容差设计在汽车开发中的应用
总结出能够实现从设计上容纳各类制造导致的误差的有效设计方案，并将这些设计方案做了简单的归纳汇总，按产品设计的不同阶段将容差设计分为3种类型。文章将对这3种类型的容差设计通过举例的方式做一个简单介绍。
【关键词】设计；造型；尺寸；基准；容差
【中图分类号】U463.82 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）06-0111-03
0 引言
汽车车身是由薄板冲压件焊接而成的空间壳体，为了造型美观，并使壳体具有一定的刚性，组成车身的零件通常是经过拉延成型的空间曲面体，结构形状较为复杂。随着现代汽车技术的发展和消费者对汽车品质和外观的要求越来越高，车身结构设计也越来越复杂。经过成型的薄板冲压件有一定的刚性，但与机械加工件相比，刚性要差得多，而且单个大型冲压件容易变形，如侧围外板、五门一盖的外板等，都是容易变形的零件，因此完成汽车产品的设计并不意味着一款车型的成功，必须能够将产品制造出来且达到设计的状态，这才意味着一款车型的成功。这就要求汽车设计不管是从造型、结构，还是定位等各方面都应使汽车车身具有良好的制造工艺性。本文从以下几个方面来研究设计容差的应用。
1 造型容差
对一般车型而言，整车外饰、门盖的匹配都分为2个部分，前脸和翼子板、前门、后侧门是一个部分，尾门和尾灯、后保险杠是另外一个部分。由于后侧门与侧围后部配合区域是一个封闭的尺寸，无偏差释放点，所以一般整车厂家对前脸及前、后侧门区域的安装都会以后侧门为起点，而把误差都累积到前脸区域，即发动机罩与前灯、前格栅区域，因此前脸区域的匹配是每款车匹配工序的难点。而一款车是否好看，前脸起很重要的作用，这个区域是一个重点匹配区。如何处理好重点匹配区，我们可以要求造型把发动机罩与前灯、前格栅匹配区域设计为帽檐式风格，即发动机罩直接往前延伸盖住前格栅及前大灯的顶部，形成U/D方向的间隙，同时避免了对段差的控制要求。发动机罩的U/D方向是可以通过缓冲胶塞实现调整，而前后方向则由于受到后侧门、前门、翼子板的限制，无法随意调整，通过这样的帽檐式设计，解决了发动机罩与前大灯、前格栅这个区域的疑难匹配问题。可容纳累积误差的造型截面示例如图1所示。
通过造型对前脸匹配问题的改善，在整车其他区域的造型设计上也可以应用，如在造型设计中尽量减少需要对齐的特征数量，尽可能地减少需要匹配的尺寸要素，给安装、调整留有相对大的调整空间的方向，减少零部件周边有段差、间隙要求的配合设计等。例如，尾灯的位置整体保留在分缝线的一侧，这样就可以减少2个灯之间的匹配特征及另外一个灯与钣金的匹配问题；同样，在发盖与翼子板的配合上，发盖与翼子板的分型线设计得尽量简单，与X方向基本一致，在尺寸匹配做X方向调整时比较容易进行，也大大简化了翼子板的制造难度和调整难度；翼子板与A柱的分型线，造型设计上使侧围A柱与翼子板的分型线避免分得过高，这样分型线距离翼子板的安装点会比较近，对尺寸的控制比较有利；而对于前门及后侧门，由于安装工具的定位面通常会设计在底面和两侧，在门总成装配时侧围、门总成及安装工具的公差就会累积到上端，容易造成前后门上端与侧围的间隙问题，而造型在前后门上端与侧围区域增加门密封胶条翻边的长度，将胶条外露出来，即可以从视觉上弱化对间隙的匹配要求。同时，前门与翼子板、前门与后侧门、后侧门与侧围分缝线在XC-ZC面的投影应尽量简单，直线竖直，最有利于尺寸匹配，方便后期的制造调整。此外，由于门铰链的影响，前门及后侧门在车身Y方向上的尺寸非常敏感，即铰链面的一点点偏差，就会体现到整个门的Y向型面上，甚至被数倍放大，因此在前后侧门的设计上都会要求門的型面低于侧围及门槛的型面，这样就弱化了对前后门与侧围型面的段差要求，相当于给了门和门铰链一个累积误差的释放口，降低了门的调整难度。在内饰造型的设计上同样有类似的尺寸MR输入，如IP和前门内饰板之间不设计需要匹配在一起的特征线，在型面的圆弧过渡区域，分缝线尽量与XC-ZC面平行等，以降低整车内外饰匹配的难度。这些都是从造型上实现设计容差的一些表现。
2 尺寸容差
容差分配，根据车身装配的特点，期望满足完全互换的要求，综合考虑制造工艺性，即组成部件的零件结构及成型或焊装的复杂程度，从而确认每个零部件制造时允许偏差的过程。
产品工程师完成产品结构设计后，设计装配工艺方案，尺寸工程将在此基础上建立尺寸链，并进行尺寸链计算。对计算出的零部件容差值进行数据处理，根据当前的制造技术水平（如模具、夹具等）进行可行性分析，讨论后确认，在实践中遵循最小实体的原则，最后形成容差分配，并将此结果通过技术文件传递到制造、质量等区域，作为工装制造的依据，同时也作为零部件检验的依据。在容差计算过程中，根据结果的变化来分析优化产品结构和工艺方案。
但当容差分配通过计算及工艺优化后也无法完成合理分配时，则考虑通过更改产品尺寸、零件搭接匹配面方向、零件焊接方向及减少搭接型面等方法来满足匹配要求。
举例如下：某车型前轴焊合件通过孔A1、A2、A3、A4装配到白车身，前轴焊合件主定位孔A2孔径为12.5 mm，次定位孔A3孔径为14 mm，A1、A4孔均为13 mmx15 mm的Y向长圆孔，装配顺序为A2—A3—A1—A4，安装螺栓均为M12。在对4个安装孔进行尺寸容差计算分析时发现，在现有制造技术水平的基础上，容差无法完成分配，零件无法实现安装（如图2所示）。
仿真模拟装配分析结果如图3所示。
计算结果显示，零件安装不合格率高达51.8%，最大干涉量为2.010 8 mm。要想在保证零件功能孔位置精度的要求下实现安装，需要将A2、A4孔尺寸调整为孔径为15 mm的圆孔。调整后，再进行仿真模拟分析计算，结果如图4所示。
如图4所示，前轴安装不合格率降低至0.4%，满足项目尺寸匹配目标。
通过在新项目中创新性地使用尺寸容差设计分析方法，在工装未开始设计制造前，对影响整车装配质量和影响DTS的关键零件进行容差的分析，能及时检验产品机构和工艺方案是否能实现项目尺寸目标，并在产品设计初期及时做出调整，能有效避免很多尺寸匹配问题的发生，大大缩减后期整改成本和时间。
3 定位容差
众所周知，冲压薄板件由于薄板的回弹和冲压工艺的限制，零件的型面和孔位都很难达到一个较高的精度水平。但工装夹具不同，其刚性强且有机加工的精度保证，一般夹具都可以做到0.1 mm精度以内。因此，为了使低精度的冲压薄板件能焊接成达到精度要求的白车身，可以通过合理选择薄板零件的定位孔、定位面，以及提高工装夹具的精度来保证这些定位孔、定位面在整车上的绝对精度，从而焊接成能满足装配精度要求的白车身。
例如，拉伸的梁类零件，一般梁的底面是大平面，且成型稳定，是基准选取的首选。零件成型不稳定的是拉伸深度，即如图5所示的截面；此外，大梁的翻边面有回弹。梁类零件的焊接匹配面都在大梁翻边上，在无法完全消除大梁翻边回弹的情况下，以大梁底面做基准定位时，零件的制造误差会累计上回弹量，造成后续总成零件的偏差。
在SGMW某量产车型中，普遍采取了如图6所示的新的定位方案，即以大梁的翻边作为零件的定位基准，这样零件在焊接匹配中，有夹具基准的高精度保证，可以保证翻边面的绝对位置。此时，大梁的拉伸制造误差h就转移到了大梁底面，而大梁底面是非匹配，其绝对位置度可以降低要求。
新定位方案，将零件自身的制造误差仍保留在零件自身，并为继续传递累积到下道工序的总成零件，从而提高了总成零件的制造精度。
通过定位面的选择，消除薄板强度不足而引起的偏差。比如，地板类平板零件，其剛性很差，在设计结构上又无法做更多的改进。这类零件软，在运输转移和装配过程中都容易变形，为减少零件变形对后工序的影响，在基准选择上，SGMW某车型相比其他车型多增加了4个基准。通过高精度的夹具定位面精度，将变形的零件适当夹持回理论位置，最大限度地减少了零件自身偏差对白车身总成的影响。
应选择有装配功能的定位孔，优先保证这些孔的位置。将孔与零件型面之间的制造偏差转移到零件的型面上，通过型面与其他零件配合时的微量离空或干涉，消除零件自身的制造误差，避免误差累积到白车身总成上。这些微量的离空或干涉不会影响焊接，焊接时零件之间的轻微变形即消除掉了这些离空或干涉。而定位孔由高精度的夹具定位销所保证，确保了孔在白车身上的绝对位置，保证了车身的装配功能和装配效果。
通过合理地设计零件的定位孔和定位基准，利用高精度的位销和定位面的保证，可以在白车身的焊接匹配过程中，将单一零件的制造偏差消除或包容一部分，最大限度地避免误差的累积，从而制造出比较高精度的白车身。
4 结语
综上所述，合理的造型、尺寸、定位方案等的设计，能够从设计上确保合格的整车被制造出来。完成汽车产品的设计并不意味着成功，要能够将产品制造出来且达到设计的状态，这样才意味着一款车型的成功，这也就是所谓的设计面向制造。
参 考 文 献
[1]周江奇，陈关龙，来新民，等.车身设计尺寸质量评价的装配尺寸链自动生成[J].计算机辅助设计与图形学学报，2005（5）.
[2]曹俊，来新明.基于确定性定位分析的车身三维偏差模型及求解方法研究[D].上海：上海交通大学，2008.
[3]陈家瑞.汽车构造[M].第4版.北京：人民交通出版社，2002.
[责任编辑：陈泽琦]
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