发动机典型结构装配偏差模型建立与分析(VSA)

发动机典型结构装配偏差模型建立与分析(VSA)
引言：
机械产品装配是整个机械产品制造过程的最后阶段，装配质量的高低，直接影响到机械产品的工作性能、使用效果、可靠性和服役寿命。

刚性装配偏差模型将装配系统中所有零部件假设为刚体，忽略了其在装配过程中的变形。

装配分析主要分析的是零部件形封闭的过程，研究的内容是零部件的几何运动。

但实际装配系统中，零部件是会发生变形的，尤其在汽车车身、飞机等装配工艺中，存在大量的薄板装配过程，柔性零件装配成为一个形封闭与力封闭相耦合的过程。

VisVSA是一涉及偏差分析的大型商用软件，主要是基于图形特征建模和Monte Carlo仿真计算。

可以解决复杂空间三维尺寸链的偏差分析。

本文针对发动机典型结构装配进行装配偏差建模分析，以便进一步的公差分析和公差分配。

公差分析主要涉及超差率、敏感度、贡献度；公差分配主要考虑成本和性能。

偏差建模流程：
1、确定零件相对位置关系
发动机典型结构的装配主要涉及的零件有缸体，曲轴，活塞，连杆，活塞销，轴瓦，止推瓦，连杆衬套。

装配前，零件相对位置关系没有确定，如图1，在VSA软件中，装配命令无法移动零件。

为了操作方便，首先将一系列零件导入到UG中，根据零件间的相对位置关系和约束关系建立装配好的装配体，如图2，并另存为jt格式。

把装配好的装配体导入VSA中，建立特种，定义基准和偏差。

图1 发动机典型结构零件图2装配好装配体
2、建立特征，定义基准和公差
针对每一个零件，根据零件压缩比相关GD&T，建立特征和基准以及公差。

由于零件中有圆度和圆柱度要求，VSA中不能定义圆度，所以统一用圆柱度代替；如果圆柱度和直线度大小相同时冲突，将直线度适量减小。

下面写出具体建立特征，定义基准和公差流程。

因为不同零件的过程类似，再次不再赘述。

建立特征流程：
①右击Process→添加→零件/装配体；
②右击零件→添加→特征，选择所需特征（轴）；
③在轴特征对话框中，输入参数（坐标、方向等），点击确定可建
立一轴特征；
④单击其中的命令按钮，选择零件对应的轴孔槽面，创建轴孔等特
征；
⑤创建特征后，会有特征显示（右图在曲轴上创建一各轴特征）
⑥输入框的后面有箭头，可单击选择特征
⑦方向栏最后一个图标按钮为方向取反
⑧公差库一般不使用
建立公差流程：
⑨由零件实体建立特征（以曲轴示例），建立主轴颈和连杆颈两个
轴特征；
⑩选中特征（主轴颈）→右键→属性；
⑪在“几何体”标签下，看各参数（直径、方向）是否准确；
⑫切换到“大小”标签下，给主轴颈设置直径公差；
⑬在“特征控制”标签下，添加几何公差；
⑭在“分布”标签下，设置公差的分布情况，一般是正态分布；
⑮在“注释”标签下，添加注释，在“首选项”标签下，设置特征的显示颜色。

建立基准流程：
①由零件实体建立特征（以曲轴示例），建立主轴颈和连杆颈两个
轴特征；
②选中零件名（Crankshaft）→右键→属性→创建/编辑基准，跳出
基准对话框；
③在“基准”标签下，选择主轴颈特征作为基准；
④曲轴的主轴颈与连杆颈的公差/基准标注如下图所示。

针对不同零件按照附录1中的零件公差设计要求，建立的特征和基准，公差情况具体如图2到图9所示。

图2 缸体
图3曲轴
图4连杆
图5活塞
图6活塞销图7轴瓦
图8止推瓦图9连杆衬套
3、定义装配关系
由于零件在导入VSA之前，在UG中已经确定相对位置关系，因而在添加待装配体的相关特征后，进行装配流程。

如果是轴孔装配，自动选择浮动类型。

装配完成后，验证装配过程是否正确，如果装配成功，则会显示successful，否则会显示failure。

具体的装配情况如图
在装配过程中，装配顺序为从上到下，如果有子装配，则先执行子装配命令；装配顺序对偏差分析的影响很大，力求与实际相符合；调整顺序方法：使用剪切→插入（选择之前或之后）。

图10 装配体
4、定义测量系统
本文要求测量活塞顶面到缸体顶面的距离。

在VSA中不能直接定义面到面的距离，本文采用点到面的方式，通过定义3个点到平面的距离求平均值近似代替，如图11，12。

具体流程如下：
①在Process中添加一个Measurement，弹出测量对话框；
②设置该对话框；
⏹测量类型有很多，比如点到面，缝隙/齐平等，按情况选择；
⏹特征选择与前述一致；
⏹测量方向的选择可以指定或者选择；
⏹给出指定界限，作为计算的控制界限。

③定制测量。

⏹函数运算。

图11 测量系统
图12 三点测量
5、仿真计算
测量过程定义好之后，设置样本为5000，点击仿真计算，采用MC和HLM
计算方法，观察计算结果。

具体结果如下：
图13 点1仿真计算结果
图14 点2仿真计算结果
图15 点3仿真计算结果3点平均的结果如图16，图17：
图16 3点平均仿真计算结果
图17 3点平均仿真HLM计算结果
结果分析:
从3点平均结果结果可以看出，装配结果良好，超差率很低，具体结果如下：☐均值：0.3988
☐方差：0.0341
☐超差率：0.3800%
☐CP：0.9704
☐CPK：0.9340
贡献度：
☐曲轴主轴颈尺寸及公差影响最大
☐气缸主轴孔最小
存在问题：
在建模过程中，存在一系列的问题如下：
1、止推面几何公差不知如何引入
2、同一零件如果圆度和圆柱度都有要求，两者值一样，选给定值；如果
不一样，选较小值，以便保证公差设计要求。

3、同一零件如果有直线度和圆柱度要求，如果两者值一样，将直线度值
相应减小，具体理论依据是什么不清楚；这样改动是否对装配偏差分
析结果有影响？
4、装配顺序按照自己假象的来，没能关注实际工厂中具体的装配顺序，
装配顺序不同对最后的仿真结果有影响，选择合理的装配顺序很重要。

附录1。