汽车前后门装配定位方案虚拟仿真分析

张少雄

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）

0 引言

汽车外观是吸引潜在顾客进行消费选择的重要因素，车身外观从视觉角度可以分成前端区域、侧围四门区域、尾部区域等。其中，侧围四门是消费者视觉接触最频繁的区域，所以四门与周边区域的间隙面差是整车DTS最重要组成部分。同时，四门与车身的装配精度也会影响整车风噪声、外观品质、四门开闭的舒适性和顺畅性等等，是衡量整车生产企业车身设计与制造水平的重要指标之一。四门精度控制包括侧围、铰链、车门总成的零部件精度和配合，需要充分运用尺寸链分析方法进行装配定位分析，不断进行优化，得到符合现有生产工艺水平的、能够提高匹配精度的最优装配定位方案。

1 前后门的构成

普通轿车的前后门总成通过门铰链与侧围进行连接，门铰链普遍采用铸造铰链，包括固定部分（即铰链座，固定在侧围上）、活动部分（安装在车门上）和中心轴［1］；用该车门铰链时，一般采用与车门和侧围采用螺栓连接方式［2］。

2 前后门装配流程图

目前主流车企四门车门的装配均采用从后往前的方式，其装配顺序为：后门—前门—翼子板［3］。而实现侧围、铰链、车门三者装配的定位方式一般有两种：

（1）铰链先通过侧围工装装配到侧围，然后车门直接通过定位销或定心螺栓与铰链进行自定位装配［4］，如图1所示；

（2）铰链先通过工装或自定位装配到车门，然后通过门工装将带铰链的门总成装配到车身上［5］，如图2所示。

图1 方案一前后门装配定位方案

图2 方案二前后门装配定位方案

这两种装配定位方式对于以四门区域内外间隙为闭环的装配尺寸链是不一样的，故而需要进行尺寸链分析对比，实现装配最优化。

3 四门装配定位方案虚拟分析

为得到装配优化结果目标值，即四门装配后内外间隙值，传统方法主要是在生产中进行验证，该方法的风险主要是当无法满足精度目标时，需要在后期进行设计方案变更，从而导致项目成本和周期的巨大风险，所以在此之前可运用三维公差分析软件进行模拟生产统计学分析进行虚拟验证。

本文主要讨论通过三维公差分析软件将整车数模、GD&T文件、定位装配方案等相关信息建立起整车分析模型对四门区域的DTS在两种装配定位方案下进行虚拟计算。

3.1 模型基本假设

（1）模拟计算时以装配5 000辆车为计算基础，进行统计分析。

（2）所有零件公差只考虑6σ范围。即99.73%的值落在公差范围内，0.27%的值在公差范围外。

（3）所有几何特征的公差为对称正态分布。即公差分布位于公差带中心。

（4）对于非对称公差带，推荐公差分布位于公差带中心。

（5）不考虑手动调整。

（6）建模时所有的零部件假设都是刚体，不考虑焊接变形和回弹。

3.2 建模通用公差及输入各零部件详细GD&T信息

各平台车型需要根据项目定义进行通用公差的设计。

3.3 定义四门区域DTS分析目标

四门装配后主要关注在关闭或运动的过程中前门与后门、门与翼子板、门与侧围之间的关系是否满足要求，以及密封条的性能能否保证。本文以装配后的内外间隙值波动范围为对比的目标，对两套装配定位方案进行尺寸链分析。

运算前需要定义此次分析所需的目标区域。由于是要对比两个方案的优劣，故需要选取能反映前后门装配状态在X向、Y向、Z向变化的点。图3所示为某车型四门各DTS区域按编号01～08测量点进行模拟分析。

图3 某车型四门区域DTS分析目标编号

3.4 装配工艺规划输入

3.4.1 整车模型中零件、总成装配顺序

装配顺序参考CATIA 3D数模中的装配树。

3.4.2 四门工装的装配工艺输入

（1）方案一：使用侧围工装进行四门装配

先将铰链用工装安装到车身上，预紧铰链螺栓，定位方案如图4、5所示［6］；再将四门按照后门-前门的顺序用定心螺栓直接与铰链进行紧固。

图4 车门铰链在工装上的定位示意图

图5 车门铰链工装在白车身上的定位示意图

（2）方案二：使用侧围工装进行四门装配

先将铰链用工装安装到车门上，预紧铰链螺栓，定位方案如图6所示；再将四门按照后门-前门的顺序用门工装装配到车身上。

图6 铰链在车门工装定位示意图

门工装主要有内置式和外置式两种。本文主要分析采用内置式门工装的方式：其定位方案如图7所示，前车门的定位策略与后车门一致。

图7 内置式门工装示意图

3.5 虚拟验证结果分析

对定义好的两套装配定位方案的模型分别进行虚拟验证，进行统计分析得到表1所示的分析结果。

表1 四门区域DTS两套装配方案结果

对超差部分进行统计分析。按照X向、Y向、Z向等分别做出对比图。以分析两套工装方案对3个整车方向形成的间隙面差的不同影响。

（1）X向位置尺寸偏差分析

通过对01（前门与翼子板）、03（前门与后门）、05（后门与侧围）、07（前门框与后门框）点的GAP分析结果进行对比可得出两套方案的X向偏差分析，如图8～16所示。

图8 01测点区域6σ X向偏差对比图

图9 05测点区域6σ X向偏差对比图

图10 03、07测点区域6σ X向偏差对比图

通过图8～10可以看出，前后门区域3处缝隙的偏差趋势是一致的，现对05测点重要影响因子（组成环公差）进行详细的分析，其中方案一的公差影响主要来源如图11所示，方案二的公差影响主要来源如图12所示。

图11 方案一05测点X向间隙公差影响因子

图12 方案二05测点X向间隙公差影响因子

由图可知后面与侧围间隙DTS的偏差，在运用方案一侧围工装主要影响因子有：铰链工装定位孔（侧围处）位置度和侧围间隙面轮廓度、后门外板间隙面轮廓度等；而在运用方案二门工装的主要影响因子为：门工装定位面轮廓度。方案二由于工装定位面采用侧围拉沿面（面轮廓度1.0），精度比方案一采用的定位孔（位置度0.5）要差，且方案二的工装定位面对X向缝隙灵敏度达到4.5，是造成X向间隙DTS波动最大的贡献因子。

（2）Y向位置尺寸偏差分析

通过对01（前门与翼子板）、03（前门与后门）、05（后门与侧围）、07（前门框与后门框）点的FLUSH分析结果进行对比可得出两套方案的Y向偏差分析，如图13～15所示。

图13 01测点区域6σ Y向偏差对比图

图14 05测点区域6σ Y向偏差对比图

图15 03、07测点区域6σ Y向偏差对比图

由图可以看出，前后门区域3处缝隙的偏差趋势是一致的，现对05测点重要影响因子（组成环公差）进行详细的分析，其中方案一的公差影响主要来源如图16所示，方案二的公差影响主要来源如图17所示。

图16 方案一05测点Y向间隙公差影响因子

图17 方案二05测点Y向间隙公差影响因子

由图可知后门与侧围面差DTS的偏差，在运用方案一侧围工装主要影响因子有：后门内板包边面轮廓度、后门外板面差面轮廓度、铰链工装定位面轮廓度等；而在运用方案二门工装的主要影响因子为：门工装定位面轮廓度、后门内板包边面轮廓度。

方案二工装定位面采用侧围拉沿面（面轮廓度1.0），其对Y向缝隙灵敏度达到2.2，是造成Y向间隙DTS波动最大的贡献因子，后门内板包边面轮廓度影响次之。而方案一最大的贡献因子仅仅为后门内板包边面轮廓度，且其工装定位面的精度更高（面轮廓度0.5）且对Y向缝隙灵敏度仅为1.2～1.4。

（3）Z向位置尺寸偏差分析

通过对02（前门与门槛）、04（后门与门槛）、06（后门框与侧围）、08（前门框与侧围）点的GAP分析结果进行对比可得出两套方案的Z向偏差分析，如图18～21所示。

图18 02测点区域6σ Z向偏差对比图

图19 08测点区域6σ Z向偏差对比图

图20 04测点区域6σ Z向偏差对比图

图21 06测点区域6σ Z向偏差对比图

由图可以看出，前后门区域3处缝隙的偏差趋势是一致的，现对04测点（后门与门槛）重要影响因子（组成环公差）进行详细分析，其中方案一的公差影响主要来源如图22所示，方案二的公差影响主要来源如图23所示。

图22 方案一04测点Z向间隙公差影响因子

图23 方案二04测点Z向间隙公差影响因子

由图可知后门与侧围门槛间隙DTS的偏差，在运用方案一侧围工装主要影响因子有：后铰链工装定位孔（侧围处）位置度、侧围间隙面轮廓度、后门外板间隙边轮廓度；而在运用方案二门工装的主要影响因子为：门工装定位面轮廓度、后门内板包边面轮廓度。

方案二工装定位面采用侧围拉沿面（面轮廓度1.0），精度比方案一采用的定位孔（位置度0.5）要差，且其对Z向缝隙灵敏度达到2.2，是造成Z向间隙DTS波动最大的贡献因子。

3.6 模拟分析结果总结

3.6.1 采用门工装分析结果总结

（1）X向工装定位面对X向缝隙灵敏度为4.5，即当侧围拉沿面（面轮廓度1.0），有效公差达到4.5，直接影响四门区域的间隙面差DTS偏差。

（2）Y向工装定位面对Y向缝隙灵敏度为2.2，即当侧围拉沿面（面轮廓度1.0），有效公差达到2.2，直接影响四门区域的间隙面差DTS偏差。

（3）Y向工装定位面对Z向缝隙灵敏度为2.2，即当侧围拉沿面（面轮廓度1.0），有效公差达到2.2，直接影响四门区域的间隙面差DTS偏差。

3.6.2 采用侧围工装分析结果总结

（1）前后门上下铰链同时通过工装定位装配到侧围上，再通过定心螺栓装配四门。

（2）X向受工装定位孔（侧围处）位置度影响最大，定位孔精度较高（位置度0.5），有效公差也仅为1.2，相比上述门工装方案对四门区域的间隙面差DTS偏差影响更小。

（3）Y向由于采用铰链定心螺栓，最大的贡献因子为后门内板包边面轮廓度，工装定位面面轮廓度次之，精度更高（面轮廓度0.5），且对Y向缝隙灵敏度仅为1.2～1.4，相比上述门工装方案对四门区域的间隙面差DTS偏差影响更小。

（4） Z向受定位铰链工装定位孔（侧围处）位置度影响最大，定位孔精度较高（位置度0.5），有效公差也仅为1.1，相比上述门工装方案对四门区域的间隙面差DTS偏差影响更小。

4 结束语

四门装配质量由于车门安装过程涉及工位多、零部件类型繁杂，其装配质量的有效控制一直是个难点。为提高乘用车车门装配质量，需要在对体现制造精度控制的车门、白车身、铰链GD&T文件和四门装配定位方式通过三维尺寸分析软件将整车数模、GD&T文件等相关信息建立起整车分析模型后，虚拟计算得到四门内外间隙分析结果，并进行对比得到如下设计总结。

（1）采用车门内工装时，定位均采用侧围门洞拉沿面，一般X向存在1～2个定位面、Y向3～4个定位面、Z向1～2个定位面［7］。

（2）采用车门内工装时，定位面直接影响四门区域X向、Y向、Z向的间隙面差。

（3）采用侧围工装时，前后门上下铰链同时通过工装定位装配到侧围上，再通过定心螺栓装配四门。

（4）采用侧围工装时，铰链工装定位孔（侧围处）位置度直接影响四门区域X向/Z向的间隙面差；后门内板包边面轮廓度直接影响四门区域Y向的间隙面差［8］。

（5）不同的装配定位方案，造成偏差的影响贡献因子和灵敏度都是不同，无论采用哪种方案，都需要对各个方案的定位孔位置、定位面分布进行详细的分析，降低公差较大的影响因子对DTS偏差的灵敏度。