關于汽車零部件空間定位設計的研究

于金生，張浩，李龍

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000;2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

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關于汽車零部件空間定位設計的研究

于金生1,2，張浩1,2，李龍1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000;2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

摘要：無論是汽車，還是組成汽車的任一零部件，均可想象為三維空間中的一個剛體，而剛體的運動可分解為隨質心的平動和繞通過質心某直線的定點轉動，即在空間有6個自由度。汽車零部件空間定位的失效其實質就是質心在三維空間坐標中的6個自由度未限制到位，例如應該完全定位的零部件設計成欠定位，必然導致零部件的失效。對汽車塑料零部件空間坐標中定位結構的設計、定位種類選取、尺寸鏈等進行研究，以提高零部件的使用壽命，使汽車零部件空間定位結構設計達到最優。

關鍵詞：空間坐標；六點定位；尺寸鏈

0引言

汽車零部件與零部件之間配合結構的失效其實質就是三維空間坐標系中剛體質心某一項自由度定位的失效。汽車及其汽車零部件均是在三維空間坐標系中進行設計，任何一個汽車零部件的質心既有平動自由度又有轉動自由度。剛體質心的位置，需3個獨立坐標，即X軸、Y軸、Z軸。同時自由剛體有3個平動自由度，剛體繞通過質心軸的轉動，共有3個轉動自由度。所以，任何一個汽車零部件共有6個自由度，即3個平動自由度和3個轉動自由度。零部件與零部件之間牢固的配合定位就是消除零部件空間自由度的效果。

1空間直角坐標系

為了更好地體現汽車上各個零部件之間的相對空間坐標位置，更好地解決汽車零部件之間的配合關系，無論是汽車前期模型設計、中期的三維結構設計還是后期整車精度測量等都是在三維空間坐標系中進行的。

1.1空間坐標定義

三維空間坐標是相對于二維空間坐標而言的，在二維空間平面內X軸與Y軸相互垂直，且相交于坐標原點O。過坐標原點O做一條垂直于XY軸組成平面的軸線，即Z軸。X軸、Y軸、Z軸3條坐標軸組成的坐標系即為空間坐標系。由原點O、X軸、Y軸組成的平面為OXY平面。由原點O、X軸、Z軸組成的平面為OXZ平面。由原點O、Z軸、Y軸組成的平面為OZY平面，在空間坐標系中3個平面相互垂直。三維空間的X軸、Y軸、Z軸用來說明三維空間中的物體相對原點O的距離關系。

1.2空間坐標在汽車中的應用

汽車設計也是在空間坐標系中進行的，整車坐標系如圖1所示。駕駛員的前后方向為整車的X向，從前向后為X向正方向，記為+X向，從后向前為-X向，“-”不可省略；整車的左右方向為Y向，主駕駛到副駕駛側為+Y向，從副駕駛側到主駕駛側為-Y向；整車的上下為Z向，從下向上為+Z向，相反為-Z向， 如圖1所示。

一個尚未定位的汽車零部件，其位置是不確定的。將未定位的零部件放在空間直角坐標系中，零部件可以沿X、Y、Z軸移動到不同的位置，也可以繞X、Y、Z軸轉動到不同的位置，所以要想汽車零部件之間相互配合良好就必須限制零部件空間6個自由度。零部件空間自由度限制需遵循能用點不用線限制、能用線不用面限制的原則。汽車零部件設計最優狀態為6個定位點限制6個自由度，即六點定位原則。用“六點定位”分析零部件的定位時，應注意：

(1)6個定位點限制零部件的6個自由度原則上是6個定位點與零部件零距離限制，但在汽車設計過程中，考慮到零部件的翹曲變形問題不可避免，一般情況下會在定位點與零部件之間留0.1～0.2 mm的裝配公差；

(2)六點定位不能理解為零部件的空間自由度就需要6個定位點來限制，因為在設計過程中需考慮零部件的強度問題，可能多于6個定位點也可能少于6個定位點，也就是在下面要講解的欠定位和過定位原理。

圖1　整車坐標系

1.3空間結構定位設計

汽車塑料零部件空間結構定位設計主要分為以下兩個方面：(1)塑料零部件與車身鈑金零部件的定位設計。在汽車內外飾設計中，塑料零部件大部分均固定于車身結構，例如車門飾板與車門內鈑金卡扣卡接、儀表板與儀表板加強梁螺接等。無論采用何種定位方式均需滿足零部件的性能、功能等，且使空間結構定位設計簡單化。在結構定位方式選取時，優先利用零部件的自身重力采用Z向定位，同時Z向定位也利于零部件的裝配和拆卸。(2)塑料零部件之間的結構定位設計。零部件之間空間結構定位的失效一方面體現在零部件的功能失效，而相對于內外飾模塊主要體現在外觀品質方面，即零部件與零部件之間配合的段差。因此零部件空間結構設計不能只單獨考慮安裝方式，必須綜合考慮[1]。

2零部件空間定位分類

零部件之間的定位根據不同的定位種類可分為完全定位、不完全定位、欠定位和過定位。在結構設計時需根據不同的情況選擇不同的定位種類。

2.1零部件的完全定位

零部件的完全定位是指汽車零部件在空間坐標系中的位置是唯一的，且6個自由度完全被相互配合的零部件所限制，完全定位是零部件裝配較理想的狀態。

完全定位也是汽車零部件固定方式中較常用的定位方式。如圖2所示，為汽車副儀表板上兩個開關堵蓋，通過前后兩個懸臂梁與副儀表板卡接固定，見圖2(a)、(b)。開關堵蓋通過懸臂梁卡接限制堵蓋Z向自由度，防止堵蓋上下移動。通過中間加強筋限制Y向自由度，開關堵蓋輪廓寬度限制X向自由度，如圖2(c)、(d)所示。空間坐標X、Y、Z自由度均被限制，開關堵蓋可牢固固定。

圖2　完全定位

2.2零部件的不完全定位

相對于汽車零部件完全定位而言，在結構設計中允許缺少的定位情況是不完全定位，不完全定位的限制點可以少于6個，而且對零部件的功能、性能等不產生影響，此種情況的結構設計是允許的。例如：汽車的扶手箱、雜物箱等零部件，其功能為可以打開關閉的儲物零部件，所以其定位為不完全定位。

2.3零部件的欠定位

零部件與零部件之間的裝配失效多來源于欠定位，即零部件6個空間自由度沒有被有效限制。如圖3(a)所示，堵蓋左右通過卡子連接周邊結構，卡接牢固為完全定位固定。圖3(b)中左側卡子改為導向安裝筋，缺失Z向卡接定位，零部件左側極易翹起，此狀態為欠定位失效效果[2]。

圖3　欠定位失效

2.4零部件的過定位

由于零部件自身的強度問題，有時一個定位點無法去限制零部件相對應的空間自由度，需要兩個或者兩個以上的定位點或線去限制零部件的自由度，此種情況對零部件的裝配精度或定位更有利，稱為過定位。一般情況下尺寸較大的易變形零部件采用過定位設計。但當過定位結構設計影響零部件的裝配和拆卸就不贊同采用。

如圖4所示，高位制動燈與尾翼配合結構采用3個固定點固定。固定點1為Z向定位，固定點2為Y向定位，固定點3為Z向定位。兩個零部件配合采用兩個Z向定位，主要考慮高位制動燈Y向距離較大，產品易變形，無法保證與尾翼周圈配合的間隙面差均勻性。Y向定位布置于制動燈中間主要是為避免殼體的收縮導致左右端點定位不均問題[3]。

圖4　過定位

3尺寸鏈

汽車零部件三維空間定位的設計僅僅是理論值，在零部件制造過程中必然存在偏差，在裝配過程中，存在誤差傳遞和積累，這對產品的尺寸質量、精度具有重要影響，同時也影響產品性能。為了評估和優化產品結構和工藝過程，降低裝配后的尺寸誤差，需要利用尺寸鏈計算和分析最后可能出現的誤差積累效果。尺寸鏈原理是在保證產品性能和技術經濟效益的原則下，分析并研究整車零部件與零部件精度間的關系或是單個零部件不同尺寸之間關系所應用的基本理論。利用尺寸鏈，可以分析確定機器零件的尺寸精度，保證加工精度和裝配精度。

汽車是由無數單個零部件裝配而成，公差會逐級積累形成多個尺寸鏈，如圖5所示，假設零部件1的公差為L1，零部件2的公差為L2，零部件3的公差為L3，這3個零部件裝配而成的總成的公差為L0，則這4個尺寸形成了1個尺寸鏈關系。

圖5　尺寸鏈

無論是零部件制造公差還是裝配公差都無法消除，而最優化的設計狀態是將公差累積到對關鍵尺寸要求不高的地方，或在零部件與零部件配合之間消化掉。如圖6所示，副儀表板上蓋板由點煙器裝飾板、換擋裝飾板、手剎裝飾板組成，3個裝飾板在Y向依次搭接裝配，而累積公差消化的地方為換擋裝飾板與點煙器裝飾板和手剎裝飾板搭接處，采用搭接配合而非對接配合，主要是為消化由于零部件尺寸收縮造成的公差累積[4]。

圖6　公差累積

4總結

零部件與零部件之間的裝配過程、配合過程實質就是三維空間坐標的定位過程。不同汽車部位的零部件、不同功能的零部件需選擇相應的定位種類及定位基準，以使結構簡單化。

(1)空間定位設計應最大程度地簡化結構，遵循能用點定位不用線定位、能用線定位不用面定位原則；

(2)盡可能將定位設計成沿Z方向進行。最簡單和期望的裝配是沿Z方向直線進行，它可以利用重力進行裝配，也更容易實現自動化。一些導向用的功能設計，比如下沉、定位柱、導向筋、卡扣等都能有助于保證零部件的裝配精度；

(3)不同部位的零部件、不同功能的零部件需根據設計狀態選擇不同種類的定位方式；

(4)最大限度地減少裝配件之間的尺寸鏈，大的尺寸鏈總誤差是由于多個尺寸鏈誤差累積而造成的，因此減少尺寸鏈是減少尺寸總鏈誤差的最好方法。減少尺寸鏈既可以從減少零部件著手，又可以從如何確定定位基準和安裝方式入手。

參考文獻:

【1】漕渡.汽車內外飾設計與實踐[M].北京：機械工業出版社，2011.

【2】博登伯杰 保羅 R.塑料卡扣連接技術[M].北京：化學工業出版社,2004.

【3】羅太澤爾 喬丹.塑料連接技術[M].北京：化學工業出版社,2006.

【4】張志軍.汽車內飾設計概論[M].北京：人民交通出版社,2008.

Research on Space Location Design for Auto Parts

YU Jinsheng1,2,ZHANG Hao1,2,LI Long1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000, China;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000, China)

Abstract:Whether it is a car or a composition of any parts of the car, all of them can be imagined as a rigid body in the three-dimensional (3D) space. While the motion of a rigid body can be decomposed into the translation with the centroid and fixed-point rotation around a line through the centroid,namely it has six degrees of freedom (6DOFs) in the coordinate space. The essence of the spatial location failure of auto parts is that the 6DOFs of the centroid in three-dimensional (3D) space are not restricted in place. For example, the parts which should be positioned completely is designed to be under position,so parts failure is inevitable. The space coordinate positioning structure design, positioning type selection, dimension chain and other aspects of automotive plastic parts were researched,so as to improve the service life of the parts,and to make auto parts space positioning structure design optimize.

Keywords:Spatial coordinates; Six point positioning; Dimension chain

收稿日期：2015-08-09

作者簡介：于金生(1981—)，男，大學專科，工程師，從事汽車整車項目開發工作。E-mail：zhanghao198594@126.com。

中圖分類號:U47

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)01-058-03