數(shù)字樣車技術(shù)在整車開發(fā)中的應(yīng)用分析

卜凡龍 路勝利 張德亮 楊興龍 劉漢斌 高惠國

（中國第一汽車股份有限公司）

隨著科技的進(jìn)步，汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，為了更快地推出產(chǎn)品，汽車產(chǎn)品開發(fā)周期也需要盡可能地縮短[1]。如何在較短的開發(fā)周期內(nèi)，開發(fā)出質(zhì)量最優(yōu)的產(chǎn)品，成為重要的課題。目前，為了有效地縮短周期、降低成本，大多數(shù)的企業(yè)都是采用搭建數(shù)字樣車（DMU）來進(jìn)行前期的開發(fā)驗(yàn)證，通過對(duì)DMU 的先期質(zhì)量控制，進(jìn)一步提高后期的實(shí)車裝配質(zhì)量[2]。文章主要基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM系統(tǒng)）開展了乘用車DMU 協(xié)同設(shè)計(jì)研究，建立了DMU 質(zhì)量控制流程，并在產(chǎn)品開發(fā)過程中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

1 DMU協(xié)同設(shè)計(jì)

基于PDM系統(tǒng)，各專業(yè)設(shè)計(jì)師采用TOP-DOWN（自頂向下）的方法同步開展協(xié)同設(shè)計(jì)，同步開展DMU搭建工作。

1.1 PDM系統(tǒng)

PDM系統(tǒng)是一個(gè)用于開發(fā)和管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)（零部件、三維模型、二維圖紙等）的協(xié)作平臺(tái)，為整個(gè)企業(yè)提供信息共享機(jī)制和信息存儲(chǔ)機(jī)制。應(yīng)用PDM系統(tǒng)開展線上的協(xié)同設(shè)計(jì)可以提高研發(fā)效率，保證數(shù)據(jù)的正確性、單一性、可追溯性、安全性（PDM 是定期備份數(shù)據(jù)的），避免目前線下、單機(jī)、共享服務(wù)器、FTP、郵件傳輸數(shù)據(jù)、U 盤傳輸數(shù)據(jù)等的低效率工作方式，確保數(shù)據(jù)的唯一性和整車數(shù)據(jù)的完整性。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師在PDM系統(tǒng)中利用工作區(qū)管理系統(tǒng)（WGM），對(duì)工作區(qū)并行設(shè)計(jì)各專業(yè)數(shù)據(jù)，無論是同專業(yè)或是不同專業(yè)設(shè)計(jì)師之間都會(huì)使用到借用數(shù)據(jù)，而這些借用數(shù)據(jù)也很可能在不斷的完善或重新設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)師需要及時(shí)了解到借用數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)變化，以對(duì)自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。圖1 示出不同設(shè)計(jì)師通過工作區(qū)在線工作時(shí)的協(xié)同設(shè)計(jì)流程。

圖1 不同設(shè)計(jì)師間協(xié)同設(shè)計(jì)流程圖

除上述設(shè)計(jì)師自主設(shè)計(jì)外，部分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)也需要由供應(yīng)商/合作伙伴協(xié)同設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)與供應(yīng)商/合作伙伴的方案溝通，并將供應(yīng)商/合作伙伴需要的參考數(shù)據(jù)發(fā)放給他們，之后再將供應(yīng)商/合作伙伴完成的數(shù)據(jù)檢入到PDM系統(tǒng)中，供項(xiàng)目組共享使用。圖2 示出設(shè)計(jì)師與供應(yīng)商/合作伙伴的交互設(shè)計(jì)流程。

圖2 設(shè)計(jì)師與供應(yīng)商/合作伙伴交互設(shè)計(jì)流程圖

1.2 整車DMU搭建

在PDM系統(tǒng)中，整車DMU 搭建采用TOP-DOWN（自頂向下）的設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或關(guān)鍵信息從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的頂層傳遞到下游的所有相關(guān)子系統(tǒng)。

TOP-DOWN 設(shè)計(jì)是一種設(shè)計(jì)思想，即設(shè)計(jì)由總體布局、總體結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到零件的一種自上而下、逐步細(xì)化的設(shè)計(jì)過程[3]，如圖3 所示。

圖3 數(shù)字樣車搭建設(shè)計(jì)過程示意圖

根據(jù)此設(shè)計(jì)思想搭建的DMU，可以有效地解決復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有較好的可修改性，能夠提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，且利于開展并行工程、協(xié)同設(shè)計(jì)，能有效地傳遞設(shè)計(jì)意圖，易于快速地開展產(chǎn)品變形設(shè)計(jì)。圖4 示出搭建完成的某款整車DMU 結(jié)構(gòu)。

2 DMU質(zhì)量控制流程

在產(chǎn)品開發(fā)過程中，通過總結(jié)前期工作經(jīng)驗(yàn)，制定合理的DMU 質(zhì)量控制流程，如圖5 所示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DMU 問題的層層消滅。整個(gè)流程過程設(shè)置4 個(gè)層級(jí)的審查制。

圖5 DMU 質(zhì)量控制流程圖

2.1 專業(yè)設(shè)計(jì)師審查

專業(yè)設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)本專業(yè)內(nèi)的DMU 設(shè)計(jì)，并依據(jù)專業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)本專業(yè)DMU 進(jìn)行校核確認(rèn)，確保設(shè)計(jì)方案無誤，并編制專業(yè)開發(fā)檢查表，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)DMU 無問題后，提交總布置審查。

2.2 總布置審查

總布置工程師依據(jù)專業(yè)布置規(guī)范及要求，對(duì)專業(yè)提交的DMU 進(jìn)行方案確認(rèn)及校核工作，并編制總布置開發(fā)檢查表，逐項(xiàng)確認(rèn)目標(biāo)達(dá)成情況，確認(rèn)DMU 布置無問題后，提交下一環(huán)節(jié)審查。

2.3 DMU專業(yè)工程師審查

針對(duì)整車DMU，DMU 專業(yè)工程師要進(jìn)行全面的審查，分別從數(shù)據(jù)成熟度、間隙及配合、裝配工藝性、維修保養(yǎng)方便性等方面進(jìn)行細(xì)致檢查，盡可能地提前發(fā)現(xiàn)問題，并編制DMU 檢查報(bào)告，推動(dòng)問題閉環(huán)，確認(rèn)檢查無問題后，提交下一環(huán)節(jié)審查。

lnchinagdpt=β0+β1lnchinagdpt-1+β2lntraffit+β3lntongit+β4lndianit+β5lnfdiit+β6lnfdiit×lntraffit×I(thr r)+β8lnfdiit×lntongit×I(thr r)+β10lnfdiit×lndianit×I(thr r)+β12rkt+β13cxt+β14lnexit+β15flt+μi+εit

2.4 總裝工藝審查

此環(huán)節(jié)由總裝技術(shù)工程師依據(jù)裝配工藝規(guī)劃，對(duì)整車DMU 的裝配性進(jìn)行最終的確認(rèn)，編制ECR 問題單，推動(dòng)問題閉環(huán)，從而盡可能地減少生產(chǎn)階段出現(xiàn)的裝配問題。

經(jīng)過上述4 個(gè)層級(jí)的審查流程，整車DMU 才能作為合格產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)布。

3 DMU質(zhì)量控制方法及應(yīng)用

3.1 DMU質(zhì)量控制方法

CATIA 軟件提供了各種對(duì)整車DMU 進(jìn)行功能性分析的方法，如Navigator，Kinematics，Space Analysis，F(xiàn)itting Simulation，Structural Optimization 等分析用工具[4]。采用這些DMU 分析技術(shù)，可以在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉等潛在的設(shè)計(jì)質(zhì)量問題，為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路線優(yōu)化及確保機(jī)構(gòu)的可制造性、可裝配性和可維修性提供強(qiáng)有力的技術(shù)手段，從而極大地提高汽車產(chǎn)品開發(fā)速度與質(zhì)量[4]。文章主要針對(duì)整車DMU 進(jìn)行全面的校核，作為DMU 質(zhì)量控制方法。

3.1.1 間隙及干涉檢查

間隙及干涉檢查是整車DMU 校核中最重要的部分。主要可以分為3 類：靜態(tài)檢查、動(dòng)態(tài)檢查、運(yùn)動(dòng)包絡(luò)檢查。

圖6 汽車轉(zhuǎn)向機(jī)線束與電氣線束干涉示意圖

動(dòng)態(tài)檢查主要是關(guān)注在運(yùn)動(dòng)的極限位置或某一特定位置，相關(guān)系統(tǒng)或零部件間是否干涉以及間隙是否合理。圖7 示出檢查轉(zhuǎn)向管柱與制動(dòng)踏板最小間隙。

圖7 汽車轉(zhuǎn)向管柱與制動(dòng)踏板間隙檢查示意圖

運(yùn)動(dòng)包絡(luò)檢查主要是檢查在運(yùn)動(dòng)全過程，各相關(guān)系統(tǒng)或零部件間有無干涉現(xiàn)象，以及間隙是否合理。圖8 示出檢查前輪運(yùn)動(dòng)包絡(luò)和周邊環(huán)境的關(guān)系。

圖8 汽車前輪運(yùn)動(dòng)包絡(luò)檢查示意圖

3.1.2 運(yùn)動(dòng)分析校核

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析是在虛擬的環(huán)境中模擬產(chǎn)品實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀況，并在動(dòng)態(tài)過程中檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合概念設(shè)計(jì)階段對(duì)機(jī)構(gòu)所做的定義[5]。通過對(duì)產(chǎn)品在整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中的位置信息、運(yùn)動(dòng)特性信息進(jìn)行檢查和分析，從而輸出相關(guān)的變化曲線，更直觀地進(jìn)行結(jié)果校核。圖9 示出檢查刮水器運(yùn)動(dòng)件與周邊鈑金件間隙變化的曲線。設(shè)計(jì)師可以根據(jù)曲線中的最小間隙判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)不滿足要求的位置進(jìn)行修改。

圖9 汽車刮水器運(yùn)動(dòng)件與周邊鈑金件間隙變化曲線圖

3.1.3 裝配工藝性校核

整車裝配工藝性分析的主要目的是分析零件、系統(tǒng)在整車上的裝配工藝性是否方便操作，易于保證裝配質(zhì)量，利于減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，并且符合現(xiàn)有裝配工藝水平和生產(chǎn)節(jié)拍的要求[6]16-17。

裝配工藝性校核主要包含三方面內(nèi)容：1）裝配可視性校核。零件設(shè)計(jì)裝配位置應(yīng)滿足操作視線可見，以避免盲操作帶來的裝配不到位等質(zhì)量問題。2）裝配空間校核。零件設(shè)計(jì)裝配位置應(yīng)滿足手及總裝常用工具的操縱空間，以減少專用工具的投入。3）裝配方便性校核。整車的設(shè)計(jì)要綜合考慮現(xiàn)生產(chǎn)工藝水平、裝配工藝規(guī)劃順序、裝配工人數(shù)量以及裝配操作可實(shí)現(xiàn)性等方面的狀況，以減少后期裝配問題的出現(xiàn)次數(shù)，從而提高生產(chǎn)效率。圖10 示出排氣管裝配校核。從圖10 可以看出，排氣管裝配校核時(shí)，裝配可視性良好，但發(fā)現(xiàn)電動(dòng)工具與排氣管存在干涉，裝配空間不足。

圖10 汽車排氣管裝配校核示意圖

3.1.4 維修保養(yǎng)方便性校核

可維修性分析主要是指對(duì)汽車的維修和保養(yǎng)要求進(jìn)行分析[6]17-18。汽車可維修性的分類原則結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，按照優(yōu)先等級(jí)可以分為3 類：

1）日常維修保養(yǎng)項(xiàng)。有日常檢查、保養(yǎng)要求的零部件可維修性優(yōu)先級(jí)要求最高，DMU 校核時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注，零件的維修保養(yǎng)方便性要最好，如機(jī)油、機(jī)濾等定期檢查更換的項(xiàng)目；

2）間隔里程長(zhǎng)的維修保養(yǎng)項(xiàng)。不經(jīng)常更換的零部件可維修性優(yōu)先級(jí)要求可次之，允許零件維修保養(yǎng)時(shí)先拆掉一些相關(guān)的零件，零件的維修保養(yǎng)方便性良好，如制動(dòng)盤等磨損件；

3）其它因素的維修保養(yǎng)項(xiàng)。因意外、偶然損壞的零部件的可維修性可最后考慮，只要能實(shí)現(xiàn)維修保養(yǎng)即可，如出現(xiàn)意外故障的發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱維修等問題。前期對(duì)油箱口蓋的可維修性進(jìn)行DMU 人機(jī)校核，如圖11所示。

圖11 汽車油箱口蓋維修保養(yǎng)方便性DMU 人機(jī)校核示意圖

3.2 DMU驗(yàn)證

文章結(jié)合正在開展的產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行了DMU質(zhì)量控制過程驗(yàn)證。通過應(yīng)用對(duì)比，以往某車型檢查出的DMU 問題為4 116 項(xiàng)，采用新方法檢查出的DMU問題為475 項(xiàng)，問題減少了88.5%，表明通過采用該種新的質(zhì)量控制流程，整車DMU 質(zhì)量明顯提高。圖12 示出具體各個(gè)系統(tǒng)檢查出問題數(shù)的對(duì)比。從圖12 可以看出，每個(gè)系統(tǒng)的問題數(shù)都出現(xiàn)下降，車身問題下降最明顯。

圖12 整車DMU 檢查問題數(shù)對(duì)比曲線圖

4 結(jié)論

文章對(duì)DMU 技術(shù)在整車質(zhì)量控制中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，提出了一種DMU 質(zhì)量過程控制方法，并建立了相應(yīng)的流程，應(yīng)用結(jié)果顯示，與以往開發(fā)產(chǎn)品相比，DMU 檢查出的問題大幅減少，有效地彌補(bǔ)了之前DMU質(zhì)量控制手段的不足，有利于在產(chǎn)品開發(fā)面臨周期短、質(zhì)量要求高的情況下，實(shí)現(xiàn)先期質(zhì)量控制的效果。DMU技術(shù)可以將問題在整車開發(fā)的前期盡可能規(guī)避，減少投產(chǎn)后的損失，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。