某长头重卡车型车门DTS的公差研究

郭琦，高峰，李龙，瞿军平

（陕西汽车集团有限责任公司技术中心，陕西 西安 710200）

引言

随着国内商用车市场增量日益凸显以及GB 1589-2016的实施，高端长头重卡车型受到了各大主流商用车制造厂商的青睐[1]。在轿车领域，外观DTS（间隙和面差）的高品质要求早已应用，对于长头重卡而言，外观DTS的高品质要求也已成为主流趋势。DTS的英文全称为Dimensional Tolerance Specification，指的是整车内外部尺寸公差规范，在白车身中主要指代间隙、面差等的设计值和公差值，白车身外观DTS定义的合理性直接决定了车型的制造水平和外观品质[2-3]。

根据以往新车型的开发设计经验，DTS公差定义值主要通过对标和经验来制定，对于长头重卡车型，国内可借鉴的车型少之又少，并且以往经验也是空白，所以借助其他手段预先分析DTS的合理性和准确性，显得尤为重要。三维公差分析软件能够很好地解决制造和装配中尺寸链问题，3DCS是市面上主流的三维公差分析软件，采用Monte Caelo仿真原理，其算法适用于非线性公差设计函数[4-5]，考虑到各子组链环尺寸的不同分布类型，采用统计抽样和随机模拟对子组链环进行抽样分析[6]，可对汽车初期设计阶段的DTS设计值及公差值进行有效分析，有助于制定最为合理的DTS值。

1 某长头重卡车型车门初版DTS制定及实车测量结果

在长头重卡车型开发的概念设计阶段，首先根据对标（国外车型）结果和初步的尺寸链分析制定初版车门－侧围DTS值。如图1所示，车门与侧围的DTS定义值有4处，分别为车门A柱区域、车门上段和车门后段（两处），每处对应的设计值和公差值详见表1。在车型开发的工程设计和试制验证阶段，根据项目进度进行性能样车和可靠性样车的装车验证，在此期间分别统计了5辆车的车门－侧围间隙和面差值，面差平均合格率为52.25%，间隙平均合格率为87.5%，从合格率统计结果可以看出间隙的整体合格率符合要求（≥80%），面差的整体合格率较低（＜80%），面差的合格率远低于业内试制的平均水平，从此可以引出两个问题，究竟是装配方式不合理导致面差合格率较低，还是DTS公差值设置不合理，下面借助3DCS软件并结合实际装车工艺方案进行深入的探究。

图1 车门－侧围DTS位置

表1 车门－侧围DTS定义值

2 车门装配方案尺寸分析

2.1 蒙特卡罗方法的基本思想及误差

蒙特卡罗方法所运用到的基础理论有：大数定律、中心极限定理以及F（X）～U（0，1）。求解的基本思路为：当所求问题的解是某个事件的概率，通过试验方法，得出该事件发生的频率，根据大数定律得到问题的解。为了获得具有一定精确度的近似解，需要大量的试验，人工完成试验的困难大且不实际，3DCS软件借由计算机可以完成巨大数目的随机试验，进而较好地解决三维尺寸公差问题。

2.2 基于间隙块的车门装配方案尺寸分析

基于间隙块的车门装配方案（方案一）为试制阶段的装配工艺，具体工艺内容为：（1）间隙块通过磁力吸附在侧围外板上，并与侧围外板贴紧；（2）人工抬举车门安装在侧围上，并与间隙块贴紧；（3）将铰链分别与车门和侧围安装面贴紧并打紧螺栓。此工艺方案对于DTS值的保障主要依靠间隙块的两侧贴合面精度（轮廓度为±0.1mm），对于冲压单件和焊接总成的面轮廓度公差为±0.5mm和±0.7mm，此公差水平属于行业主流偏上水平，所以在子系统的公差精度方面已经达到最优分配。

车门在侧围上的定位方案如图2所示，S1控制YZ方向的移动，S2-S3控制XY方向的移动，车门在侧围上的X、Y、Z方向的移动和绕X轴、Y轴、Z轴方向的转动总计6个自由度被限制住，符合3-2-1定位原则[7]。

借助3DCS软件对基于间隙块的车门装配方案进行尺寸分析，首先需要在软件中整理数据，确保结构树有序且合理，利用特征点和DCS点建立装配关系，根据GD&T图为每个功能点设置公差值，模拟装配过程并建立测量点[8]，确保各个测量点的位置和方向正确，以免影响分析结果。

3DCS软件分析运算完成后得到各处的间隙和面差的正态分布结果，仅有①处的面差值超差，从图3分析结果得到①处的面差超差：其中±3Ϭ值为±2.77mm（初版DTS定义公差值为±1.0mm），超差率为28.2%，根据行业经验，超差率≤5%判定为合格，5%＜超差率≤10%须根据具体情况由尺寸工程师判定是否合格，超差率＞10%判定为不合格，所以①处的面差不合格。

图3 基于方案一的车门-侧围①处面差分析结果

从图4敏感度列表得知，①处面差子系统的公差水平在±0.5mm～±0.7mm之间，此公差水平已经达到主流乘用车的公差设定标准[9]，对于长头重卡车型而言，此公差水平处于较高水平，依此可以判定此处的初版DTS公差定义值过于严格，实际装车水平无法满足，需修改此处的DTS公差定义值。

图4 基于方案一的车门-侧围①处面差敏感度分析结果

经过3DCS软件的分析可知，当①处的DTS公差定义值设定为±2.0mm时，分析结果如图5所示，超差率为2.75%，判定为合格，所以①处DTS公差值设定为±2.0mm时，基于间隙块的车门装配方案可以满足装配要求。

图5 基于方案一的车门-侧围①处面差二次分析结果

2.3 基于工装的车门装配方案尺寸分析

由于DTS的最终版制定须在产品设计验证阶段完成，此时无量产车型可供参考，主要借鉴试制样车的测量数据和3DCS软件的尺寸分析结果以及经验值来最终敲定DTS公差定义值。基于工装的车门装配方案（方案二）为量产阶段的装配工艺，具体工艺内容为：（1）内置工装安装在侧围门洞中，定位块贴紧并夹紧；（2）车门安装在内置工装上，定位面贴紧后夹紧车门；（3）将铰链分别与车门和侧围安装面贴紧并打紧螺栓。此工艺方案对于DTS值的保障主要依靠工装的定位精度和制造精度（定位孔和定位面精度为±0.1mm），对于冲压单件和焊接总成的公差精度保持不变。

车门内置工装在侧围上的定位如图6所示，S1-S2控制XY方向的移动，S3-S4控制Y方向的移动，S5-S6控制Z方向的移动，车门内置工装在侧围上的所有自由度都被限制，所有定位面和定位布局择优选择。

图6 车门内置工装在侧围上的定位点

车门在工装上的定位如图7所示，S1-S3控制Y方向的移动，S4-S5控制Z方向的移动，定位孔H控制XZ方向移动，车门在工装上的所有自由度都被限制，所有定位孔和定位面的选择相对合理且可靠[10]。

图7 车门在内置工装上的定位点

借助3DCS软件对基于工装的车门装配方案进行尺寸分析，所得结果与基于间隙块的车门装配方案类似，仅有①处的面差值超差，从图8可以看出，其±3Ϭ值为±2.03mm（初版DTS定义公差值为±1.0mm），超差率为14.7%，所以①处的面差不合格。

图8 基于方案二的车门-侧围①处面差分析结果

方案二中钣金件子系统的公差水平在±0.5mm～±0.7mm之间，工装的公差水平在±0.1mm，此公差水平已没有优化空间，依此可以判定①处面差的初版DTS公差定义值过于严格，实际批量装车水平无法满足，需修改此处的DTS公差定义值。经过3DCS软件的分析可知，当①处面差的DTS公差定义值设定为±1.5mm时，从图9可以看出基于间隙块的车门装配方案在①处的面差超差率为2.5%，可以满足批量装车要求。

图9 基于方案二的车门-侧围①处面差二次分析结果

4 结论

通过上述分析可以看出，装配工艺的不同会导致DTS公差定义值的不同结果，基于间隙块的车门装配方案中，①处面差的DTS公差定义值为±2.0mm可以满足装配要求，而基于工装的车门装配方案中，此处的DTS定义值为±1.5mm即可满足装配要求，所以方案一的装配精度差一些，由此可以得出①处实车测量数据合格率较低，与装配工艺有很大关系。另外，基于试制工艺方案和基于批产的工艺方案分析得出的①处面差公差值为±2.0mm和±1.5mm，相较于初版DTS定义值±1.0mm都偏大，说明初版的DTS定义值在此处的公差设置过于严格且不合理。由于试制装配工艺属于临时方案，只有在试制阶段以及（部分）小批量装车情况下采用，所以DTS 公差定义应参照批量生产工艺方案进行定义，故①处面差DTS公差定义值应设定为±1.5mm最为有效且合理。