趙紅波，施金彪，李明杰，陳達人

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201206)

0 引言

發(fā)動機凸輪軸裝配干涉問題一直是企業(yè)的重點研究內(nèi)容，因為在發(fā)動機凸輪軸裝配過程中，凸輪軸和罩蓋以及瓦蓋之間的間隙控制非常重要，間隙過大或過小都可能會導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)故障。因此，企業(yè)會設(shè)立檢測工位對每臺發(fā)動機凸輪軸進行轉(zhuǎn)動扭矩的檢測，如果轉(zhuǎn)動扭矩過大，則可能是凸輪軸裝配過程中存在干涉。通過實際的測量發(fā)現(xiàn)，部分發(fā)動機出現(xiàn)了凸輪軸裝配干涉及卡滯現(xiàn)象。為此利用三維偏差分析軟件3DCS建立凸輪軸裝配偏差分析模型，通過蒙特卡洛模擬仿真，得出影響凸輪軸裝配干涉的貢獻因子，并依據(jù)探索出的優(yōu)化方法對偏差模型進行優(yōu)化，解決了發(fā)動機凸輪軸裝配干涉的卡滯問題。

1 建立凸輪軸偏差分析模型

1.1 創(chuàng)建凸輪軸偏差分析模型裝配流程

在創(chuàng)建凸輪軸偏差分析模型中，會依據(jù)凸輪軸實際的裝配工藝來完成偏差模型中對應(yīng)零件的裝配(如圖1所示)。油泵凸輪、排氣側(cè)第一缸、二缸、三缸、四缸凸輪與排氣側(cè)光軸采用兩點裝配(3DCS_Two_Point)。同理，進氣側(cè)一、二缸凸輪，進氣側(cè)三、四缸凸輪與進氣側(cè)光軸也采用兩點裝配，而進/排氣側(cè)瓦蓋與罩蓋采用“3-2-1”裝配(一面兩銷)進/排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋采用3DCS_Pattern_Rigid裝配，而圖2是3DCS偏差模型中對應(yīng)的裝配流程。

圖1 凸輪軸實際裝配流程

圖2 3DCS中凸輪軸裝配流程

1.2 添加凸輪軸偏差分析模型公差

依據(jù)零部件的GD&T圖紙，將對應(yīng)的公差輸入偏差分析模型中，零件GD&T公差如表1所示。

表1 發(fā)動機凸輪軸裝配零部件尺寸及形位公差(單位：mm)

1.3 創(chuàng)建測量

創(chuàng)建完成凸輪軸偏差分析的裝配(Move)、和零部件公差輸入(Tolerance)后，需要建立分析目標(biāo)，即創(chuàng)建測量(Measure)。圖3為凸輪軸偏差分析模型測量的創(chuàng)建過程。通過創(chuàng)建進/排氣側(cè)凸輪軸在裝配過程中失效的次數(shù)來表征實際裝配過程中凸輪軸的干涉或卡滯。

圖3 凸輪軸偏差分析模型測量

1.4 實際測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采集凸輪軸偏差分析模型中零件的實際測量數(shù)據(jù)后，首先需要對實際測量數(shù)據(jù)進行篩選，然后利用統(tǒng)計工具(SPSS(Statistical Product and Service Solutions))對實測數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析，最后將實際測量數(shù)據(jù)迭代回凸輪軸偏差分析模型，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)與凸輪軸偏差分析模型關(guān)聯(lián)的閉環(huán)分析。在此次閉環(huán)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)中使用3DCS_SMP的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)形式。在凸輪軸偏差分析模型中需要統(tǒng)計分析的公差為58個，圖4列舉了罩蓋小端尺寸公差的統(tǒng)計分析結(jié)果(統(tǒng)計分析結(jié)果不能——枚舉)。

圖4 罩蓋排氣側(cè)凸輪軸小端安裝點尺寸公差

從對實際測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可知，大部分零件公差的樣本數(shù)據(jù)近似服從正態(tài)分布，但某些零件的分析結(jié)果呈現(xiàn)雙峰分布或偏態(tài)分布，這些因素會對閉環(huán)偏差分析的結(jié)果帶來一定的誤差。

2 凸輪軸偏差分析模型仿真分析

2.1 凸輪軸偏差分析模型分析流程

創(chuàng)建完凸輪軸偏差分析模型后，利用3DCS的蒙特卡洛模擬獲得基于GD&T公差輸入的仿真結(jié)果，同時，將實際零件的測量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)凸輪軸偏差分析模型，進行實測驗證。根據(jù)模擬仿真的分析結(jié)果，對凸輪軸偏差模型進行優(yōu)化，圖5是凸輪軸偏差模型仿真分析流程。3DCS建模仿真的假設(shè)條件是：1. 模型中所有尺寸單位為mm；2. 統(tǒng)計分布結(jié)果基于2 000次迭代仿真計算；3. 根據(jù)產(chǎn)品特性，本次分析假設(shè)零件為剛體，不考慮零件變形；4. 設(shè)計公差值能夠合理地代表實際生產(chǎn)能力；5. 除非特別說明，所有零件工程圖紙上的公差值均呈現(xiàn)正態(tài)分布，其生產(chǎn)工藝能力指數(shù)CPK≥1.0；6.GD&T中有PQC(Product Quality Characteristic)要求的公差按±6Sigma輸入；7. 不考慮裝配力、熱膨脹、重力對偏差分析模型的影響。

圖5 3DCS凸輪軸偏差模型仿真分析流程

2.2 凸輪軸偏差分析模型分析結(jié)果

在發(fā)動機凸輪軸偏差分析模型中，進/排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋采取Pattern Rigid這種裝配方式。在每一次進/排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋的裝配中，凸輪軸會調(diào)整位置來滿足與孔的裝配，但由于零件公差的影響，并不是每一次都能進行裝配，不能裝配的則記為失效一次。因此在分析中，重點研究進/排氣側(cè)凸輪軸與孔裝配失效的次數(shù)以及采取相應(yīng)的優(yōu)化措施來減少凸輪軸與孔裝配失效的次數(shù)。圖6是3DCS中Pattern Rigid裝配示意圖。

圖6 Pattern Rigid裝配示意圖

根據(jù)分析結(jié)果顯示，進/排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋采用Pattern Rigid裝配后，排氣側(cè)凸輪軸基于GD&T公差輸入和實際測量數(shù)據(jù)迭代模型裝配失效的次數(shù)為240和173次，失效率為12.05%和8.75%，實際測量數(shù)據(jù)迭代回偏差模型的分析結(jié)果優(yōu)于公差GD&T輸入的分析結(jié)果；進氣側(cè)凸輪軸基于GD&T公差輸入和實際測量數(shù)據(jù)迭代模型的失效率分別是0.05%，0.1%，滿足設(shè)計要求，兩種模式下凸輪軸裝配失效的分析結(jié)果對比如表2和圖7所示。

表2 GD&T輸入、測量數(shù)據(jù)迭代回偏差分析模型，進/排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋及瓦蓋裝配失效分析

3 凸輪軸偏差分析模型優(yōu)化

由上可知，排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋裝配失效率較高(12.05%)，根據(jù)3DCS 的敏感度分析結(jié)果顯示：產(chǎn)生干涉的主要貢獻因子為進/排氣側(cè)的凸輪軸與罩蓋裝配時的孔銷浮動，以及3 個瓦蓋和罩蓋裝配的孔銷浮動，如表3和表4所示。結(jié)合導(dǎo)致裝配失效的貢獻因子和實際的加工裝配工藝進行探究后，對凸輪軸偏差分析模型進行了優(yōu)化。本文提出的優(yōu)化方案有二：其一，增加排氣側(cè)瓦蓋和罩蓋形成的孔徑值；其二，提高排氣側(cè)瓦蓋和罩蓋的裝配精度。

表3 排氣側(cè)凸輪與罩蓋和瓦蓋干涉分析列表

表4 進氣側(cè)凸輪與罩蓋和瓦蓋干涉分析列表

針對增加排氣側(cè)瓦蓋和罩蓋形成的孔徑值的具體過程是：將排氣側(cè)瓦蓋和罩蓋形成的孔徑分別增加0.02(孔徑?27.562改為?27.582)和0.03(孔徑?27.562改為?27.592)后，獲得偏差分析結(jié)果，如表5和圖8所示。而對于提高瓦蓋和罩蓋裝配精度的過程是：在偏差模型中取消瓦蓋和罩蓋裝配的孔銷浮動，即在零件的實際制造過程中，提高零件的加工裝配精度。分析結(jié)果如表6和圖9所示。

圖8 增加孔徑值排氣側(cè)裝配失效對比

表5 排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋裝配失效結(jié)果對比(優(yōu)化方案一)

表6 排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋裝配失效結(jié)果對比(優(yōu)化方案二)

圖9 提高瓦蓋和罩蓋裝配精度排氣側(cè)裝配失效對比

4 結(jié)論

發(fā)動機凸輪軸裝配干涉問題是整車裝配中的難點和熱點，凸輪軸和罩蓋、瓦蓋之間間隙控制非常關(guān)鍵，間隙過大或過小均可能會導(dǎo)致發(fā)動機故障。本文對發(fā)動機凸輪軸裝配的研究難點、裝配順序以及工藝過程進行梳理，利用3DCS建立偏差分析模型，結(jié)合裝配失效的貢獻因子和實際加工以及裝配工藝探究得到兩個可行的優(yōu)化方法：

(1)增加排氣側(cè)瓦蓋和罩蓋形成的孔徑值，當(dāng)孔徑增加0.02 mm后，失效率為0.45%；增加0.03 mm后，失效率為0.05%。排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋裝配失效的失效率顯著降低。

(2)提高排氣側(cè)瓦蓋和罩蓋的裝配精度，此方案也有利于降低裝配失效次數(shù)，但失效率相較于方案一仍然較高，達到4.5%。

由此得出結(jié)論，減小排氣側(cè)凸輪軸與罩蓋和瓦蓋形成的孔徑間的孔銷浮動更有利于降低凸輪軸干涉；并依此對凸輪軸偏差分析模型進行優(yōu)化后，有效解決了發(fā)動機凸輪軸裝配異響卡滯的問題。