尺寸工程在車身制造過程中的應用

楊冬冬 李會

摘要 分析國內外尺寸工程的發展情況，利用尺寸鏈計算及公差分析軟件對某車型開發過程中車身零部件尺寸鏈進行合理的設計與分析計算。計算結果表明：原設計存在較大偏差，不能滿足精度要求，運用尺寸工程分析計算并優化后的參數則符合條件，可實現提高車身的結構和工藝設計質量的目標。

【關鍵詞】車身；尺寸工程；制造精度

前言

白車身（車身本體）由梁、支柱及加強板等車身結構件和車身覆蓋件組合而成，包括翼子板、車門、發動機罩和行李箱蓋等部件，它是車身內外裝件和電子電氣附件的裝載基體，是極其重要的總成[1]。白車身制造所涉及的學科領域眾多，包括人機工程、造型設計、空氣動力學和振動噪聲等，研究難度很大。白車身制造成本占整車的40%～60%，通常由300～500多個具有復雜空間曲面的薄板沖壓而成，經過近百個焊接工位在生產線上大批量、快節奏地焊裝，其中裝夾定位點有1700～2500個，焊點更是多達4000～5000個[2]。白車身復雜的曲面結構涉及到各種偏差，分為設計偏差、零部件制造偏差與裝配過程偏差[3]，這些偏差會直接影響車身的質量，進而影響整車的外觀、性能，甚至可能引發安全問題。因此，提高車身制造精度已成為汽車企業亟待解決的重要任務之一。

為了減少車身的制造偏差，需要提高沖壓件的精度。但是沖壓件的精度受到工藝能力限制，整車廠流水線成本動輒上百、上千萬，如果短時間內為其更換高精機器將會給企業帶來沉重的資金壓力，必然導致每輛車的生產成本大幅度提高，消費者也未必愿意接受。

1尺寸工程

汽車領域的尺寸工程是一個包括產品外形設計、產品工裝設計及零部件制造和裝配全過程的系統概念。它可以解決很多實際問題，比如產品裝配過程中經常遇到的裝配干涉問題。每個零件的各個尺寸都可能存在制造誤差（公差），這些誤差在產品裝配過程中會產生積累，直接導致裝配干涉或裝配困難。而尺寸工程在設計階段就將制造誤差考慮進去，可以避免這類問題的發生，并能提高生產制造階段車身尺寸偏差監控效率和診斷能力。另外，利用尺寸工程對車身結構、工藝、制造和管理等各個步驟進行尺寸與公差系統優化，對縮短新產品開發周期、提高裝配尺寸精度、降低開發成本、保證大批量制造質量的穩定和持續改進有很大的實際意義[4]。

近年來，我國很多汽車企業也開始重視尺寸工程研究，但現有尺寸工程團隊只能同時支撐少數幾個車型白車身的設計工作，在內外飾、底盤及電裝領域，尺寸工程的能力都不足。而且，國內尺寸工程的主要工作集中在產品生產制造階段，對研發階段白車身零部件的精度設計與分析計算較少。

2尺寸工程流程

2.1尺寸工程流程介紹

首先對汽車覆蓋件表面進行打磨，且在打磨過程使用細霧狀水流對汽車覆蓋件的打磨處進行清洗，得到表面光滑的汽車覆蓋件。其中，對汽車覆蓋件表面進行打磨時需要在密閉空間內進行，且在打磨之前，需將汽車覆蓋件固定在內襯套上，保持汽車覆蓋件表面在上，并且沒有任何部分被遮擋，然后采用水槍沖洗汽車覆蓋件表面，清除掉汽車覆蓋件表面的灰塵，之后使用干燥的布將汽車覆蓋件表面的水擦拭干凈。

1）整車尺寸目標制定（DTS）側重研究整車內外尺寸配合公差，負責關鍵間隙、面差以及通用公差、功能性要求等的制定，并根據工藝、制造能力制定目標公差。

2）定位基準及公差設計（geometry dimension and tolerance，GD&T）的目的是建立整車、零部件定位體系及形位公差。GD&T 圖紙體現了公差設計部門對汽車零部件制造公差的要求，并指導與約束工裝供應商對模、檢、夾具的設計和制造，促使實物零部件尺寸精度達到設計要求。

3）通過公差仿真分析軟件檢查初步設計的模型，判斷裝配的誤差，識別關鍵尺寸特征，從而減少零部件成本及缺陷。

4）一旦確定仿真模型，就可以試制樣品進行實際檢查，幫助主機廠監控尺寸波動情況，快速有效地進行尺寸的再次整改。

5）對零部件進行檢測、過程能力統計評價、白車身焊接總成檢測和整車內外觀尺寸評價等。

2.2尺寸工程常用分析法

目前，尺寸工程中比較常用的技術有極值法和統計分析法：

2.2.1極值法

基本公式為：

式中： 為封閉環公差； 、 、 為組成環公差。

此方法簡單高效，而且在裝配技術低時也適用，但只用于封閉環精度低或組成環數目少的情況，否則會增加制造難度和生產成本。汽車制造中常常要求精度較高，所以極值法不適用于轎車公差分配。

2.2.1統計分析法

基本公式為：

式中： 為總公差； 、 為部件公差。

此方法以概率論為基礎，計算科學，在組成環環數較多的大批量生產中優勢明顯。當達到一定環數時，每個組成環分配到的公差很小，甚至幾乎能實現完全互換。不足之處是當組成環不是正態分布時準確度會下降，不過在實際生產中，絕大多數零部件符合正態分布。因此在轎車尺寸工程平面計算中普遍使用統計分析法。

2.3尺寸工程實際案例分析

分析組成環結構，發現前罩板配合處的面輪廓公差、前罩鉸鏈總成的厚度公差和翼子板配合處的面輪廓公差都是難以避免的。由于翼子板裝配支架面輪廓公差±1.0較大，下面著重考慮能否優化翼子板和前罩板的裝配結構。結構簡單會提升精度，但本算例中翼子板和前罩分別裝在第3 個零件上，沒有形成關聯結構，所以造成尺寸鏈過長，這是偏差較大的主要原因。

圖1 所示是最終優化方案：將翼子板安裝點與前罩鉸鏈采用關聯結構，在前罩鉸鏈增加翼子板安裝面，控制燈具Z方向（沿車身垂直向上方向）。

優化后公差計算檢驗。在尺寸鏈計算及公差分析軟件中輸入各部分參數，選擇統計分析法進行計算與仿真，并對結果進行保存。采用優化結構后，前罩相對于翼子板裝配高差為±0.82，滿足精度要求，更小的誤差使得車更加美觀，并且減小了風阻、振動，也改善了車身密封性和行駛平穩性等。

結語

應用尺寸工程技術控制白車身設計精度和制造裝配質量，特別是將功能尺寸上溯到產品設計階段，可以有效提高制造精度，縮短開發周期。通過對開發過程中白車身零部件尺寸鏈進行合理的計算分析，并優化結構和工藝裝配，能保證在制造階段達到預定的質量要求。所以，對汽車工程部門來說，將尺寸工程這一理念應用到車型研發及生產過程中具有實際的指導意義。

參考文獻：

[1] 谷正氣.汽車車身現代技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2] 尹萍，劉海江.淺談影響白車身生產過程的重要因素[J].機械研究與應用，2006（1）：13-14.

[3] 胡敏.轎車車身尺寸工程概述[J].上海汽車，2002（7）：15-18.

[4] 李良，王德倫.車身公差分配工程應用[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2008（11）：16-22.

（作者單位：國能新能源汽車有限責任公司）