局部數(shù)據(jù)控制模型設(shè)計方法研究及其在汽車開發(fā)中的應(yīng)用

汪永輝, 朱葉勤

上汽大眾汽車有限公司 上海 201800

1 數(shù)據(jù)控制模型(DKM)在汽車開發(fā)中的意義

隨著國民經(jīng)濟的迅速增長,我國汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展[1],隨之而來的是國內(nèi)轎車市場競爭的日趨白熱化。國內(nèi)各大轎車生產(chǎn)商在研發(fā)方面的投入與日俱增,如何開發(fā)出具有獨特競爭優(yōu)勢的新產(chǎn)品,是汽車企業(yè)能否在競爭中勝出的關(guān)鍵[2]。在新產(chǎn)品研發(fā)過程中,不僅要求外形美觀,而且要求內(nèi)飾迎合消費者的口味。為了能夠早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計缺陷,并在投產(chǎn)前及時解決,那么將會降低后期投入費用,從而節(jié)約大量開發(fā)成本[3]。

上汽大眾產(chǎn)品研發(fā)試制中心通過多年不斷的努力創(chuàng)新,形成了一系列DKM設(shè)計和制造方法,大大降低了開發(fā)成本,縮短了制造周期,提高了產(chǎn)品質(zhì)量,對轎車新品的開發(fā)具有重要意義。

2 DKM概述

DKM[4]指用聚氨酯材料加工而成的實體物理模型,其中所有單件都是拆件制作。通過對實體物理模型進行評價,最終對計算機輔助設(shè)計(CAD)數(shù)據(jù)進行確認驗證。DKM按照大小,可以分為局部DKM和整車DKM兩種。

DKM在德國大眾汽車開發(fā)流程中占有極其重要的地位,這一技術(shù)造價昂貴,難度又高,各種縫隙必須嚴格按照CAD數(shù)據(jù)制造,表面質(zhì)量要求在平行燈光反射下均勻,單件及總成都經(jīng)過激光測量儀的嚴格測量,單件制造精度為±0.15 mm,局部模型總成制造精度為±0.25 mm,被認為是模型制造的尖端技術(shù),長期以來都是在德國及歐洲設(shè)計和制造。上汽大眾試制中心經(jīng)過多年探索,形成了一套標準DKM設(shè)計方法。

3 局部DKM設(shè)計方法

在新產(chǎn)品開發(fā)過程中,需要及時準確地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷,確認造型可靠性。在不同時期,需要一些特定區(qū)域的局部實物模型,給決策層作參考,從而最終確定批量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。局部DKM由此而來,設(shè)計局部DKM時主要包含骨架設(shè)計、單件結(jié)構(gòu)設(shè)計及附件設(shè)計。

3.1 骨架設(shè)計

根據(jù)模型切割范圍確定骨架大小及驗收節(jié)點,一般車頭車尾局部模型骨架均為鋁合金鑄造骨架。

鑄鋁骨架是通過整體澆鑄及一體銑削而成的骨架,具有質(zhì)量輕、精度高、不易變形等優(yōu)點。圖1所示為車頭局部DKM骨架。

圖1 車頭局部DKM骨架

鑄鋁骨架設(shè)計方法如下:① 確定局部控制模型切割范圍;② 確定骨架上所需要安裝零件的數(shù)量;③ 根據(jù)零件數(shù)量確定零件安裝位置的分布;④ 設(shè)計每個安裝在骨架上零件的定位孔及緊固孔;⑤ 根據(jù)零件大小尺寸,確定是否需要導(dǎo)向裝置;⑥ 確定附件的安裝位置及安裝方式;⑦ 在合適的位置設(shè)計測量坐標孔。通過以上七個步驟,可以確定骨架的基本結(jié)構(gòu)。在設(shè)計過程中,需要注意零件銷孔、螺紋孔橫向及縱向分布,因為如前保險杠、翼子板、前蓋等大件,會擺放到標準加工平臺上進行加工。鑄鋁骨架厚度為20 mm,根據(jù)強度校核,需要局部設(shè)計加強筋。為了方便骨架搬運及后續(xù)零件的安裝,骨架上需要設(shè)計減重孔及方便模型工人操作的避讓孔。

3.2 單件結(jié)構(gòu)設(shè)計

確定局部DKM骨架后,需要對單件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。單件結(jié)構(gòu)設(shè)計指將光順表皮數(shù)據(jù)設(shè)計成可以安裝在骨架上的零件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。汽車上的零件材料種類繁多,根據(jù)DKM表面要求[5],一般采用聚氨酯代木和鋁合金兩種材料。由于汽車油漆達不到光亮件的展示要求,因此光亮件一般采用鋁合金銑削,其它零件采用不同密度的聚氨酯代木銑削。

單件結(jié)構(gòu)設(shè)計方法如下:① 確定零件安裝面;② 確定零件灰區(qū)面數(shù)據(jù),零件灰區(qū)面指光順數(shù)據(jù)面上不包含,但在批量件上又包含,且在批量車上是可見的部分,如翼子板靠近前蓋處的翻邊;③ 根據(jù)零件光順面大小確定銷孔位置和螺紋緊固點;④ 如果零件過大,考慮設(shè)計導(dǎo)向孔及吊裝孔。由于模型總成精度高,需要在X、Y、Z三個方向均可調(diào)整,因此在設(shè)計時需要在零件和骨架之間預(yù)留調(diào)整間隙,一般采用1 mm標準墊片。另外,通過設(shè)計偏心銷套、偏心銷來保證其它兩個方向可調(diào)[6]。通過以上標準方法設(shè)計前蓋及尾燈結(jié)構(gòu),如圖2所示?？梢钥吹?雖然設(shè)計方法相同,但是設(shè)計出來的不同零件,其結(jié)構(gòu)卻大不相同。

圖2 前蓋及尾燈結(jié)構(gòu)

3.3 附件設(shè)計

完成骨架及單件結(jié)構(gòu)設(shè)計后,需要對附件進行設(shè)計,主要包含輪胎安裝機構(gòu)[7]、封板及模型車身高度展示架?？紤]到模型需要在車身高度上展示,根據(jù)每個車型的車軸運動數(shù)據(jù)表(AKD),確定輪胎安裝高度或展示架高度,通常情況是半載狀態(tài),即AKD中ML1+75 kg。軸機構(gòu)一般為三向可調(diào)節(jié),車頭局部DKM軸機構(gòu)如圖3所示。展示架一般采用工業(yè)鋁型材搭建。封板設(shè)計以外形美觀為宜,如圖4所示。邊界偏置10 mm,向模型內(nèi)部偏置3 mm,預(yù)留給封板。

圖3 車頭局部DKM軸機構(gòu)

4 局部DKM標準庫

局部DKM設(shè)計過程中,需要用到很多標準零件。為了能夠更快、更方便地選取這些標準零件,對Catia V5進行二次開發(fā),建立了局部DKM標準庫,如圖5所示。標準庫中主要包含銷釘、銷套、螺釘、螺紋套及DKM專用螺紋套等多種不同規(guī)格的標準零件[8]。

圖4 車頭局部DKM封板

圖5 局部DKM標準庫

在設(shè)計單件結(jié)構(gòu)時,需要考慮零件定位和固定方式。在局部DKM中,零件的安裝面一般采用平面,定位采用兩個銷子,螺紋數(shù)量根據(jù)零件大小而定。先設(shè)定好銷子的位置與方向,以及安裝的面,然后根據(jù)標準庫中的類型選定規(guī)格,最后通過點、線、面的方式確定銷孔形狀。

5 局部DKM設(shè)計方法的應(yīng)用

新朗逸是上汽大眾的暢銷車型,在產(chǎn)品研發(fā)時,設(shè)計和制造了該車型的局部DKM[9]?，F(xiàn)以該車型為例,介紹局部DKM設(shè)計方法的具體應(yīng)用過程。

5.1 車頭骨架

設(shè)計骨架時,需要考慮大零件的安裝。在車頭部分,需要安裝在骨架上的零件有前保險杠、前蓋、左右翼子板四大件,其它零件均安裝在前保險杠上。除了考慮安裝零件外,還要結(jié)合車身高度、機床標準工作平臺參數(shù)信息、標準螺紋及定位銷塊參數(shù)、測量點布置信息,將這些參數(shù)作為骨架設(shè)計的輸入?yún)?shù)進行設(shè)計。為了方便骨架參數(shù)化設(shè)計,可以將前蓋安裝平面、左右翼子板安裝平面、前保險杠安裝平面等大的安裝平面設(shè)定為主要的參數(shù)輸入。當光順數(shù)據(jù)發(fā)生大變化時,可以修改這些參數(shù),進而調(diào)整骨架大小。通過基本面設(shè)定,可以確定骨架的初始大小。

加工平臺與局部DKM專用鑲塊如圖6所示。

圖6 加工平臺與局部DKM專用鑲塊

為了減少加工量,需要優(yōu)化骨架整體結(jié)構(gòu),如圖7所示。將安裝平面提取出來,一般安裝平面高出骨架大平面15 mm。

圖7 優(yōu)化后骨架結(jié)構(gòu)

根據(jù)一般車頭四大件的安裝結(jié)構(gòu),可以確定骨架上安裝平面的基本位置。有了安裝平面基本位置后,可以確定大件的安裝點。大件安裝平面有三種類型:銷孔安裝平面、螺孔安裝平面、導(dǎo)向安裝平面,如圖8所示。

為了配合機加工平臺尺寸,銷孔間距一般以100 mm的倍數(shù)進行布置,數(shù)量為兩個。螺孔的間距與銷孔X向、Y向成50 mm的倍數(shù)進行布置,具體可以參考加工平臺規(guī)格,數(shù)量不限。為了使零件能夠更加輕松地安裝到骨架上,需要設(shè)計導(dǎo)向柱和導(dǎo)向套,導(dǎo)向柱安裝在零件上,導(dǎo)向套安裝在骨架上,數(shù)量一般為兩個,具體位置沒有特殊要求。如果是前蓋類,建議布置四個導(dǎo)向柱或?qū)蛱?防止翻轉(zhuǎn)。

圖8 大件安裝平面

安裝平面尺寸一般為70 mm×70 mm,銷孔為階梯孔,余下部分只需要根據(jù)零件結(jié)構(gòu)自行布置即可?？梢詫⑦@些位置設(shè)置成參數(shù)化,數(shù)據(jù)一旦更改,能夠快速更新。完成四大件安裝平面設(shè)計后,骨架設(shè)計還需要完成如下內(nèi)容:① 測量位置布置;② 軸機構(gòu)設(shè)計;③ 骨架支撐及頂升機構(gòu)安裝設(shè)計;④ 封板設(shè)計及模型配重;⑤ 減重及避讓孔設(shè)計。另外,在骨架內(nèi)部需要設(shè)計一些能夠使模型工人伸手安裝零件的位置。為了能夠順利鑄造出骨架,一般內(nèi)部倒角半徑為20 mm。在倒角后需要確認每一個螺釘壓緊面是否為平面,如果正好在倒角面上,會導(dǎo)致螺釘緊固時與螺紋孔不在一條直線上,無法緊固零件。

以上為新朗逸車頭模型骨架的設(shè)計過程,考慮到骨架為鋁合金鑄造整體銑削,變形量小,可以在后續(xù)車型中改造和重復(fù)利用。

5.2 前保險杠

前保險杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計是車頭模型中最復(fù)雜的,因為其涉及到的零件非常多,如上格柵、前大燈、前霧燈及蓋板、下格柵及下擾流板、拖鉤蓋板及前車雷達等,這些零件最終都要安裝到前保險杠上。根據(jù)骨架設(shè)計數(shù)據(jù),可以得到前保險杠自身的安裝平面及安裝點。

設(shè)計保險杠時,需要用到的灰區(qū)數(shù)據(jù)主要為左右輪罩結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和底盤前部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。前保險杠結(jié)構(gòu)可以自上而下設(shè)計,上格柵和大燈的安裝面可以為同一個平面,如圖9所示。保證上格柵和大燈安裝厚度后,結(jié)合自身安裝點及鑲塊大小,就能夠確定安裝平面的具體位置。

下格柵及霧燈安裝平面如圖10所示。保證前保險杠最薄處大于60 mm,就可以確定霧燈的安裝平面。下格柵安裝平面一般根據(jù)格柵結(jié)構(gòu)而確定,其它設(shè)計輔助面均為X向拉伸,否則會產(chǎn)生內(nèi)扣,從而導(dǎo)致無法加工和安裝。

圖9 上格柵及大燈安裝平面

圖10 下格柵及霧燈安裝平面

完成上部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計后,需要考慮輪罩灰區(qū)設(shè)計。如圖11所示,上部輪罩拆件是為了方便前大燈安裝,下部輪罩拆件是由于輪罩邊緣厚度太薄。由于是灰區(qū)數(shù)據(jù),因此可以有接縫,并采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物銑削。剩余零件的安裝平面,如大燈清洗器、拖鉤蓋板、倒車雷達等,根據(jù)零件法向或X向做拉伸即可,具體拉伸長度可以根據(jù)零件大小及螺釘、銷子、銷套長度來決定。至此,前保險杠的模型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)已設(shè)計完成。為能夠更加方便搬運,可以在前保險杠上部安裝吊裝孔,并在適當?shù)奈恢猛诳?減輕前保險杠的質(zhì)量。

圖11 輪罩灰區(qū)設(shè)計

前保險杠是車頭局部DKM的主要部件,作為主體,安裝在保險杠上的零件較多,因此具有代表性,其它零件可以參照保險杠零件的設(shè)計方法來完成。

以上通過實例詳細介紹了局部DKM設(shè)計的具體步驟,由于局部DKM屬于高精度模型,因此除了設(shè)計部分外,零件材料的選擇、機加工編程及加工方式[10]、總成的匹配、模型的測量等也都至關(guān)重要。

6 結(jié)束語

局部DKM在汽車研發(fā)過程中具有重要作用,對汽車產(chǎn)品的外形面、圓角、縫隙、落差有直觀評判。通過筆者所述的局部DKM設(shè)計方法,能夠設(shè)計出各類符合要求的局部DKM骨架、單件結(jié)構(gòu)和附件,為研發(fā)出更好的汽車產(chǎn)品提供了可靠保障。