GD&T基準(zhǔn)約束鏈在汽車懸架、電驅(qū)系統(tǒng)及激光焊接工程的應(yīng)用與實(shí)踐

張正，季東方，楊春青，張兆軒，劉晉，趙敬全

1.開沃汽車集團(tuán)輕型車事業(yè)部 江蘇南京 211215 2.驊擎技術(shù)管理咨詢（上海）有限公司 上海 201700

在汽車產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、過程制造、測(cè)量和試驗(yàn)驗(yàn)證的全過程中，對(duì)動(dòng)力總成匹配、底盤裝配、車身激光焊如何定義其產(chǎn)品關(guān)鍵特性？如何匹配可靠的工藝裝備？又如何去測(cè)量和驗(yàn)證產(chǎn)品是否滿足設(shè)計(jì)功能？

由于傳統(tǒng)的坐標(biāo)尺寸公差，不能準(zhǔn)確和完整地表達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的功能要求或形位公差要求，檢測(cè)結(jié)果因人和基準(zhǔn)不同，檢測(cè)結(jié)果也大相庭徑。GD&T（幾何尺寸公差）以基準(zhǔn)約束為邏輯鏈，貫穿設(shè)計(jì)、工藝和測(cè)量全過程，保證了數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)、工藝及測(cè)量過程中的唯一性解釋。

GD&T幾何尺寸公差的核心及邏輯關(guān)系

1.核心

GD&T可以由輪廓度和位置度來詮釋形位公差的內(nèi)涵，如平面度就是面輪廓度的極限狀況，平行度、垂直度就是位置度的特殊狀況。

在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與主減速器裝配和前懸架系統(tǒng)裝配系統(tǒng)中，以位置度公差控制為主；在車身懸架連接件前后副車架的沖壓、焊裝，車身門蓋裝調(diào)匹配、車身頂蓋與側(cè)圍總成、行李箱蓋上下外板及燃料電池極板的激光焊接就結(jié)合了位置度和面（線）輪廓度的公差控制，并結(jié)合工藝過程特點(diǎn)需要進(jìn)行復(fù)合公差控制。

2.邏輯關(guān)系

1）在新品開發(fā)時(shí)，要定義產(chǎn)品的關(guān)鍵功能和關(guān)鍵特性。

2）在過程規(guī)劃時(shí)，要分析產(chǎn)品制造過程各零部件裝配關(guān)系。

3）當(dāng)試制批產(chǎn)時(shí)，要選用測(cè)量設(shè)備、儀器和測(cè)量分析軟件（MINTABLE，SpatialAnalyzer等專家級(jí)測(cè)量和分析軟件等），特別是結(jié)合SPC統(tǒng)計(jì)過程控制方法，科學(xué)地理解統(tǒng)計(jì)公差ST，并在試生產(chǎn)階段，對(duì)模夾具修整、調(diào)試、匹配以降低制造成本。

GD&T在前懸架系統(tǒng)的應(yīng)用

以麥弗遜懸架為例，對(duì)汽車制造過程中零部件偏差與裝配過程進(jìn)行分析，確定各影響因素對(duì)外傾角的影響范圍，保證四輪定位偏差以及提高整車質(zhì)量。

圖1 設(shè)計(jì)、制造與測(cè)量邏輯關(guān)系

1.GD&T在前懸架系統(tǒng)的定義

（1）裝配關(guān)系及特性分析 車架與副車架關(guān)系如圖2所示。

圖2 車架與副車架裝配關(guān)系圖

1）關(guān)鍵型面及孔位。前副車架與車身車架前底部連接的主要配合安裝面和裝配安裝孔有：孔1、2、3、4，面1、2、3、4；前下擺臂在副車架上的安裝孔有：孔5、6、7、8。

2）相關(guān)安裝孔。安裝前副車架的四個(gè)孔在發(fā)動(dòng)機(jī)艙縱梁上，其中孔3和孔4經(jīng)常出現(xiàn)偏差。安裝前減振器的兩個(gè)孔5、6在發(fā)動(dòng)機(jī)艙輪罩上。

（2）副車架的GD&T定義及基準(zhǔn)約束鏈之間的邏輯關(guān)系 副車架是連接車身、懸架、電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)及擺臂等的中間關(guān)鍵部件。

副車架的GD&T基準(zhǔn)約束鏈之間的邏輯關(guān)系如下：

1）A、D基準(zhǔn)是副車架和車身連接的四個(gè)接觸面，有高低差，作為基準(zhǔn)面，不可能是標(biāo)準(zhǔn)平面。作為共同基準(zhǔn)，把它作為一個(gè)整體，以此構(gòu)建三維空間的基準(zhǔn)平面坐標(biāo)系。

2）構(gòu)建的三維坐標(biāo)系要保證副車架與車身后左右的四個(gè)安裝點(diǎn)相對(duì)于A、D基準(zhǔn)的空間，控制在理想的位置及公差范圍。

3）根據(jù)A、D基準(zhǔn)建立B、C基準(zhǔn)，通過A、D、B、C四大基準(zhǔn)控制車身前后左右的四個(gè)安裝點(diǎn)相對(duì)于A基準(zhǔn)及D基準(zhǔn)的空間控制在理想的位置及公差范圍。

4）擺臂的前后兩個(gè)安裝孔空間位置控制也是如此。

（3）副車架的設(shè)計(jì)、制造與測(cè)量關(guān)系

1）系統(tǒng)性原則。檢具設(shè)計(jì)與夾具設(shè)計(jì)原理相同，依據(jù)GD&T的基準(zhǔn)邏輯關(guān)系，確定主定位基準(zhǔn)及輔助基準(zhǔn)，也就是第一、第二至第N基準(zhǔn)。和傳統(tǒng)過程規(guī)劃階段專門定義RPS參考點(diǎn)系統(tǒng)原理相同，只是運(yùn)用GD&T后，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段已經(jīng)根據(jù)功能、加工、裝配及檢測(cè)需要，系統(tǒng)、完整地將RPS系統(tǒng)納入產(chǎn)品數(shù)據(jù)中，這樣產(chǎn)品、工藝和測(cè)量對(duì)圖樣數(shù)據(jù)的理解就能夠保持一致。

2）測(cè)量。CMM三坐標(biāo)測(cè)量，不僅反映坐標(biāo)位置、位置度測(cè)量，還能進(jìn)行面輪廓度測(cè)量。位置度測(cè)量主要是檢測(cè)安裝孔的尺寸及位置度公差，面輪廓度主要是檢測(cè)與車身及下擺臂的安裝面的輪廓度。

GD&T在電驅(qū)系統(tǒng)的應(yīng)用

電動(dòng)汽車的電驅(qū)系統(tǒng)（見圖3）裝配后要保證電動(dòng)機(jī)花鍵套與減速器花鍵齒的同軸度（見圖4），否則影響輸出轉(zhuǎn)矩，加速軸承損壞，進(jìn)而打壞減速器齒輪、甚至殼體。

圖3 電驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 電動(dòng)機(jī)與主減速器同軸要求

1.電驅(qū)系統(tǒng)的功能及制造過程

1）從產(chǎn)品功能分析：關(guān)鍵的特性要求是電動(dòng)機(jī)花鍵套和主減速器速器的花鍵齒的同軸度。

2）從制造過程分析：要保證花鍵套和花鍵齒的同軸度，必須保證主減速器和電動(dòng)機(jī)的配合公差。

2.關(guān)鍵部件及裝配重要度

關(guān)鍵的部件是主減速器和變速器，它是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與半軸的橋梁。其次是電動(dòng)機(jī)、半軸、橋殼及其他輔助連接件。電動(dòng)機(jī)的花鍵套與減速器的花鍵齒同軸需要電動(dòng)機(jī)與減速器的裝配凸圓來保證。如圖5所示。

圖5 電驅(qū)系統(tǒng)裝配

3.關(guān)鍵零部件公差要求

減速器中有一級(jí)輸入齒輪、二級(jí)輸出齒輪、軸承及減速器殼體，相對(duì)于所有零件，其中主減速器殼體最為關(guān)鍵，它是軸承、齒輪軸等安裝載體。

特別強(qiáng)調(diào)：電動(dòng)機(jī)連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能形成過度限制，否則會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)中心線與一級(jí)輸入齒輪及花鍵齒中心線彎曲，如圖6所示。如果電動(dòng)機(jī)加強(qiáng)連接件上下方向安裝孔設(shè)計(jì)成圓孔，那么一旦安裝時(shí)將電動(dòng)機(jī)與橋殼支架安裝板之間距離變大或變小，就會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)尾部變形，以致電動(dòng)機(jī)軸線和一級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸不同軸。

圖6 主減速器速器結(jié)構(gòu)示意

主減速器結(jié)構(gòu)特性及裝配過程分析及公差定義

主減速器結(jié)構(gòu)如圖7所示。關(guān)鍵零件是主減速器，它與橋殼裝配后，通過定位凸臺(tái)與電動(dòng)機(jī)裝配定位圓配對(duì)，保證電動(dòng)機(jī)輸出軸與減速器輸入軸同軸。

1.功能特性分析

1）主減速器輸入軸與電動(dòng)機(jī)花鍵套需要定義同軸要求。

2）主減速器與橋殼及電動(dòng)機(jī)安裝面的平面度要求需要定義。

3）主減速器一、二級(jí)齒輪軸中心之間相對(duì)位置及平行度需要定義。

4）主減速器一、二級(jí)齒輪軸中心與殼體底面相對(duì)位置及平行度需要定義。

5）主減速器一、二級(jí)齒輪軸中心與殼體電動(dòng)機(jī)安裝端面的垂直度需要定義。

2.主減速器殼體的形位公差要求

1）主基準(zhǔn)面A為減速器與橋殼裝配面，其平面度要求為0.05mm；該基準(zhǔn)為加工、測(cè)量和裝配的主要基準(zhǔn)。

2）第二基準(zhǔn)面B為電動(dòng)機(jī)與減速器殼體裝配面，其平面度要求為0.05mm。

3）第三基準(zhǔn)面C為電動(dòng)機(jī)和主減速器裝配時(shí)的配對(duì)圓柱面，需定義圓度要求。

4）電動(dòng)機(jī)配對(duì)的定位凸臺(tái)與輸入軸軸心線也可以作為一個(gè)基準(zhǔn)C。第三基準(zhǔn)C與第一基準(zhǔn)A之間有相對(duì)位置要求，當(dāng)基準(zhǔn)模擬體與A面有差異時(shí)，基準(zhǔn)C必須與基準(zhǔn)模擬體的切面平行，且距離為212mm?；鶞?zhǔn)C和基準(zhǔn)D共軸線，但其加工工序不同，對(duì)二級(jí)輸出軸的軸承安裝孔約束也不一樣。

5）第四基準(zhǔn)D對(duì)輸出軸軸承安裝孔的公差帶有限制要求，其公差帶中心與D基準(zhǔn)平行，且公差帶中心距離D基準(zhǔn)為106mm。

6）減速器殼體涉及加工及裝配關(guān)聯(lián)的主要GD&T的公差標(biāo)注如圖7所示。

圖7 殼體GD&T的公差標(biāo)注

3.基準(zhǔn)約束鏈的邏輯關(guān)系

圖8是一份簡(jiǎn)化的殼體主要功能需求，A、B、C、D各基準(zhǔn)的定義及基準(zhǔn)約束鏈的邏輯關(guān)系示意圖。

圖8 基準(zhǔn)鏈約束鏈邏輯關(guān)系示意

1）首先確定基準(zhǔn)A面的形狀公差，即平面度要求，也是后續(xù)加工、裝配和測(cè)量的主基準(zhǔn)。當(dāng)該面加工后，其表面是高低不平的凹凸面，擬合最高的凸點(diǎn)做切面，這就是基準(zhǔn)模擬體表面（相當(dāng)于CMM測(cè)量的大理石平板），既是后續(xù)加工的基準(zhǔn)面，也是實(shí)際的測(cè)量基準(zhǔn)面。

2）根據(jù)“天賦極權(quán)”原則，基準(zhǔn)B面是與電動(dòng)機(jī)端面配合面，所以該面也有平面度要求。同時(shí)B面與A面有位置度要求，所以B面與基準(zhǔn)A面垂直，在實(shí)際加工過程中也是如此。在測(cè)量過程中,定義B基準(zhǔn)時(shí)，B基準(zhǔn)面必然垂直于A基準(zhǔn)面。

3）基于同樣原理，基準(zhǔn)C的軸心線和基準(zhǔn)D軸心線與基準(zhǔn)A平行，且垂直于基準(zhǔn)B（注意：此時(shí)基準(zhǔn)模擬體是一個(gè)垂直于B基準(zhǔn)面的最小外切圓孔和最小內(nèi)切圓柱）。

4）第四基準(zhǔn)D，平行于基準(zhǔn)A，并與基準(zhǔn)A平面的理想距離為212mm，垂直于基準(zhǔn)B，與基準(zhǔn)C同軸。

5）輸出軸軸承安裝孔的不作為基準(zhǔn)，僅為被測(cè)要素，它與基準(zhǔn)A平行、與基準(zhǔn)B垂直，與基準(zhǔn)C-D平行，且公差帶中心與C-D基準(zhǔn)中心線理想距離為106mm。

6）注意B基準(zhǔn)面先與A基準(zhǔn)面垂直，逼近實(shí)際輪廓的最高點(diǎn)。而不是簡(jiǎn)單的垂直，其余C、D基準(zhǔn)做法以此類推。

4.GD&T測(cè)量時(shí)基準(zhǔn)約束和要素測(cè)量

GD&T是基于對(duì)功能展開、實(shí)際加工裝配過程和測(cè)量過程的模擬，特別是三維設(shè)計(jì)技術(shù)及CMM三坐標(biāo)測(cè)量及測(cè)量軟件技術(shù)的發(fā)展，GD&T的更新也和三維設(shè)計(jì)、三維測(cè)量技術(shù)同步進(jìn)行。

GD&T在車身激光焊接工程全過程的應(yīng)用

車身激光焊接匹配面如圖9所示。由于激光焊接對(duì)板材材質(zhì)、覆蓋件精度、焊裝夾具、機(jī)器人運(yùn)行軌跡及焊縫實(shí)時(shí)監(jiān)控、跟蹤和調(diào)整，模具、夾具、檢具及激光焊接設(shè)備要求極為嚴(yán)苛，一旦在沖壓、焊接過程中任何一環(huán)出現(xiàn)問題，便會(huì)出現(xiàn)漏焊、焊穿、縫隙等缺陷。

圖9 車身激光焊接的匹配面

1.影響車身激光焊接的因素

1）對(duì)車身薄板件激光焊接的關(guān)鍵特性缺乏理解。

2）對(duì)沖壓、焊接工序的關(guān)鍵工藝過程（見圖10）缺乏有效控制。

圖10 沖壓、焊裝關(guān)鍵工序過程

3）對(duì)車身頂蓋和側(cè)圍的表面輪廓度要求及彼此的位置關(guān)系不理解，對(duì)如何進(jìn)行補(bǔ)償和匹配缺乏有效策略。

2.車身結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵工藝分析

（1）車身頂蓋激光焊接結(jié)構(gòu)分析 車身頂蓋與側(cè)圍外板的貼合長(zhǎng)度2200mm。模具制造、側(cè)圍總成焊接、頂蓋焊接各個(gè)階段，影響貼合縫隙的因素較多，深入理解激光焊接處結(jié)構(gòu)關(guān)系，對(duì)如何在過程規(guī)劃階段早期控制其關(guān)鍵孔位、型面非常重要。

從結(jié)構(gòu)分析來看：側(cè)圍與頂蓋貼合邊，側(cè)圍型面控制是關(guān)鍵，因?yàn)橥獍搴穸葹?.7mm，側(cè)圍單件即便符合公差要求，也滿足激光焊接的極差要求，但其強(qiáng)度和剛性差，在裝焊過程中受內(nèi)板影響很大，這就要求必須嚴(yán)格控制側(cè)圍焊接的5道工序，當(dāng)全部焊接完成，形成剛性體后才不會(huì)產(chǎn)生新的波浪變形。

按照傳統(tǒng)的尺寸公差，通過極差法來控制側(cè)圍和頂蓋型面的偏差；要求T≤±0.5mm；在導(dǎo)入GD&T之前，模具、夾具、檢具設(shè)計(jì)，在工藝方面采用頂蓋和側(cè)圍搭接面的極差R≤±0.1mm；當(dāng)二者取上下極限偏差時(shí)，如果極差在0.1mm，在焊接過程中還能通過定位塊予以調(diào)整，保證其貼合面間隙偏差不大于0.35mm。

控制要點(diǎn)：焊接邊長(zhǎng)度2200mm，面輪廓度偏差在±015mm內(nèi)。在這里可以采用ST 統(tǒng)計(jì)公差，當(dāng)公差值偏向某一側(cè)，概率＞80%，模面修整以此為基準(zhǔn)，可以減少模具修整工作量（后續(xù)焊裝可以調(diào)整到合適位置）。

（2）關(guān)鍵的側(cè)圍總成焊接工序 如圖11所示，從側(cè)圍總成關(guān)鍵焊接工序來看，會(huì)產(chǎn)生以下問題：外板左右竄位，如果不規(guī)則，會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)距離間隙不均勻。

圖11 側(cè)圍總成控制

（3）關(guān)鍵的車身骨架合裝工序 如圖12所示，總拼工序是指頂蓋預(yù)裝，在頂蓋后部進(jìn)行電阻焊點(diǎn)定，保證頂蓋定位要準(zhǔn)確。夾具關(guān)鍵控制點(diǎn)如圖13所示，當(dāng)夾具打開后，會(huì)有一定的偏移量，但不會(huì)影響最終位置，后續(xù)還有一次定位和頂蓋壓緊。

圖12 總拼工序示意

圖13 MB80合拼夾具關(guān)鍵控制點(diǎn)

3.車身關(guān)鍵部件的GD&T的定義

（1）產(chǎn)品特性和過程特性分析 產(chǎn)品的關(guān)鍵特性在于激光焊接連續(xù)完整美觀，關(guān)鍵是保證密封及強(qiáng)度。零部件過程特性表現(xiàn)在頂蓋、側(cè)圍是柔性件，其在沖壓和焊接過程中不斷組合、變化，由柔軟件到剛性件逐步演變，且各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵要素必須控制到位。

（2）定義 基于車身關(guān)鍵特性和過程特性，確定第一基準(zhǔn)后，依據(jù)需要控制要素的需求，第二基準(zhǔn)、第三基準(zhǔn)等。僅以側(cè)圍總成基準(zhǔn)和關(guān)鍵型面來討論，車身總成是一個(gè)大范圍的立體空間，采用基準(zhǔn)借用的方法。總拼夾具的BASE板（底板）及兩側(cè)BASE板構(gòu)成，將另行討論。

GD&T產(chǎn)品定義明確，結(jié)合車身覆蓋件的特點(diǎn)，首先保證面輪廓度最終控制在±0.15mm（見圖14），基于最大實(shí)體原則，和焊裝工序的可調(diào)整性，適當(dāng)降低定位位置度要求。其主要作用是：保證激光焊接的匹配要求；降低模具制造的過剩公差要求；減少模具制造成本；縮短模具調(diào)試周期。

圖14 GD&T面輪廓度公差定義說明

4.側(cè)圍單件基準(zhǔn)約束鏈的邏輯關(guān)系

為說明基準(zhǔn)約束鏈之間的關(guān)系，選取側(cè)圍上主要基準(zhǔn)以及與焊接型面相關(guān)的基準(zhǔn)予以說明（見圖15）。

圖15 基準(zhǔn)約束鏈關(guān)系

（1）第一基準(zhǔn)A定義：在側(cè)圍A柱的主定位孔，不僅是單件，也是側(cè)圍總成、車身骨架上的基準(zhǔn)孔，在制造過程中，是模、夾、檢具的主基準(zhǔn)。

限制：基準(zhǔn)軸心垂直于YZ面，它有X、Z方向的位置自由度（如果剛性體，可以限制方向，Y方向旋轉(zhuǎn)）。

（2）第二基準(zhǔn)B定義：在側(cè)圍后部的主定位孔，受A基準(zhǔn)約束，它的位置度公差帶是一個(gè)直徑為φ0.1mm的圓柱，且平行于A基準(zhǔn)軸心線。

限制：B基準(zhǔn)軸心線平行于A基準(zhǔn)軸心線或與A基準(zhǔn)軸心線垂直的面相垂直，公差帶為直徑為φ0.1mm的圓柱，它有X、Z方向的位置自由度（如果剛性體，可以限制方向，Y方向旋轉(zhuǎn)）。

（3）第三基準(zhǔn)C定義：在側(cè)圍中部的主定位孔，受A基準(zhǔn)和B基準(zhǔn)約束，它的位置度公差帶是一個(gè)直徑為φ0.1mm的圓柱，且平行于A基準(zhǔn)和B基準(zhǔn)軸心線。

限制：C基準(zhǔn)軸心線平行于A和B基準(zhǔn)軸心線或垂直于A和B基準(zhǔn)軸心線垂直的面，它有X、Z方向的位置自由度（如果剛性體，可以限制方向，Y方向旋轉(zhuǎn)）。

（4）第四基準(zhǔn)目標(biāo)D定義：激光焊接型面長(zhǎng)度2200mm，為保證側(cè)圍沖壓件測(cè)量的準(zhǔn)確性及在側(cè)圍焊接過程中的穩(wěn)定性和一致性，確定了約20個(gè)基準(zhǔn)目標(biāo)，來控制側(cè)圍外板在焊接過程中竄位。

限制：它受基準(zhǔn)A、B、C限制。

（5）第五基準(zhǔn)目標(biāo)E定義：控制整個(gè)側(cè)圍面，為了保證側(cè)圍沖壓件測(cè)量的準(zhǔn)確性和側(cè)圍焊接過程中的穩(wěn)定性和一致性，確保側(cè)圍大面受到定位限制，焊接后不至于變形過大。

限制：它受基準(zhǔn)A、B、C限制，相對(duì)于D基準(zhǔn)獨(dú)立。

（6）基準(zhǔn)約束鏈的總結(jié) 基準(zhǔn)A、B、C構(gòu)成空間坐標(biāo)基準(zhǔn)，控制側(cè)圍總成的相對(duì)位置，限制其他所有的基準(zhǔn)和基準(zhǔn)目標(biāo)。車身部件直接受基準(zhǔn)A、B、C限制，不僅要保證型面位置正確，也要保證其位置在規(guī)定的位置公差內(nèi)：面輪廓度公差帶3mm的浮動(dòng)面，既控制方向，也控制位置，面輪廓度公差帶1.6mm僅控制方向，它可以在公差帶3mm的范圍內(nèi)浮動(dòng)，面公差帶公差0.3mm表示型面的面輪廓度可以隨1.6mm公差帶在3mm的公差帶內(nèi)浮動(dòng)。

結(jié)語

在系統(tǒng)集成、加快產(chǎn)品開發(fā)速度、規(guī)避項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)、降低制造成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量方面，GD&T/GPS提出了系統(tǒng)性及邏輯性極強(qiáng)的解決方案。其核心理念是在充分進(jìn)行產(chǎn)品功能展開的基礎(chǔ)上，模擬實(shí)際加工、檢測(cè)過程，并將加工工藝的可實(shí)現(xiàn)性、測(cè)量方案的可行性集成到一起，進(jìn)行先期分析和綜合完整的考慮。它是促進(jìn)機(jī)械工業(yè)發(fā)展的重要工具，無論是基礎(chǔ)裝備、航天航空、汽車及電子技術(shù)等行業(yè)，都必然會(huì)得到廣泛應(yīng)用。