尺寸工程在白車身制造過程中的應(yīng)用

楊思源，涂 雄，李 軍

(重慶交通大學(xué) a.交通運輸學(xué)院;b.機電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

白車身(車身本體)由梁、支柱及加強板等車身結(jié)構(gòu)件和車身覆蓋件組合而成，包括翼子板、車門、發(fā)動機罩和行李箱蓋等部件，它是車身內(nèi)外裝件和電子電氣附件的裝載基體，是極其重要的總成［1］。白車身制造所涉及的學(xué)科領(lǐng)域眾多，包括人機工程、造型設(shè)計、空氣動力學(xué)和振動噪聲等，研究難度很大。白車身制造成本占整車的40%～60%，通常由300～500多個具有復(fù)雜空間曲面的薄板沖壓而成，經(jīng)過近百個焊接工位在生產(chǎn)線上大批量、快節(jié)奏地焊裝，其中裝夾定位點有1700～2500個，焊點更是多達4000～5000個［2］。白車身復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)涉及到各種偏差，制造偏差魚刺圖如圖1所示，分為設(shè)計偏差、零部件制造偏差與裝配過程偏差［3］，這些偏差會直接影響車身的質(zhì)量，進而影響整車的外觀、性能，甚至可能引發(fā)安全問題。因此，提高車身制造精度已成為汽車企業(yè)亟待解決的重要任務(wù)之一。

圖1 制造偏差魚刺圖

為了減少車身的制造偏差，需要提高沖壓件的精度。但是沖壓件的精度受到工藝能力限制，整車廠流水線成本動輒上百、上千萬，如果短時間內(nèi)為其更換高精機器將會給企業(yè)帶來沉重的資金壓力，必然導(dǎo)致每輛車的生產(chǎn)成本大幅度提高，消費者也未必愿意接受。如何在預(yù)先給定的沖壓件公差條件下，充分利用有效手段盡可能保證尺寸穩(wěn)定性成為技術(shù)人員面臨的難題。本文在介紹尺寸工程的同時，通過尺寸鏈計算及公差分析軟件對實際零部件進行公差設(shè)計分析，最后實現(xiàn)了在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝能力下利用尺寸工程技術(shù)提高車身設(shè)計和制造精度的目標(biāo)。

1 尺寸工程

1.1 尺寸工程定義

尺寸工程是一個新興的工程領(lǐng)域，它從傳統(tǒng)制造領(lǐng)域中取長補短、加以規(guī)范，在任何一種工程制造行業(yè)都能派上用場。汽車領(lǐng)域的尺寸工程是一個包括產(chǎn)品外形設(shè)計、產(chǎn)品工裝設(shè)計及零部件制造和裝配全過程的系統(tǒng)概念。它可以解決很多實際問題，比如產(chǎn)品裝配過程中經(jīng)常遇到的裝配干涉問題。每個零件的各個尺寸都可能存在制造誤差(公差)，這些誤差在產(chǎn)品裝配過程中會產(chǎn)生積累，直接導(dǎo)致裝配干涉或裝配困難。而尺寸工程在設(shè)計階段就將制造誤差考慮進去，可以避免這類問題的發(fā)生，并能提高生產(chǎn)制造階段車身尺寸偏差監(jiān)控效率和診斷能力。另外，利用尺寸工程對車身結(jié)構(gòu)、工藝、制造和管理等各個步驟進行尺寸與公差系統(tǒng)優(yōu)化，對縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、提高裝配尺寸精度、降低開發(fā)成本、保證大批量制造質(zhì)量的穩(wěn)定和持續(xù)改進有很大的實際意義［4］。

1.2 國內(nèi)外尺寸工程的現(xiàn)狀及存在問題

20世紀(jì)80年代，日本汽車行業(yè)憑借全面質(zhì)量管理(TQM)將車身制造綜合誤差控制在2 mm(6 sigma)以內(nèi)，出色的車身質(zhì)量使日本產(chǎn)汽車在國際市場大受青睞。之后美國政府投資400萬美元進行車身質(zhì)量研究，Michigan大學(xué)的吳賢銘于1991年提出了名為“2mm工程”的研究構(gòu)想，次年在美國聯(lián)邦政府資助和三大汽車巨頭積極參與下正式啟動［5］。此舉為工業(yè)生產(chǎn)提供了一整套行之有效的全新方法，被美國工業(yè)界廣泛采用，促使車身質(zhì)量水平迅速提高，達到世界先進制造水平。

近年來，我國很多汽車企業(yè)也開始重視尺寸工程研究，但現(xiàn)有尺寸工程團隊只能同時支撐少數(shù)幾個車型白車身的設(shè)計工作，在內(nèi)外飾、底盤及電裝領(lǐng)域，尺寸工程的能力都不足。而且，國內(nèi)尺寸工程的主要工作集中在產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段，對研發(fā)階段白車身零部件的精度設(shè)計與分析計算較少。同時，工程師們對尺寸工程理念不足也使得產(chǎn)品設(shè)計中隱藏著如定位基準(zhǔn)設(shè)計不合理等缺陷。因此，只有加大培養(yǎng)專業(yè)人才力度，重視設(shè)計前期尺寸管理方法和目標(biāo)優(yōu)化，才能提高車身結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計質(zhì)量，加快車身尺寸驗證效率，縮短我國自主品牌的工藝水平與國外的差距。

2 尺寸工程流程

2.1 尺寸工程流程介紹

尺寸工程貫穿于產(chǎn)品方案階段、設(shè)計階段、試制階段和投產(chǎn)階段等各過程，主要包括整車尺寸目標(biāo)制定、定位基準(zhǔn)設(shè)計、公差設(shè)計、公差分析、目標(biāo)檢查、測量計劃制定以及尺寸管理等。尺寸工程流程如圖2所示。

1)整車尺寸目標(biāo)制定(DTS)側(cè)重研究整車內(nèi)外尺寸配合公差，負責(zé)關(guān)鍵間隙、面差以及通用公差、功能性要求等的制定，并根據(jù)工藝、制造能力制定目標(biāo)公差。

2)定位基準(zhǔn)及公差設(shè)計(geometry dimension and tolerance，GD＆T)的目的是建立整車、零部件定位體系及形位公差。GD＆T圖紙體現(xiàn)了公差設(shè)計部門對汽車零部件制造公差的要求，并指導(dǎo)與約束工裝供應(yīng)商對模、檢、夾具的設(shè)計和制造，促使實物零部件尺寸精度達到設(shè)計要求。

3)通過公差仿真分析軟件檢查初步設(shè)計的模型，判斷裝配的誤差，識別關(guān)鍵尺寸特征，從而減少零部件成本及缺陷。

4)一旦確定仿真模型，就可以試制樣品進行實際檢查，幫助主機廠監(jiān)控尺寸波動情況，快速有效地進行尺寸的再次整改。

5)對零部件進行檢測、過程能力統(tǒng)計評價、白車身焊接總成檢測和整車內(nèi)外觀尺寸評價等。

圖2 尺寸工程流程

從以上流程可知，設(shè)計階段需要多次進行目標(biāo)檢查并不斷修正。因此，設(shè)計階段在整個尺寸工程中起著重要作用。

2.2 尺寸鏈介紹

傳統(tǒng)公差設(shè)計往往過于依賴工程師的經(jīng)驗和標(biāo)準(zhǔn)(圖3)，但實際生產(chǎn)中不確定性很多，大批量生產(chǎn)會造成非常大的損失。若采用尺寸鏈技術(shù)檢驗分析公差的合理性，可將影響偏差因素的作用降低。

圖3 公差設(shè)計依據(jù)

尺寸鏈?zhǔn)侵敢唤M相互聯(lián)系且按一定順序排列的封閉尺寸組合。按照鏈的幾何特征和空間位置分為線性尺寸鏈、平面尺寸鏈和空間尺寸鏈［6］。尺寸、角度和過盈量等叫作尺寸鏈的“鏈環(huán)”，或者簡稱為“環(huán)”。環(huán)根據(jù)不同性質(zhì)又分為封閉環(huán)及組成環(huán)。封閉環(huán)是指在零部件加工或裝配過程中間接獲得或最后形成的環(huán)，它代表著機器精度要求。而組成環(huán)是在尺寸鏈中對封閉環(huán)有影響的環(huán)，其中若該環(huán)的變動引起封閉環(huán)同向變動的稱為增環(huán)，反向變動的則稱為減環(huán)。封閉環(huán)A0(因變量)和組成環(huán)An(自變量)的一般函數(shù)關(guān)系為

式中每個獨立的自變量都可以在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生微小的增量，也就是各環(huán)的公差(誤差)。誤差相互累積時就形成了相互制約的尺寸鏈關(guān)系。因而，通過控制各組成環(huán)的精度可以達到控制封閉環(huán)的目的，即最后裝配時機器可操作范圍內(nèi)的精度。

2.3 尺寸工程常用分析法

目前，尺寸工程中比較常用的技術(shù)有極值法(worst case，WC)和統(tǒng)計分析法(root sum squares，RSS)［7－8］。

2.3.1 極值法

基本公式為

式中:T0為封閉環(huán)公差;T1、T2、T3為組成環(huán)公差。

此方法簡單高效，而且在裝配技術(shù)低時也適用，但只用于封閉環(huán)精度低或組成環(huán)數(shù)目少的情況，否則會增加制造難度和生產(chǎn)成本。汽車制造中常常要求精度較高，所以極值法不適用于轎車公差分配。

2.3.2 統(tǒng)計分析法

基本公式為

式中:X為總公差;M、N為部件公差。

此方法以概率論為基礎(chǔ)，計算科學(xué)，在組成環(huán)環(huán)數(shù)較多的大批量生產(chǎn)中優(yōu)勢明顯。當(dāng)達到一定環(huán)數(shù)時，每個組成環(huán)分配到的公差很小，甚至幾乎能實現(xiàn)完全互換。不足之處是當(dāng)組成環(huán)不是正態(tài)分布時準(zhǔn)確度會下降，不過在實際生產(chǎn)中，絕大多數(shù)零部件符合正態(tài)分布。因此在轎車尺寸工程平面計算中普遍使用統(tǒng)計分析法。

3 尺寸工程實際案例分析

3.1 公差檢驗

尺寸工程涉及轎車開發(fā)制造的各階段，而設(shè)計階段的應(yīng)用承上啟下，尤為重要。本文將利用尺寸鏈原理對國內(nèi)某自主開發(fā)車型中白車身的前罩相對于翼子板的裝配高差進行分析計算，如不符合±1.0要求，將進行優(yōu)化設(shè)計并再次檢查，直至滿足條件。圖4為該白車身公差分析區(qū)域示意圖。

圖4 白車身前罩板區(qū)域示意圖

1)確定尺寸鏈組成元素。這里前罩相對于翼子板裝配高差是所需求的，也就是封閉環(huán)。下面分析影響前罩相對于翼子板裝配高差的組成環(huán)。

首先從翼子板入手。由圖5可知翼子板配合處的面輪廓公差是一個組成環(huán)。另外，由于圖6中起固定翼子板作用的裝配支架采用多層焊接，所以必然存在面輪廓高差。

其次分析與前罩板有關(guān)的影響因子。同理，圖5中前罩與翼子板配合處的面輪廓公差屬于組成環(huán)。由于前罩板是利用鉸鏈與白車身相連的(如圖6)，所以鉸鏈裝配面的面輪廓公差會造成影響。最后考慮到鉸鏈總成自身厚度在制造過程中難免存在誤差，定為一個組成環(huán)。

2)建立尺寸鏈并利用尺寸工程軟件進行分析。由于涉及到的部件都是剛體，而且考慮到白車身前罩板部分各點的定位和約束關(guān)系可以簡化為線性，所以認(rèn)為是情況最簡單的線型尺寸鏈(全部組成環(huán)平行于封閉環(huán)的尺寸鏈)。相應(yīng)尺寸鏈如圖7所示。尺寸鏈明細如表1所示。

圖7 裝配高差尺寸鏈

表1 高差尺寸鏈明細

3)公差計算檢驗。在尺寸鏈計算及公差分析軟件中輸入各部分參數(shù)，選擇統(tǒng)計分析法進行計算與仿真，并對結(jié)果(圖8)進行保存。

圖8 尺寸鏈計算結(jié)果

計算結(jié)果為 ±1.35，距離要求公差 ±1.0較大，無法通過調(diào)整公差帶大小和位置來滿足精度范圍。如果提高加工設(shè)備精度則成本過高，不切實際，因此可以從結(jié)構(gòu)方面對前罩和翼子板之間的裝配公差進行優(yōu)化。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1)優(yōu)化方案設(shè)計。分析組成環(huán)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)前罩板配合處的面輪廓公差、前罩鉸鏈總成的厚度公差和翼子板配合處的面輪廓公差都是難以避免的。由于翼子板裝配支架面輪廓公差±1.0較大，下面著重考慮能否優(yōu)化翼子板和前罩板的裝配結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡單會提升精度，但本算例中翼子板和前罩分別裝在第3個零件上，沒有形成關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以造成尺寸鏈過長，這是偏差較大的主要原因。

圖9所示是最終優(yōu)化方案:將翼子板安裝點與前罩鉸鏈采用關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，在前罩鉸鏈增加翼子板安裝面，控制燈具Z方向(沿車身垂直向上方向)。

圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的定位裝配圖

2)建立優(yōu)化后的尺寸鏈。優(yōu)化后的尺寸鏈如圖10所示。尺寸鏈明細如表2所示。

圖10 優(yōu)化后的裝配高差尺寸鏈

表2 優(yōu)化后的高差尺寸鏈明細

3)優(yōu)化后公差計算檢驗。在尺寸鏈計算及公差分析軟件中輸入各部分參數(shù)，選擇統(tǒng)計分析法進行計算與仿真，并對結(jié)果(圖11)進行保存。

采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，前罩相對于翼子板裝配高差為±0.82，滿足精度要求，更小的誤差使得車更加美觀，并且減小了風(fēng)阻、振動，也改善了車身密封性和行駛平穩(wěn)性等。

圖11 優(yōu)化后的尺寸鏈計算結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

應(yīng)用尺寸工程技術(shù)控制白車身設(shè)計精度和制造裝配質(zhì)量，特別是將功能尺寸上溯到產(chǎn)品設(shè)計階段，可以有效提高制造精度，縮短開發(fā)周期。通過對開發(fā)過程中白車身零部件尺寸鏈進行合理的計算分析，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)和工藝裝配，能保證在制造階段達到預(yù)定的質(zhì)量要求。所以，對汽車工程部門來說，將尺寸工程這一理念應(yīng)用到車型研發(fā)及生產(chǎn)過程中具有實際的指導(dǎo)意義。

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