轿车车身功能尺寸系统优化设计及应用研究

轿车车身功能尺寸系统优化及应用研究 泛亚汽车技术中心有限公司 曾 贺 胡 敏 上海交通大学机械与动力工程学院 金 隼 从上世纪90年代以来，通过以“2mm工程”为代表的统计质量管理方法在整个汽车领域的应用和全面推广，已经使得全球的整车制造水平在过去的20年中整体提升了一个台阶。但随着汽车构造越来越复杂以及客户对汽车的质量要求越来越高，各汽车企业都已逐步认识到，整车质量的形成不仅与生产制造过程有关，还与包括产品设计在内的其他许多过程、环节和因素密切相关。只有将影响质量的所有因素全部纳入到质量管理中，并保持系统、协调的运作，才能确保整车的高质量。因此，全面质量管理的理论也就应运而生，而在全面质量管理方法中，设计质量又是重中之重。 在此背景下，近年来，功能尺寸这 一过去仅用于生产制造阶段，监控车身 尺寸偏差的工具被逐步扩展应用到了产 品设计阶段。所谓功能尺寸(Functional Dimension)就是指“从一般产品尺寸特 征中选择出来的一部分反映产品重要功能而且必须保证的尺寸”，它是由德国大众在上世纪90年代率先提出，并全面推广的概念。相对于传统的整车尺寸检测控制方法，功能尺寸在车身尺寸偏差控制方面有着“直观、效率高、与整车质量表现关联性强”等特点。 目前，国内企业在车身尺寸偏差监控方面，应用的功能尺寸控制标准主要是直接从国外引进，或者是工程师在实际生产中根据经验而定义的，至今国内还没有一套系统是针对功能尺寸从设计到验证再到应用的完整开发流程。但随着国际合作的增加，以及自主开发的不断深入，越来越多的汽车企业在设计过程中开始运用功能尺寸这一工具对设计进行优化，功能尺寸的设计开发也因此得到了各个整车企业的重视。 车身功能尺寸系统概述 1.车身功能尺寸的分类 功能尺寸按照不同的用途大致可分为:产品功能尺寸、基准功能尺寸和控制功能尺寸三大类。 (1)产品功能尺寸，是指为了保证下一级装配质 量而在上一级零件、分总成、总成上规定的功能尺寸， 是从整车性能要求中分解出来的对各总成、分总成和 零件的关键特征的相对公差要求。通过产品功能尺寸 的定义，可确定总成、分总成和零件的设计目标，驱 动总成或分总成中所有零件的结构关系、定位策略、 工艺过程、公差要求等的设计。 (2)基准功能尺寸，是指为了保证产品功能尺寸， 而在下一级的分总成、总成上对上一级的零件、分总成、总成的基准提出的公差要求。实现基准功能尺寸的主要方法就是在汽车产品设计和制造 过程中全面贯彻整车基准一致性原则。基准功能尺寸的定义，是对产品功能尺寸的进一步分解，它确定了工艺设计的目标，指导了工装设计、工装精度、焊接顺序和零件定位策略的选择。 (3)控制功能尺寸，是指为了监控本一级装配中工装夹具对整车尺寸的影响而规定的功 主要是从零件上比较能反映工装夹具偏差的敏感特征中选出的。 能尺寸。它 2.车身功能尺寸的应用优势 功能尺寸的作用主要有两个，一是在设计过程中明确设计目标从而指导设计优化;二是在监控过程中简化数据分析。 功能尺寸的优点同样可以分为两方面:1)在设计过程中，可以通过功能尺寸，将整车的总体设计目标分解到对关键尺寸特征的相对要求，从而可以明确具体目标并指导结构和工艺设计及优化，减少不必要的对单点精度的要求;2)在监控过程中，因为功能尺寸过滤了因工件的整体定位偏差所引起的测量误差，所以更有助于数据分析，也使功能尺寸具有了与整车质量表现相关性较强的特点。通过对功能尺寸的分析，将能更准确、更快速，更直观的分析出质量缺陷的根本原因，从而明确改进方向和确定改进方案。 车身功能尺寸系统设计方法 与控制功能尺寸主要用于常规生产阶段对产品日常监控不同，产品功能尺寸和基准功能尺寸，在整车开发过程中，始终从不同的角度驱动和指导着整车、总成、分总成以及零件的设计和验证。 1.功能尺寸定义 功能尺寸从定义到应用的步骤大致可分为:功 能尺寸定义、功能尺寸设计、功能尺寸验证和功能尺 寸监控。 功能尺寸的定义的主要工作分为:功能尺寸的识 别、公差目标的设定以及公差目标的继续向下一级分 解。其中，识别功能尺寸是指把影响整车性能的关键 尺寸关系从所有的整车尺寸要求中挑选出来，并设定 目标加以控制。以外观匹配为例，普通轿车大概有将 近200个左右的外部匹配特征，其中客户高关注的特 征大概有40~50个左右，比如，前照灯与发动机盖、 前照灯与前防撞杆、前照灯与翼子板、翼子板与发动 机盖、前门与后门、尾灯与后盖、后盖与侧围、后盖 与后防撞杆等配合(如图1所示)。 当这些客户高关注的配合被挑选出来以后，就需要通过尺寸链分析，将影响这些配合的关键尺寸关系识别出来，定义为功能尺寸，并设定公差作为设计目标。然后，以此公差作为目标，通过尺寸链分析继续逐级向下分解，以确定各级总成、零件的设计目标(如图2所示)。 2.功能尺寸设计 功能尺寸设计是指在功能尺寸的目标设定完成以后，通过产品设计和工艺设计，从产品结构和制造工艺上实现前期定义的功能尺寸的公差目标。功能尺寸设计过程中，产品设计 和工艺设计是相互协调和同步进行的，针对不同的设计方案可通过功能尺寸验证进行方案选择和优化。 3.功能尺寸验证 功能尺寸验证是指对通过数学建模的虚拟方法或小批量样车试制对产品结构设计、基准策略、公差要求、工艺方案等进行试验和优化改进。 (1)虚拟验证一般是在产品设计和工艺设计前期通过数学方法对设计方案进行评估、选择和优化。目前使用的数学方法主要有均方根法和蒙特卡罗法。 本文中所涉及的虚拟验证都是指基于蒙特卡罗 法的3DCS商用软件所作的数学分析。蒙特卡罗算法 的基本思想是:当求解问题是某种随机事件出现的概 率，或者是某个随机变量的期望值时，可以通过某种 “实验”的方法，以这种事件出现的频率估计这一随 机事件的概率，或者得到这个随机变量的某些数字特 征，并将其作为问题的解。3DCS软件就是基于这个基 本思想，通过N次抽样，对蒙特卡罗模拟值与正态分 布积分的误差可按下式进行估计: 式中，σ为标准差;λ是与置信水平有关的参数; 根据公式可以看出抽样次数N越大，分析误差越小; 整车尺寸公差分析过程中，N一般选取5000~10000 次。 (2)样车验证是指在设计基本完成后，正式生产前通过小批量的样车试制，对产品设计和工艺进行评估和改进。 因为前期利用数学方法所作的虚拟分析都是基于一定的假设条件下所完成的，在实际情况中，这些假设条件都会有一定的偏差，所以，在样车验证过程中，结合实际的整车表现和功能尺寸的数据进行数据分析，对设计之初设定的功能尺寸初始公差目标进行修正是必不可少的环节。 4.功能尺寸监控 与常规的车身尺寸监控方法只监控单点的位置不同，功能尺寸监控方法是对多个测点之间的空间关系进行数据分析和诊断控制的，这种监控方式更直观、更便于故障诊断。因为三坐标测量仪所输出的测量结果都是单点的空间坐标，所以在使用功能尺寸监控方法时，需要对原始的三坐标数据进行数学处理，才能得到功能尺寸的实际值，从而用于故障诊断。 轿车发动机盖的功能尺寸设计实例 以某车型的发动机盖功能尺寸设计为例对功能尺寸设计过程进行说明。在设计之初，首先需要确定发动机盖区域的设计目标。发动机盖与尺寸相关的整车性能，主要就是发动机盖和翼子板(如图3所示)的间隙和平整度匹配，根据整车设计要求，此处的匹配目标设定为间隙和平整度公差均为+/-1mm。 1.传统设计方法的尺寸链分析 如果按传统方法设计，即通过控制发动机盖、翼子板的定位点、安装点在绝对坐标下的公差，以实现设计目标，则分解到各个总成、分总成、单件的尺寸要求会比较严，制造成本和制造难度也比较大。利用3DCS软件对各级公差进行虚拟分析，各级总成、分总成、单件的尺寸要求如图4所示。 2.基于功能尺寸的尺寸链分析 如果按功能尺寸方法设计，可将左、右两个翼子板的前后位置差、左右距离、高低位置差定义成三组功能尺寸，作为影响因素加以控制，并将这三组功能尺寸作为子总成的设计目标(如图5所示)。根据3DCS分析结果，对各级总成、分总成、单件的尺寸要求如图6所示。 从设计目标中分解出来的三组功能尺寸中，前后位置差、左右距离的目标很容易通过使用整体式的翼子板安装工装得以实现，从而减少了白车身偏差对最终匹配的影响，降低了制造难度和制造成本。 左右翼子板的高低位置差，则可以转换为白车身上翼子板高低定位面的高低位置差加以控制。为此在白车身设计中，制定的前舱上侧梁的定位策略和工艺方案为:在焊接工装上，将翼子板的高低定位面作为前舱上侧梁的高低定位面;在工艺上，将前舱上侧梁的焊接工位安排在总拼之后，以减少焊接过程中带来的偏差。 3.结果对比 从该车型样车试制的数据分析来看，如果各组功能尺寸都能满足设计要求，而白车身单点最大偏差在+/-3.69mm的情况下，发动机盖与翼子板匹配仍可以达到设计目标。而如果用传统的设计和控制方法，要达到同样的设计目标，白车身单点公差就必须控制在+/-0.9mm以内。因此，从这个例子可以看出，在利用了功能尺寸的设计理念以后，将原来相对较严的白车身单点要求转换成了三组功能尺寸要求，这样在保证最终整车匹配的前提下，使产品和工艺方案更具有针对性，同时也减少和降低了一些不必要的白车身要求，降低了制造难度和成本。 结束语 虽然，目前国内大部分企业对功能尺寸的应用还主要停留在监控环节，但随着国际上汽车质量管理方法从统计质量管理向全面质量管理的转变，也已经有部分国内企业开始尝试在整车设计环节和制造环节中全面应用功能尺寸了。在设计环节中，引入功能尺寸的概念，并结合三维偏差建模，可在确保设计要求的前提下，对产品结构和工艺方案进行优化，大大降低制造难度和制造成本，使整车设计更加合理。在制造环节中，应用功能尺寸，则可更准确、更快速，更直观地分析出质量缺陷的根本原因，从而快速地改进质量。因此，功能尺寸的开发和应用将是实现整车2mm工程控制目标的重要手段。 本文所列公式请参看《汽车与配件》NO.37相关文章