李曉 龔遠(yuǎn)平 董端陽 蘇立雙 曾昭國

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，佛山 528225）

1 前言

汽車產(chǎn)品質(zhì)量控制涉及到復(fù)雜的尺寸工程技術(shù)課題，對尺寸的精度要求很高。隨著汽車產(chǎn)銷量的快速增長以及市場競爭的不斷加劇，各大汽車廠商之間在提質(zhì)增效降本方面的競爭會越來越激烈。汽車尺寸工程技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計、制造、裝配和過程質(zhì)量控制各個方面，在提升汽車產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)成本方面發(fā)揮著重要作用[1]。

車門分體式鉸鏈同軸度問題作為汽車生產(chǎn)制造過程中的一個重難點問題，對整車匹配質(zhì)量和生產(chǎn)效率有極大的影響，急需找出影響鉸鏈同軸度的關(guān)鍵因素進(jìn)行優(yōu)化控制?；诿商乜_方法、3DCS、VisVSA 的尺寸公差分析方法[2-4]被廣泛應(yīng)用于尺寸工程計算分析中，極大地提升了理論分析的準(zhǔn)確性。通過理論建模和匹配公差分析可以指導(dǎo)零部件和工裝夾具設(shè)備的不斷優(yōu)化改進(jìn)，從而達(dá)到提升整車匹配質(zhì)量，降低返修工時，提高整車生產(chǎn)效率的目的，為企業(yè)在提質(zhì)增效降本的市場競爭中做出巨大貢獻(xiàn)。

2 問題現(xiàn)狀介紹

2.1 分體式鉸鏈結(jié)構(gòu)介紹

車門分體式鉸鏈?zhǔn)侵高B接車門和車身的鉸鏈?zhǔn)怯煽刹鹦斗珠_的2 部分鉸鏈組成，通孔一側(cè)的鉸鏈安裝在車身上，轉(zhuǎn)軸一側(cè)的鉸鏈安裝在車門上，裝配結(jié)合時只需將鉸鏈轉(zhuǎn)軸插入鉸鏈通孔再擰緊固定頂絲就可以了。每個車門都有上下兩對分體式鉸鏈，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分體式鉸鏈結(jié)構(gòu)

目前大多數(shù)車輛采用分體式車門鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式有利于整車生產(chǎn)工藝布局。鉸鏈可以先在車身和車門側(cè)單獨安裝好，白車身裝配時只需把車門掛入就可以了，也方便在總裝把車門拆卸下來單獨完成車門分裝的生產(chǎn)工藝。在相應(yīng)的工裝夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計和人員操作上簡單方便，便于實現(xiàn)自動化。

2.2 分體式鉸鏈產(chǎn)生的問題

車門分體式鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式雖然有很多使用優(yōu)點，但這種結(jié)構(gòu)形式對鉸鏈的尺寸和裝配位置精度要求很高。分體式鉸鏈的孔軸采用間隙配合，配合間隙一般在0.1 mm 左右，例如某一鉸鏈的孔和軸的直徑及公差分別為和，配合間隙在0.060～0.134 mm 之間。非常小的配合間隙使得車門分體式鉸鏈在結(jié)合到一起時經(jīng)常出現(xiàn)插入不到位、鉸鏈落不下去的問題，如圖2 所示。

圖2 鉸鏈同軸度問題導(dǎo)致安裝不到位

鉸鏈沒有插入到位，本質(zhì)上是車門側(cè)鉸鏈和車身側(cè)鉸鏈不同軸。這種問題會影響到車門的正常開關(guān)，輕微的情況導(dǎo)致關(guān)閉滯澀，嚴(yán)重的導(dǎo)致車門無法關(guān)閉，需要操作人員在線調(diào)整返修，影響生產(chǎn)節(jié)拍。

如何提升車門裝配插入的合格率，需要在尺寸工程和公差分析以及優(yōu)化控制方面做深入研究工作。

3 理論建模分析

3.1 數(shù)學(xué)建模

將車門分體式鉸鏈進(jìn)行等效簡化，車門側(cè)鉸鏈軸等效為直徑為d的圓柱軸，車身側(cè)鉸鏈孔等效為直徑為D的圓柱孔，如圖3 所示[5-6]。

圖3 分體式鉸鏈數(shù)學(xué)建模

以車門側(cè)鉸鏈為例，A1,B1,A2,B2分別為上下鉸鏈軸的上下端面圓心，O1,O2分別為上下鉸鏈軸的中心，理論設(shè)計上它們在一條直線上，假設(shè)A1在整車系下的坐標(biāo)為(x,y,z)，則上下鉸鏈各點的坐標(biāo)可表示為圖3 所示。

不考慮鉸鏈本身的制造誤差波動，各個鉸鏈在安裝的過程中其空間位置會受鉸鏈裝具和車身車門尺寸偏差的影響發(fā)生各種波動，導(dǎo)致鉸鏈安裝在車門和車身上的位置會存在偏差。根據(jù)鉸鏈的裝配關(guān)系，對影響鉸鏈裝配的各個變量進(jìn)行定義，以車門側(cè)鉸鏈為例，定義下鉸鏈中心O1的波動量為x1,y1,z1，圓心B1相對O1發(fā)生偏轉(zhuǎn)的波動量為x2,y2,z2，圓心A1相對O1發(fā)生偏轉(zhuǎn)的波動量為-x2,-y2,-z2，上鉸鏈中心O2相對O1的z向波動量z31。同理對車身側(cè)各個鉸鏈進(jìn)行變量定義，則分體式鉸鏈各點的空間坐標(biāo)如圖4、圖5 所示。

圖4 車門側(cè)鉸鏈空間坐標(biāo)

圖5 車身側(cè)鉸鏈空間坐標(biāo)

3.2 同軸度誤差

當(dāng)各個分體式鉸鏈在空間位置上分別產(chǎn)生某一尺寸波動時，其上下鉸鏈之間會產(chǎn)生某一空間位置關(guān)系，如圖6 所示。

式中，(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)分別是空間內(nèi)任意2 個點的三坐標(biāo)，a 為空間兩點的長度。

采用海倫公式（2）（3）計算三角形的面積。

式中，a,b,c分別是三角形的三條邊長，p為三角形周長的一半，S為三角形的面積。

采用三角形面積計算公式（4），可以推導(dǎo)出圖6 所示a1,a2,a3,a4公式如下。

圖6 分體式鉸鏈軸和鉸鏈孔的同軸度誤差

以圖6 左側(cè)車門側(cè)上下鉸鏈為例，軸線段A1O1B1和A2O2B2偏離了設(shè)計位置不在同一條直線上，即為不同軸。利用最小包容區(qū)域法[7]，最小包容圓柱體截面圓的直徑即為同軸度誤差[8]。畫一個能夠包容軸線段A1O1B1和A2O2B2的最小圓柱體，則它是一個以O(shè)1O2為基準(zhǔn)軸線的圓柱體，該圓柱體的截面圓直徑即為軸線段A1O1B1和A2O2B2的同軸度誤差。同樣的，畫一個能夠包容上下鉸鏈圓柱的最小圓柱體，則它是一個以O(shè)1O2為基準(zhǔn)軸線的圓柱體，該圓柱體的截面圓直徑即為車門側(cè)上下鉸鏈的同軸度誤差。相對于車門側(cè)鉸鏈軸的最小包容區(qū)域法，針對車身側(cè)鉸鏈孔而言，需要畫一個能夠通過車身側(cè)上下鉸鏈孔的最大圓柱體，則它是一個以O(shè)3O4為基準(zhǔn)軸線的圓柱體，該圓柱體的截面圓直徑即為車身側(cè)上下鉸鏈孔的同軸度誤差。

采用兩點間的計算公式（1）分別計算?O1O2B1、?O1O2B2、?O3O4B3、?O3O4B4的各條邊長。

式中，m,n分別代表三角形的底和高。

利用三角函數(shù)關(guān)系可以推導(dǎo)出圖6 所示b1,b2,b3,b4如下。

車門側(cè)上下鉸鏈同軸度誤差如下。

車身側(cè)上下鉸鏈同軸度誤差如下。

車門側(cè)鉸鏈軸最小包容圓柱體要想順利插入車身側(cè)鉸鏈孔最大包容圓柱通孔內(nèi)，需滿足公式（15），同時分體式鉸鏈裝配還要求鉸鏈插入后上鉸鏈之間沒有縫隙，下鉸鏈之間縫隙控制在0.5mm以內(nèi)，即需滿足公式（16）。

3.3 公差分析

通過理論建模分析和同軸度誤差公式推導(dǎo)，在同時滿足公式（15）和（16）的情況下，鉸鏈裝配才算合格。提取出影響車門分體式鉸鏈裝配結(jié)果的獨立變量，如下表1 所示。

表1 分體式鉸鏈獨立變量表

表1 共有18 個獨立變量會影響到車門分體式鉸鏈的裝配結(jié)果。它們可分為三類，分別為鉸鏈中心的位置變量、鉸鏈上下端面圓心的偏轉(zhuǎn)變量和上下鉸鏈的z 向距離變量。針對這些獨立變量需要找出一個準(zhǔn)確合理的控制公差來滿足鉸鏈裝配合格率的要求。

下面以某一車型的車門分體式鉸鏈為例進(jìn)行公差計算分析，鉸鏈的基礎(chǔ)參數(shù)如下表2 所示。

表2 分體式鉸鏈基礎(chǔ)參數(shù)表 mm

根據(jù)概率統(tǒng)計理論，假定影響鉸鏈裝配合格率的這些變量滿足6σ正態(tài)分布，以鉸鏈裝配合格率95%為目標(biāo)，利用蒙特卡羅方法進(jìn)行30000 次公差計算統(tǒng)計分析，得出各變量的控制公差范圍如表3 所示。

表3 分體式鉸鏈參數(shù)公差控制表 mm

通過蒙特卡羅方法公差分析，可以發(fā)現(xiàn)對鉸鏈裝配合格率影響最關(guān)鍵的變量是鉸鏈本身的偏轉(zhuǎn)量，即單個鉸鏈的上下端面圓心（圖4、5）在x,y方向上的相對偏轉(zhuǎn)量要控制在±0.15 mm，z向距離變量對鉸鏈間縫隙影響最大，單個鉸鏈中心在x,y,z方向上的波動對裝配合格率結(jié)果影響較小。如果要繼續(xù)提升鉸鏈裝配合格率到99%以上，則只需要進(jìn)一步減少單個鉸鏈的偏轉(zhuǎn)量公差，通過公差計算分析得出參數(shù)公差如表4 所示。單個鉸鏈的上下端面圓心在x,y方向上的相對偏轉(zhuǎn)量要控制在±0.12 mm，而單個鉸鏈中心在x,y,z方向上的公差可以放大到±0.9 mm。

表4 分體式鉸鏈參數(shù)控制表 mm

綜上所述，控制分體式鉸鏈裝配合格率的關(guān)鍵在于控制單個鉸鏈的上下端面圓心在x,y方向上的相對偏轉(zhuǎn)量公差和上下鉸鏈中心的z向距離公差。

4 優(yōu)化控制方法

4.1 變量影響因素識別

以某一對鉸鏈為例如下圖7 所示，對表1 中的各個變量參數(shù)具體是受零件尺寸影響還是鉸鏈裝具設(shè)備影響進(jìn)行識別區(qū)分，區(qū)分結(jié)果如下表5 所示。

表5 分體式鉸鏈參數(shù)影響因素識別表

圖7 鉸鏈裝配

4.2 關(guān)鍵影響因素控制方法

通過圖7 和表3～5 的對比分析，影響鉸鏈裝配合格率的關(guān)鍵參數(shù)主要受車身和車門鉸鏈裝具、車身鉸鏈安裝面y向型面上下楔形量和車門鉸鏈安裝面x向型面上下楔形量的影響。

針對車身和車門的尺寸偏差問題，主要控制鉸鏈安裝面的平面楔形量，可以對鈑金件型面提出0.2 mm 的楔形量目標(biāo)進(jìn)行尺寸優(yōu)化控制，同時注意要消除內(nèi)外多層板之間的間隙，防止鉸鏈螺栓擰緊時產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

針對鉸鏈裝具的優(yōu)化改進(jìn)，主要從控制鉸鏈的偏轉(zhuǎn)方面入手。如圖8 車門側(cè)鉸鏈裝具夾緊定位結(jié)構(gòu)，鉸鏈定位軸套孔徑比鉸鏈軸徑大1.2 mm，z 向接觸面位置定位軸套的倒角偏大，鉸鏈頂部的壓緊塊是翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由于鉸鏈的波動會導(dǎo)致在壓緊時鉸鏈端面并不能與軸套完全貼合，發(fā)生翻轉(zhuǎn)造成同軸度誤差增大。通過重新設(shè)計定位軸套倒角和內(nèi)徑，改進(jìn)壓緊塊翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)從而解決了鉸鏈定位不穩(wěn)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)的問題。

圖8 車門鉸鏈裝具結(jié)構(gòu)

4.3 日常監(jiān)控

鉸鏈裝具以及鉸鏈在車門和車身端安裝后的同軸度需要定期監(jiān)控。采用同軸度檢具對裝配結(jié)果以及裝具本身進(jìn)行抽檢，如圖9 所示，及時發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)，確保鉸鏈裝具以及鉸鏈安裝后的結(jié)果得到穩(wěn)定控制。

圖9 同軸度檢具應(yīng)用

通過對車身車門尺寸和鉸鏈裝具的改進(jìn)以及日常監(jiān)控，鉸鏈裝配合格率長期穩(wěn)定在98%以上，取得了良好的控制效果。

5 結(jié)束語

本文針對車門分體式鉸鏈在裝配結(jié)合過程中存在的鉸鏈漏縫落不到位的生產(chǎn)質(zhì)量問題，對分體式鉸鏈進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，研究分析了上下鉸鏈的同軸度誤差與鉸鏈的結(jié)構(gòu)參數(shù)和空間位置變量之間的相互關(guān)系。通過利用蒙特卡羅方法進(jìn)行公差計算分析，提出了影響分體式鉸鏈裝配合格率的關(guān)鍵參數(shù)，并針對關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化提升提出了具體的夾具和零件的優(yōu)化控制方法。本文對車門分體式鉸鏈同軸度誤差的推導(dǎo)分析和公差分析結(jié)果能夠有效地應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，解決了汽車裝配過程中的一項重難點質(zhì)量問題，具有重要的指導(dǎo)意義和推廣應(yīng)用價值。