基于產(chǎn)品功能特性的轎車靜態(tài)最小間隙分析

葛磊 郁向東 王正濤

（綠馳汽車科技（上海）有限公司）

白車身尺寸工程[1]貫穿于車身開發(fā)的各個(gè)階段，包括前期的尺寸公差設(shè)計(jì)和后期尺寸公差控制2個(gè)方面；文獻(xiàn)[2]介紹了前期設(shè)計(jì)中三維偏差分析采用的算法、虛擬樣車偏差分析模型建立開發(fā)流程及尺寸項(xiàng)目開發(fā)中的公差分配設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[3]強(qiáng)調(diào)了尺寸公差的重要性：不僅影響到制造和裝配過(guò)程，還影響到產(chǎn)品的功能；文獻(xiàn)[4]則闡述了MC階段車身偏差問(wèn)題解決的具體方法，并針對(duì)車身偏差具體問(wèn)題加以驗(yàn)證，最終得到較好的效果。上述文獻(xiàn)研究都重點(diǎn)關(guān)注了尺寸工程從前期概念設(shè)計(jì)開發(fā)階段的偏差源分析到后期制造階段的偏差項(xiàng)監(jiān)控，但并未對(duì)初始設(shè)計(jì)狀態(tài)下名義值與偏差的疊加效應(yīng)，即靜態(tài)最小間隙予以詳細(xì)闡述分析，尤其是當(dāng)靜態(tài)最小間隙數(shù)值如果設(shè)計(jì)不合理，不但會(huì)影響外觀視覺(jué)效果，更有可能導(dǎo)致產(chǎn)品功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。文章論述了靜態(tài)最小間隙的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)影響因素，對(duì)于指導(dǎo)轎車前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加強(qiáng)后期制造階段總體偏差控制具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 常規(guī)間隙定義方法

1.1 整車間隙的定義標(biāo)準(zhǔn)

整車間隙定義要求包括2個(gè)方面：間隙理論名義值與間隙公差值。前者呈現(xiàn)整車在理想設(shè)計(jì)下的狀態(tài)，而后者則是綜合零件制造偏差，是人工裝配誤差等影響因素估算的累積偏差。其關(guān)系表達(dá)式，如式（1）所示。

式中Gap——設(shè)計(jì)間隙要求標(biāo)準(zhǔn)，mm；

N——間隙名義值，mm；

T——公差值，通常情況下T=3σ，3σ為靜態(tài)尺寸鏈累計(jì)偏差，mm。

1.2 間隙定義的常用方法

圖1 對(duì)標(biāo)車型測(cè)量數(shù)據(jù)信息收集顯示界面

圖2 3DCS軟件中偏差模擬顯示界面

當(dāng)2個(gè)零件的配合是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系時(shí)，如轎車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與大燈，不僅要求兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)不能接觸（Gapmin＞0），而且還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的過(guò)行程沖擊時(shí)不傷害大燈表面，因此Gapmin還需要預(yù)留修正值(Gapmin’/mm)，如式（3）所示。

1.3 最小間隙定義的評(píng)估

通過(guò)上述的設(shè)計(jì)及分析，確立了間隙定義的數(shù)值。然而這種建立在數(shù)值測(cè)量和公差分析的定義方式并不能完全確保該結(jié)果就一定符合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，由式（1）可知，在極端情況下的最小間隙（Gapmin/mm）的計(jì)算，如式（2）所示。

式中：TF——設(shè)計(jì)最小間隙時(shí)必須預(yù)留的功能間隙，mm；

T'——公差修正值，mm。

不僅存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零件之間必須滿足式（3）的要求，即便是靜態(tài)零件相互之間的定義也適用該要求，當(dāng)TF=0時(shí)，靜態(tài)零件間的間隙定義T'=T，也就是式（2）所表述的情況。

2 產(chǎn)品功能特性的分類及影響

結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)和制造的經(jīng)驗(yàn)，從材料特點(diǎn)和零件設(shè)計(jì)功能特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 材料特性對(duì)間隙定義的影響

一般情況下，無(wú)論是轎車外飾還是內(nèi)飾的間隙配合定義，都以零件材料的“軟”或“硬”程度作為參考依據(jù)?！败洝毙再|(zhì)地的材料無(wú)論對(duì)手件使用什么材質(zhì)，都會(huì)定義為“0”間隙要求；而“硬”性質(zhì)地的材料的對(duì)手件如果也屬于“硬”性質(zhì)地的材料，則必須保留設(shè)計(jì)間隙值，以防止摩擦或異響等缺陷產(chǎn)生，這是最基本的定義原則。但就“軟”或“硬”的程度而言，并沒(méi)有普遍的量化標(biāo)準(zhǔn)作為參考。

為了能量化材料軟硬程度對(duì)間隙尺寸定義的影響，這里引入基于零件相對(duì)壓縮量的偏差累計(jì)分析。假設(shè)某間隙接口處的尺寸鏈偏差累計(jì)為±3σ，零件之間的相對(duì)壓縮量為Δ（這里Δ相當(dāng)于TF值），分別就Δ的不同取值進(jìn)行分析。

1）當(dāng)Δ=0時(shí)，說(shuō)明零件之間根本無(wú)法產(chǎn)生相對(duì)壓縮，所以必須N≥3σ，使得Gapmin≥0。這也解釋了為什么無(wú)法壓縮的2個(gè)零件間隙名義值不能設(shè)計(jì)為“0”的原因。

2）當(dāng)Δ≠0時(shí)又可以分成2種狀態(tài)進(jìn)行分析。

a.當(dāng)Δ-3σ≥0時(shí)，說(shuō)明零件之間的相對(duì)壓縮量能夠克服尺寸鏈的累計(jì)偏差,不需要對(duì)該處材料預(yù)留功能尺寸，由式（3）可知：

這種情況下，N可以定義為任何非負(fù)數(shù)值，當(dāng)然從美學(xué)角度來(lái)說(shuō)，N=0能夠使得外觀配合效果處于最佳狀態(tài)。

b.當(dāng)Δ-3σ＜0時(shí)，則說(shuō)明零件之間的相對(duì)壓縮量無(wú)法完全克服尺寸鏈的累計(jì)偏差，由式（3）可知：

圖3示出材料相對(duì)壓縮量的最小間隙分類框圖。

圖3 基于材料相對(duì)壓縮量的最小間隙分類

2.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能要求對(duì)間隙定義的影響

文獻(xiàn)[5]強(qiáng)調(diào)尺寸偏差可直接影響轎車的外觀匹配、風(fēng)噪聲及密封性。間隙的定義不僅對(duì)零部件外觀視覺(jué)效果起到規(guī)范要求及體現(xiàn)造型的設(shè)計(jì)意圖，而且更重要的是限制零件的相互位置關(guān)系，確保零件的設(shè)計(jì)功能得到有效的發(fā)揮。

例如某車型轉(zhuǎn)向盤上的喇叭罩蓋與轉(zhuǎn)向盤本體之間的間隙定義，其設(shè)計(jì)功能要求駕駛員在一定的操作力范圍內(nèi)按下喇叭罩蓋后，喇叭能夠正常鳴響。從美學(xué)角度講當(dāng)然希望間隙越小越好，甚至為“0”，但如果名義值按照“0”間隙設(shè)計(jì)產(chǎn)品，一旦零件相互干涉擠壓會(huì)存在操作力過(guò)大，甚至有零件運(yùn)動(dòng)阻滯無(wú)法按響喇叭的風(fēng)險(xiǎn)。

由T'=3σ-TF可知，首先應(yīng)計(jì)算外觀配合面之間的3σ，該案例中3σ=1.0 mm；同時(shí)參考對(duì)標(biāo)車型的測(cè)量數(shù)值統(tǒng)計(jì)得到N=3.0 mm。

TF基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求分別通過(guò)虛擬分析和實(shí)物驗(yàn)證得出，其中實(shí)物驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法，如圖4所示。

圖4 某車型喇叭罩蓋與轉(zhuǎn)向盤本體間隙實(shí)物驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法

虛擬分析采用模擬駕駛員在時(shí)鐘12點(diǎn)位置按壓喇叭，分別查看在轉(zhuǎn)向盤中心、偏置1/3及偏置2/3位置時(shí)喇叭罩蓋的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析是否會(huì)與本體產(chǎn)生干涉。圖5示出轉(zhuǎn)向盤斷面示意圖，圖6示出喇叭罩蓋與轉(zhuǎn)向盤本體相對(duì)運(yùn)動(dòng)干涉量示意圖。

圖5 某車型轉(zhuǎn)向盤斷面示意圖

圖6 喇叭罩蓋與轉(zhuǎn)向盤本體不同位置相對(duì)運(yùn)動(dòng)干涉量示意圖

該轉(zhuǎn)向盤在中心偏置2/3位置時(shí)喇叭罩蓋與本體無(wú)干涉，而在轉(zhuǎn)向盤中心位置及中心偏置1/3位置時(shí)分別產(chǎn)生0.07 mm和0.03 mm的干涉，因此TF取最大值0.07 mm。將該處數(shù)值取整設(shè)定為0.1 mm，用于消除運(yùn)動(dòng)模擬時(shí)的干涉量，同時(shí)利用實(shí)物樣件對(duì)操作力進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。表1示出轉(zhuǎn)向盤實(shí)物操作力試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 轉(zhuǎn)向盤實(shí)物操作力試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 N

從表1可知，相對(duì)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)式（3）可以確認(rèn)該案例的Gapmin'數(shù)值。

盡管兩者計(jì)算之間只有0.1 mm的差異，但是設(shè)計(jì)時(shí)如果忽略這0.1 mm的干涉量，就可能導(dǎo)致操作力增大，影響客戶的實(shí)際體驗(yàn)。推廣到其他功能件間的間隙定義，尤其是運(yùn)動(dòng)件，諸如車門、后蓋或者是內(nèi)飾的按鈕開關(guān)及儲(chǔ)物盒面板等都可以參照該方法進(jìn)行最小間隙的設(shè)計(jì)和校核。

如果按照式（2）進(jìn)行分析，則Gapmin'即為Gapmin。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)轎車傳統(tǒng)意義上的靜態(tài)間隙名義值和公差疊加效應(yīng)的分析，并結(jié)合材料特點(diǎn)和零部件產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能要求，使間隙定義不僅僅局限于外觀美學(xué)的范疇，更為尺寸工程前期設(shè)計(jì)提供了更廣泛的研究空間。當(dāng)然，影響最小間隙的產(chǎn)品功能特點(diǎn)還存在其他不可忽視的因素，例如：人機(jī)工程操作空間、安全法規(guī)要求、零部件布置空間要求及噪聲振動(dòng)因素等，這需要在以后的研究中結(jié)合產(chǎn)品進(jìn)一步深層次挖掘。