风险，需针对影响因子较大项进行优化，在充分评估后悬架分总成与下车体合车的装配定位方式后，制定出合车定位方案2，选取扭梁本体横梁两端作为新的主定位孔和主定位面，调整优化相关尺寸链，提升合车定位的稳健性，其合车定位方案2如图6所示。
图6 后悬架分总成与下车体合车定位方案2
将新的定位方案输入软件进行模拟装配分析，按照定位方案2模拟装配10 000次后轮前束角及外倾角的3DCS分析结果如图7和图8所示。
图7 按照定位方案2模拟装配10 000次后轮前束角的3DCS分析结果
图8 按照定位方案2模拟装配10 000次后轮外倾角的3DCS分析结果
由图7可以看到，前束角的分析结果6σ=±0.125°，超差1.62%，合车方案2的偏差值和超差率较于方案1均有较大的提升;由图8可以看到，调整版面外倾角的分析结果6σ=±0.18°，超差0.00%，与方案1的外倾角仿真分析结果基本无变化。
3.4 关键公差值的调整优化
由图6可知，按照方案2的装配方式后轮前束角的超差率仍有1.62%，高于0.6%的不良品率要求，因此需对贡献量占比较大的尺寸链环进行关键公差优化。分析图6前束角排名前六的贡献因子，包括扭梁轮毂轴承安装面轮廓度(46.36%)、扭梁安装支架衬套安装孔位置度(22.26%)、车身后悬定位面轮廓度(7.42%)、车身后悬定位孔位置度(7.42%)、轴承与扭梁安装面轮廓度(4.32%)及车身后悬安装面轮廓度(2.06%)。
通过与扭梁焊接总成及扭梁安装支架供应商交流，评估在最小成本代价的前提下，将扭梁轮毂轴承安装面轮廓度从±0.14 mm收紧至±0.10 mm，扭梁安装支架衬套安装孔位置度由±2.0 mm收紧至±1.5 mm。按照以上公差优化方案，对模型相关参数修正后进行分析，结果见表3。由表可知，优化关键零件的公差带后，后轮前束角的分析结果6σ=±0.092°，超差0.00%，过程能力指数CPK优化至1.45，大于1.33，证明过程能力充足，装配状态稳定，满足相关要求。
表3 方案2与方案3后轮前束角三维尺寸链分析结果对比
将方案3提交实施后，监控约1 000辆下线车辆，前束角不良率为0%，综合改善效果明显，可有效满足生产部门要求。
(1)相较于1D尺寸链公差分析，3DCS软件能够进行较复杂产品的公差累积计算，特别对一些多零部件组成的大总成以及匹配关系复杂的组合单元，该软件具有较强的准确性。本案例中原装配方案经3DCS软件分析后的前束角装配偏差与实际生产的统计结果较吻合，证明了仿真模型较高的可靠度，可以为后续优化提供具体参考。
(2)通过对后轮前束角的偏差分析，充分考虑合车装配定位的稳健性，优化后悬合车主定位孔和主定位面，提高了匹配的稳定性，同时对尺寸链环上贡献度较高的影响因子进行公差优化，从而进一步降低了后轮前束角的超差率，以上改进方法均已在实际生产中实施，改善效果得到了验证。
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