張高明，田洪峰

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配偏差仿真分析與公差修正

張高明，田洪峰

（上海交大智邦科技有限公司，上海 201306）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量對(duì)汽車的燃油消耗率、扭矩、功率等性能指標(biāo)都有著十分重要的影響。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的尺寸及形位公差是裝配偏差分析中的重要元素。使用三維公差分析軟件VisVSA對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了裝配偏差仿真分析，在組成環(huán)設(shè)定公差的情況下計(jì)算封閉環(huán)尺寸。仿真結(jié)果表明，裝配后的缸體頂面到活塞高的距離FR的合格率并不能滿足在原有公差設(shè)定下的2%的合格率要求。根據(jù)組成環(huán)公差貢獻(xiàn)度，對(duì)偏差貢獻(xiàn)度較大的零部件公差進(jìn)行修正，修正后的超差率明顯減小，裝配合格率滿足了設(shè)定要求。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；壓縮比；裝配偏差分析；公差優(yōu)化；VisVSA

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量對(duì)汽車的燃油消耗率、扭矩、功率等性能指標(biāo)都有著十分重要的影響[1-2]。研究表明，壓縮比是衡量這些性能的一個(gè)重要指標(biāo)[3]：壓縮比越大，汽油燃燒的越充分，汽車的輸出功率也增大；但是當(dāng)壓縮比超出設(shè)計(jì)范圍時(shí)，會(huì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，甚至引起爆震和表面點(diǎn)火、降低發(fā)動(dòng)機(jī)壽命；而壓縮比偏小則會(huì)導(dǎo)致氣體燃燒不完全，輸出功率下降，增加油耗。發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的制造誤差以及裝配時(shí)的偏差累積傳遞是造成發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比波動(dòng)的重要原因。零部件公差及傳遞對(duì)壓縮比影響的定量分析已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造亟需解決的問題。

目前，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)零件的公差設(shè)計(jì)主要以經(jīng)驗(yàn)為主，公差分析和分配方法也是基于平面尺寸鏈的公差分析模型，得到的結(jié)果與實(shí)際相差略大，分析的對(duì)象僅局限于零件的尺寸公差，對(duì)于零件的形位公差信息，一直缺乏行之有效的分析方法和解決途徑。

本文采用三維偏差分析軟件VisVSA對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行裝配偏差分析，通過建立傳遞零件誤差的尺寸鏈模型來分析零件制造誤差和裝配偏差對(duì)與發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比有直接影響的缸體頂面到活塞高的距離的影響，并對(duì)影響結(jié)果最大偏差進(jìn)行了修正，解決了裝配合格率的問題，同時(shí)也為零件公差設(shè)計(jì)及參數(shù)化建模[4]提供了依據(jù)與參考。

1 VisVSA裝配偏差建模仿真分析

1.1 模型建立

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主要由缸蓋、凸輪軸、缸體、活塞、活塞銷、連桿、曲軸等零件組成，如圖1為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的部分爆炸圖。其裝配過程是首先完成活塞、活塞銷、連桿小端及連桿襯套間的裝配，然后分別完成缸體、止推瓦、軸瓦和曲軸、止推瓦、軸瓦間的裝配，最后進(jìn)行總裝，完成活塞和缸體、連桿襯套和曲軸間的裝配。缸體頂面到活塞高的距離對(duì)壓縮比的大小有直接影響，通過對(duì)的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮比的精確控制，的發(fā)動(dòng)機(jī)功能要求如圖2所示。

1.2 裝配尺寸鏈分析

合理的裝配偏差建模需要對(duì)裝配尺寸鏈進(jìn)行分析，正確的尺寸鏈能夠真實(shí)反映各公差的傳遞情況，是進(jìn)行公差分析[3-4]與公差綜合[5-6]的基礎(chǔ)。本文針對(duì)壓縮比高度的測量需求和功能需求，對(duì)活塞－連桿組件－曲軸組件－缸體組件（方向）進(jìn)行了裝配尺寸鏈分析，壓縮比高度方向的裝配尺寸鏈如圖3所示。

圖1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的部分爆炸圖

圖2 FR的發(fā)動(dòng)機(jī)功能要求圖

1.3 零件公差輸入

對(duì)于剛性零件，其裝配偏差主要來源于零件本身的尺寸偏差及裝配過程中的定位偏差，并在裝配鏈中按幾何關(guān)系形成封閉環(huán)[7]。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝圖紙確定尺寸鏈中所需各零件的尺寸及形位公差，如表1所列，所有公差均假設(shè)服從正態(tài)分布。

圖3 壓縮比高度的裝配尺寸鏈

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比相關(guān)零件尺寸及形位公差/mm

1.4 定義零件裝配順序

裝配順序是裝配偏差分析中偏差的主要來源，裝配順序不同將導(dǎo)致結(jié)果的不同，所以在運(yùn)用VisVSA進(jìn)行分析時(shí)盡量做到符合實(shí)際的裝配順序?qū)Λ@得理想的結(jié)果非常重要。按照實(shí)際生產(chǎn)工藝確定的順序，整個(gè)裝配體的部件可分為四大主件、四小配件。以缸體為基準(zhǔn)進(jìn)行裝配，裝配順序?yàn)椋夯钊B桿組件（包含活塞銷）－曲軸組件（包含襯套）－缸體組件（包含止推瓦和軸瓦）。

1.5 壓縮比高度輸出

由于無法測量面與面的距離，在處理過程中轉(zhuǎn)為求取多點(diǎn)到面的距離，并求取平均值，以期使之符合測量實(shí)際的需要。本文取九個(gè)具有代表性的點(diǎn)來表達(dá)活塞頂面的變動(dòng)位置，從而擬合出活塞頂面到缸體上表面的距離，擬合方法如圖4所示。

圖4 距離的定義輸出

1.6 仿真結(jié)果與分析

在VisVSA中的仿真計(jì)算基于以下假設(shè)：零件為剛性件；不考慮裝配力、熱膨脹、變形和回彈影響；所有的幾何特征公差均服從正態(tài)分布；所有的零件公差只考慮±3（標(biāo)準(zhǔn)偏差）范圍。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)置的尺寸偏差為±0.1，仿真分析采用5000個(gè)樣本進(jìn)行模擬，要求裝配一次合格率低于2%。仿真結(jié)果如圖5所示。

軟件計(jì)算得到FR均值＝-3.2045、FR標(biāo)準(zhǔn)差＝0.0470，由于要求尺寸偏差為±0.1，化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布計(jì)算>μ+0.1的概率，由(＋0.1－)/＝2.128查詢標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表知，>2.12＝0.983＜>μ+0.1＜>2.13＝0.9834，因此該種情況的超差率為3.32%～3.4%，顯然超差率過高，故一次裝配合格率不滿足要求。這說明零件間的部分裝配公差設(shè)置不合理，導(dǎo)致裝配體最終的裝配尺寸超差。需要確定各個(gè)組成環(huán)對(duì)封閉環(huán)的影響，確定其貢獻(xiàn)度。

圖5 FR尺寸偏差裝配仿真結(jié)果

貢獻(xiàn)度＝2/2，σ為組成環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)差，σ為封閉環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)差[10]，通過縮小貢獻(xiàn)度大的組成環(huán)公差可以高效低成本地減小封閉環(huán)標(biāo)準(zhǔn)差，提高合格率。計(jì)算各個(gè)組成環(huán)貢獻(xiàn)度結(jié)果如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)零部件尺寸形位公差對(duì)FR尺寸偏差貢獻(xiàn)度影響情況

由圖5和表2綜合可以看出，引起尺寸偏差超差的主要原因是活塞銷孔的位置度約束較為寬松，因此公差的修正將在此進(jìn)行。

2 公差修正設(shè)計(jì)與優(yōu)化

由仿真模擬結(jié)果可知，裝配后的尺寸超差率不能滿足低于2%的要求，所以需要對(duì)尺寸影響較大的公差進(jìn)行修正。

對(duì)尺寸影響最大的公差為活塞銷孔的公差位置度0.1，現(xiàn)將其修正為0.05重新進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果如圖6所示，此處＝-3.2045、＝0.0388，同樣由于要求的尺寸偏差為±0.1，化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布計(jì)算>μ+0.1的概率，由(＋0.1－)/＝2.577查詢標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表知，>2.57＝0.9949＜>μ+0.1＜>2.18＝0.9951，其超差率為0.98%～1.02%，滿足了的裝配偏差設(shè)計(jì)要求。由此可以看出，公差修正的效果很明顯。此時(shí)各個(gè)組成環(huán)對(duì)裝配結(jié)果的貢獻(xiàn)度如表3所示，可見通過各組成環(huán)對(duì)特征裝配精度的貢獻(xiàn)度影響分析可以有效地進(jìn)行特征的公差優(yōu)化，改善目標(biāo)裝配精度?；谀繕?biāo)的主要特征公差優(yōu)化可以經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行公差優(yōu)化再分配，提升產(chǎn)品合格率。

表3 優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件尺寸形位公差對(duì)FR尺寸偏差貢獻(xiàn)度影響情況

圖6 修正后的FR尺寸偏差裝配仿真結(jié)果

3 結(jié)論

形位公差影響機(jī)械產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，從而對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)械性能產(chǎn)生重要影響。要平衡產(chǎn)品精度、制造成本、產(chǎn)品性能之間的關(guān)系，不僅要進(jìn)行尺寸公差分析，更要進(jìn)行形位公差分析。通過形位公差分析，結(jié)合組成環(huán)對(duì)封閉環(huán)貢獻(xiàn)度可以高效低成本地提高產(chǎn)品合格率。

本文利用偏差分析軟件VisVSA對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了裝配偏差分析，設(shè)置了各個(gè)組成零部件的尺寸及形位公差，以功能要求尺寸為控制目標(biāo)，從而對(duì)壓縮比進(jìn)行控制，根據(jù)模擬仿真運(yùn)算的結(jié)果對(duì)目標(biāo)尺寸偏差貢獻(xiàn)度大的零部件公差進(jìn)行了優(yōu)化修正，并再次進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明公差修正后的零件完成的裝配，功能要求尺寸的超差率均能滿足小于2%的設(shè)定目標(biāo)，滿足了設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化了公差設(shè)計(jì)，提高了裝配合格率。

[1]趙君，馮玉昌，張秀宇. 轉(zhuǎn)動(dòng)副間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比影響的研究分析[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015（7）：33-36.

[2]陳華，唐廣輝，陳志強(qiáng)，等. 基于雅可比旋量統(tǒng)計(jì)法的發(fā)動(dòng)機(jī)三維公差分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（11）：95-100.

[3]張蕊. 淺析天然氣汽車存在的問題及改善對(duì)策[J]. 科技信息（學(xué)術(shù)研究），2008（3）：373-374.

[4]徐鵬杰，張鳳生，劉延杰，等. 基于參數(shù)化建模的懸臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械，2018，45（2）：49-53.

[5]Lin Z C，Chang D Y. Cost-tolerance analysis model based on a neural networks method[J]. International Journal of Production Research，2010，40（40）：1429-1452.

[6]Chen M C. Tolerance synthesis by neural learning and nonlinear programming[J]. International Journal of Production Economics，2001，70（1）：55-65.

[7]Ji S，Li X，Ma Y，et al. Optimal Tolerance Allocation Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation and Genetic Algorithm[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2002， 16（7）：461-468.

[8]Yang C C，Naikan V N A. Optimum design of component tolerances of assemblies using constraint networks[J]. International Journal of Production Economics，2003，84（2）：149-163.

[9]于奎剛. 車身柔性薄板產(chǎn)品裝配建模及工藝穩(wěn)健設(shè)計(jì)研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2010.

[10]陳華. 基于雅克比旋量模型的三維公差分析方法研究及在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中的應(yīng)用[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2015.

Simulation Analysis of Assembling Deviation for Automobile Engine and Tolerance Correction

ZHANG Gaoming，TIAN Hongfeng

( Shanghai SmartState Technology Co., Ltd., Shanghai 201306, China)

The assembly quality of automobile engines has a very important influence on the fuel consumption rate, torque, power and other performance indicators of automobiles. Dimensional and geometrical tolerance of automobile engine parts are important elements in assembly deviation analysis. Using the three-dimensional tolerance analysis software VisVSA, a simulation analysis of assembling deviation for automobile engine is used to calculate the dimension of the closed ring with the tolerance set for the constituent ring. The simulation results show that the qualified rate of the distance FR from the top surface of the assembled cylinder to the piston does not meet the requirement of the original tolerance setting value of 2%. According to the result of simulation analysis, the tolerances of the components with greater contribution to the deviation are corrected. The corrected overshoot rate is significantly reduced, and the assembly qualification rate meets the set requirements

automobile engine；compression ratio；assembling deviation analysis；tolerance optimization；VisVSA

TH162

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.008

1006－0316 (2020) 11－0049－05

2020－01－08

國家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”（2019ZX04027001）

張高明（1981－），男，陜西咸陽人，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工作，E-mail：gaoming.zhang@sh-smartstate.com。