尺寸工程在车身制造过程中的应用

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　　摘要 分析国内外尺寸工程的发展情况，利用尺寸链计算及公差分析软件对某车型开发过程中车身零部件尺寸链进行合理的设计与分析计算。计算结果表明：原设计存在较大偏差，不能满足精度要求，运用尺寸工程分析计算并优化后的参数则符合条件，可实现提高车身的结构和工艺设计质量的目标。
　　【关键词】车身；尺寸工程；制造精度
　　前言
　　白车身（车身本体）由梁、支柱及加强板等车身结构件和车身覆盖件组合而成，包括翼子板、车门、发动机罩和行李箱盖等部件，它是车身内外装件和电子电气附件的装载基体，是极其重要的总成[1]。白车身制造所涉及的学科领域众多，包括人机工程、造型设计、空气动力学和振动噪声等，研究难度很大。白车身制造成本占整车的40%～60%，通常由300～500多个具有复杂空间曲面的薄板冲压而成，经过近百个焊接工位在生产线上大批量、快节奏地焊装，其中装夹定位点有1700～2500个，焊点更是多达4000～5000个[2]。白车身复杂的曲面结构涉及到各种偏差，分为设计偏差、零部件制造偏差与装配过程偏差[3]，这些偏差会直接影响车身的质量，进而影响整车的外观、性能，甚至可能引发安全问题。因此，提高车身制造精度已成为汽车企业亟待解决的重要任务之一。
　　为了减少车身的制造偏差，需要提高冲压件的精度。但是冲压件的精度受到工艺能力限制，整车厂流水线成本动辄上百、上千万，如果短时间内为其更换高精机器将会给企业带来沉重的资金压力，必然导致每辆车的生产成本大幅度提高，消费者也未必愿意接受。
　　1尺寸工程
　　汽车领域的尺寸工程是一个包括产品外形设计、产品工装设计及零部件制造和装配全过程的系统概念。它可以解决很多实际问题，比如产品装配过程中经常遇到的装配干涉问题。每个零件的各个尺寸都可能存在制造误差（公差），这些误差在产品装配过程中会产生积累，直接导致装配干涉或装配困难。而尺寸工程在设计阶段就将制造误差考虑进去，可以避免这类问题的发生，并能提高生产制造阶段车身尺寸偏差监控效率和诊断能力。另外，利用尺寸工程对车身结构、工艺、制造和管理等各个步骤进行尺寸与公差系统优化，对缩短新产品开发周期、提高装配尺寸精度、降低开发成本、保证大批量制造质量的稳定和持续改进有很大的实际意义[4]。
　　近年来，我国很多汽车企业也开始重视尺寸工程研究，但现有尺寸工程团队只能同时支撑少数几个车型白车身的设计工作，在内外饰、底盘及电装领域，尺寸工程的能力都不足。而且，国内尺寸工程的主要工作集中在产品生产制造阶段，对研发阶段白车身零部件的精度设计与分析计算较少。
　　2尺寸工程流程
　　2.1尺寸工程流程介绍
　　首先对汽车覆盖件表面进行打磨，且在打磨过程使用细雾状水流对汽车覆盖件的打磨处进行清洗，得到表面光滑的汽车覆盖件。其中，对汽车覆盖件表面进行打磨时需要在密闭空间内进行，且在打磨之前，需将汽车覆盖件固定在内衬套上，保持汽车覆盖件表面在上，并且没有任何部分被遮挡，然后采用水枪冲洗汽车覆盖件表面，清除掉汽车覆盖件表面的灰尘，之后使用干燥的布将汽车覆盖件表面的水擦拭干净。
　　1）整车尺寸目标制定（DTS）侧重研究整车内外尺寸配合公差，负责关键间隙、面差以及通用公差、功能性要求等的制定，并根据工艺、制造能力制定目标公差。
　　2）定位基准及公差设计（geometry dimension and tolerance，GD&T）的目的是建立整车、零部件定位体系及形位公差。GD&T 图纸体现了公差设计部门对汽车零部件制造公差的要求，并指导与约束工装供应商对模、检、夹具的设计和制造，促使实物零部件尺寸精度达到设计要求。
　　3）通过公差仿真分析软件检查初步设计的模型，判断装配的误差，识别关键尺寸特征，从而减少零部件成本及缺陷。
　　4）一旦确定仿真模型，就可以试制样品进行实际检查，帮助主机厂监控尺寸波动情况，快速有效地进行尺寸的再次整改。
　　5）对零部件进行检测、过程能力统计评价、白车身焊接总成检测和整车内外观尺寸评价等。
　　2.2尺寸工程常用分析法
　　目前，尺寸工程中比较常用的技术有极值法和统计分析法：
　　2.2.1极值法
　　基本公式为：
　　式中： 为封闭环公差； 、 、 为组成环公差。
　　此方法简单高效，而且在装配技术低时也适用，但只用于封闭环精度低或组成环数目少的情况，否则会增加制造难度和生产成本。汽车制造中常常要求精度较高，所以极值法不适用于轿车公差分配。
　　2.2.1统计分析法
　　基本公式为：
　　式中： 为总公差； 、 为部件公差。
　　此方法以概率论为基础，计算科学，在组成环环数较多的大批量生产中优势明显。当达到一定环数时，每个组成环分配到的公差很小，甚至几乎能实现完全互换。不足之处是当组成环不是正态分布时准确度会下降，不过在实际生产中，绝大多数零部件符合正态分布。因此在轿车尺寸工程平面计算中普遍使用统计分析法。
　　2.3尺寸工程实际案例分析
　　分析组成环结构，发现前罩板配合处的面轮廓公差、前罩铰链总成的厚度公差和翼子板配合处的面轮廓公差都是难以避免的。由于翼子板装配支架面轮廓公差±1.0较大，下面着重考虑能否优化翼子板和前罩板的装配结构。结构简单会提升精度，但本算例中翼子板和前罩分别装在第3 个零件上，没有形成关联结构，所以造成尺寸链过長，这是偏差较大的主要原因。
　　图1 所示是最终优化方案：将翼子板安装点与前罩铰链采用关联结构，在前罩铰链增加翼子板安装面，控制灯具Z方向（沿车身垂直向上方向）。
　　优化后公差计算检验。在尺寸链计算及公差分析软件中输入各部分参数，选择统计分析法进行计算与仿真，并对结果进行保存。采用优化结构后，前罩相对于翼子板装配高差为±0.82，满足精度要求，更小的误差使得车更加美观，并且减小了风阻、振动，也改善了车身密封性和行驶平稳性等。
　　结语
　　应用尺寸工程技术控制白车身设计精度和制造装配质量，特别是将功能尺寸上溯到产品设计阶段，可以有效提高制造精度，缩短开发周期。通过对开发过程中白车身零部件尺寸链进行合理的计算分析，并优化结构和工艺装配，能保证在制造阶段达到预定的质量要求。所以，对汽车工程部门来说，将尺寸工程这一理念应用到车型研发及生产过程中具有实际的指导意义。
　　参考文献：
　　[1] 谷正气.汽车车身现代技术[M].北京：机械工业出版社，2009.
　　[2] 尹萍，刘海江.浅谈影响白车身生产过程的重要因素[J].机械研究与应用，2006（1）：13-14.
　　[3] 胡敏.轿车车身尺寸工程概述[J].上海汽车，2002（7）：15-18.
　　[4] 李良，王德伦.车身公差分配工程应用[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2008（11）：16-22.
　　（作者单位：国能新能源汽车有限责任公司）
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