尺寸工程在商用車駕駛室上的應(yīng)用

齊靖 孫萬來 劉政權(quán) 付中博

（一汽解放汽車有限公司 商用車開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：商用車駕駛室 尺寸工程 尺寸鏈 公差分析 幾何尺寸與公差

1 前言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)不單單是一個(gè)工具，更是人們的一個(gè)“寵物”，甚至“伴侶”，因此人們對(duì)汽車外觀的要求也越來越高，而車身尺寸的好壞直接影響到汽車的美觀性。車身作為汽車所有零部件的承載體，其制造過程復(fù)雜、操作環(huán)節(jié)多、尺寸鏈較長，尺寸偏差從鈑金零件開始累積，并在焊接及裝配過程中不斷傳遞，最終形成較大的偏差。為了讓這些偏差可控，保證車身的質(zhì)量，就需要在車身開發(fā)過程中應(yīng)用尺寸工程來對(duì)車身尺寸公差進(jìn)行控制，并根據(jù)合理的控制目標(biāo)和有效的控制方法來進(jìn)行整改。

2 尺寸工程應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 尺寸工程基本定義

尺寸工程是實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品概念到滿足用戶需求的產(chǎn)品幾何尺寸、形狀和位置的工程實(shí)踐。尺寸工程是一個(gè)覆蓋設(shè)計(jì)、制造和裝配全過程的概念[1]。產(chǎn)品尺寸工程就是做好從策劃與概念設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)、制造、裝配等各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，并將各環(huán)節(jié)尺寸誤差降到最低，尺寸工程的使命就是要保證將上萬個(gè)零件組裝成一個(gè)用戶滿意、市場(chǎng)競爭力強(qiáng)的產(chǎn)品的一個(gè)系統(tǒng)工程。

尺寸工程是21世紀(jì)新興的一個(gè)工程領(lǐng)域，是以滿足用戶質(zhì)量需求為目標(biāo)，以尺寸精度為核心的一個(gè)系統(tǒng)工程。規(guī)范化、系統(tǒng)化的開展尺寸工程，從概念設(shè)計(jì)階段開始，到伴產(chǎn)結(jié)束，全過程對(duì)尺寸公差進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠有效降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

2.2 尺寸工程目前在乘用車上的應(yīng)用及成果

目前國內(nèi)許多乘用車廠已經(jīng)開展尺寸工程工作，如上汽、廣汽、長安、北汽、奇瑞、吉利等，都有專職尺寸工程師，對(duì)尺寸工程非常重視。個(gè)別汽車廠已經(jīng)成立尺寸工程部門，專門負(fù)責(zé)汽車尺寸設(shè)計(jì)，通過尺寸鏈計(jì)算和軟件分析，定義整車產(chǎn)品尺寸體系，并在產(chǎn)品圖紙上推廣應(yīng)用。

某自主品牌汽車，通過開展尺寸工程，系統(tǒng)地進(jìn)行公差設(shè)計(jì)及定位基準(zhǔn)的優(yōu)化，從方案設(shè)計(jì)階段開始對(duì)沖壓零件公差進(jìn)行設(shè)計(jì)，定位基準(zhǔn)統(tǒng)一合理，如車門等一些跟外觀間隙、面差有關(guān)的零部件，通過定位工裝進(jìn)行裝配，不僅能夠較好的控制整車間隙、面差，還能加快裝車節(jié)奏。近幾年該車企生產(chǎn)的汽車在外觀控制方面贏得廣大消費(fèi)者一致好評(píng)。

3 尺寸工程在商用車駕駛室上的應(yīng)用

3.1 商用車駕駛室開展尺寸工程的重要性

商用車駕駛室采用的是非承載式車身，保險(xiǎn)杠、上車踏板等安裝在車架上，駕駛室又通過懸置安裝在車架上。這樣的結(jié)構(gòu)使得駕駛室和保險(xiǎn)杠、踏板之間尺寸鏈很長，間隙、面差大且難以保證，因此需要通過尺寸工程優(yōu)化尺寸鏈和公差，保證此處間隙、面差滿足設(shè)計(jì)要求，滿足用戶的需求，保證在駕駛室翻轉(zhuǎn)和行車過程中無干涉現(xiàn)象。

商用車駕駛室比乘用車車身工況惡劣很多，尤其是自卸車、工程車駕駛室，經(jīng)常出入工地、礦山等地方。一方面外界環(huán)境塵土飛揚(yáng)，需要提高駕駛室的密封性，保證駕駛室內(nèi)的無塵環(huán)境，提升駕駛安全系數(shù)。另一方面路面崎嶇不平，需要保證駕駛室關(guān)鍵尺寸，控制好零部件精度，提升車輛操控性能。以上兩方面均離不開尺寸工程。

商用車商品評(píng)價(jià)是主機(jī)廠以用戶的視角來評(píng)價(jià)產(chǎn)品，商用車商品性評(píng)價(jià)一級(jí)指標(biāo)包括11個(gè)維度，尺寸工程影響最直接的是駕駛室外觀和內(nèi)飾（圖1）。因此尺寸工程的深度開發(fā)是保證產(chǎn)品獲得良好商品性評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要因素，是使客戶滿意的重要因素。

圖1 商用車商品性評(píng)價(jià)

3.2 商用車駕駛室尺寸工程應(yīng)用開展

結(jié)合一汽某商用車開發(fā)項(xiàng)目，在駕駛室設(shè)計(jì)、工藝分析、試制和生產(chǎn)過程中，按照尺寸工程工作流程（圖2），從尺寸公差規(guī)范（Dimension Tolerance Specification,DTS）設(shè)計(jì)、幾何形位公差（Geometric Dimensioning and Tolerancing,GD﹠T）設(shè)計(jì)、公差分析和尺寸評(píng)估4個(gè)方面開展尺寸工程工作，取得了一定的成效。

圖2 尺寸工程工作流程

（1）DTS設(shè)計(jì)

首先，DTS側(cè)重控制整個(gè)駕駛室內(nèi)外配合區(qū)域的間隙、面差尺寸公差要求。

借鑒乘用車經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮解放生產(chǎn)能力，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從滿足功能尺寸、用戶感知和工藝易于實(shí)現(xiàn)三方面討論、評(píng)審，最終定義了駕駛室前臉、側(cè)圍、內(nèi)飾和儀表板等7大板塊，合計(jì)84個(gè)標(biāo)注位置，規(guī)定了每個(gè)位置的間隙、面差尺寸公差要求，以及平行度、對(duì)稱度要求。如圖3所示，規(guī)定車門后部車門總成相對(duì)于側(cè)圍外板間隙要求8 mm，公差為±1.5 mm，平行度小于等于1.0 mm，對(duì)稱度小于等于1.0 mm，面差要求0 mm，公差為±1.0 mm，平行度小于等于1.0 mm，對(duì)稱度小于等于1.0 mm。

圖3 車門總成相對(duì)于側(cè)圍外板間隙、面差設(shè)計(jì)要求

（2）GD﹠T設(shè)計(jì)

GD﹠T包含定位基準(zhǔn)（如圖4所示）及被測(cè)要素的形狀和位置公差要求。

為了減小由于基準(zhǔn)之間相互變換產(chǎn)生的工藝誤差，遵循基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，并充分考慮基準(zhǔn)體系的延續(xù)性，確定每個(gè)零件、每個(gè)焊接分總成、每個(gè)焊接總成的定位基準(zhǔn)，使設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、沖壓基準(zhǔn)、焊裝基準(zhǔn)和檢測(cè)基準(zhǔn)有效統(tǒng)一，確保該基準(zhǔn)體系能夠在模、夾、檢具的實(shí)際應(yīng)用中都能充分發(fā)揮作用[2]。而對(duì)于一些較大、易變形的薄板件，根據(jù)沖壓分析結(jié)果和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，增加了一些輔助基準(zhǔn)，采用N-2-1（N≥3）定位方法（N-2-1定位方法是3-2-1定位方法的過定位表現(xiàn)形式，確保6個(gè)自由度被限定后再增加些輔助定位），確保零件定位穩(wěn)妥有效。

確定了基準(zhǔn)體系后，結(jié)合供應(yīng)商制造能力和以往車型的公差設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定了所有的被測(cè)要素（包括安裝孔、安裝面和焊接面以及有特殊要求的面和切邊線）的公差要求[3]。

圖4 車門外手柄加強(qiáng)板定位基準(zhǔn)標(biāo)注

（3）公差分析

采用尺寸鏈計(jì)算和三維軟件仿真相結(jié)合的方法進(jìn)行公差分析。

首先，在方案階段第一版DTS發(fā)布之后，使用均方根法（見公式（1））帶入各大總成公差經(jīng)驗(yàn)值，進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算[4]，預(yù)評(píng)估尺寸公差目標(biāo)的可達(dá)成度，及時(shí)調(diào)整DTS公差目標(biāo)，通過優(yōu)化三維數(shù)據(jù)方案降低公差目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。通過尺寸鏈計(jì)算得出尺寸鏈公差分析結(jié)果，即84個(gè)DTS位置中有31處存在風(fēng)險(xiǎn)，最大一處面差超DTS目標(biāo)公差1.83mm，無法滿足DTS目標(biāo)。均方根法公差分析計(jì)算公式如公式（1）所示。

其次，在數(shù)據(jù)階段，應(yīng)用3DCS軟件進(jìn)行三維公差分析，通過將定位和公差信息輸入3DCS軟件，根據(jù)工藝路線進(jìn)行虛擬的焊接、裝配，進(jìn)行一定樣本量的虛擬裝配[5]。針對(duì)DTS規(guī)定的間隙、面差，進(jìn)行多點(diǎn)分析求平均值，并根據(jù)多點(diǎn)分析結(jié)果計(jì)算平行度和對(duì)稱度，判斷是否滿足DTS目標(biāo)要求。如圖5所示，為某處間隙分析結(jié)果。軟件分析計(jì)算結(jié)果表明，有18處DTS位置存在風(fēng)險(xiǎn)，通過對(duì)影響公差的原因進(jìn)行尋源，并且評(píng)估各個(gè)環(huán)節(jié)在整個(gè)公差積累中所占的比重，以此為依據(jù)對(duì)工藝方案和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終優(yōu)化了13處位置，其余5處通過調(diào)整DTS目標(biāo)，以滿足最終指標(biāo)要求。

圖5 應(yīng)用3DCS軟件分析某處間隙結(jié)果

（4）驗(yàn)證與改進(jìn)

首先，定義了BIW（Body In White,白車身）的三坐標(biāo)測(cè)量項(xiàng)，共1 429個(gè)測(cè)量點(diǎn)，3 035個(gè)判定項(xiàng)，并根據(jù)前期分析結(jié)果，確定每個(gè)判定項(xiàng)的公差要求。其次，定義了整備駕駛室間隙、面差測(cè)量項(xiàng)。根據(jù)DTS圖紙要求，結(jié)合3DCS分析時(shí)定義的測(cè)量位置，確定了84條間隙上共計(jì)273個(gè)測(cè)量位置，908個(gè)判定項(xiàng)。結(jié)合乘用車合格率（合格測(cè)點(diǎn)數(shù)量/總測(cè)點(diǎn)數(shù)量）經(jīng)驗(yàn)值，初步設(shè)定合格率目標(biāo)為BIW測(cè)點(diǎn)≥90%，持續(xù)改進(jìn)指數(shù)CII（Continuous Improvement Indicator，即對(duì)象中第95%個(gè)尺寸所對(duì)應(yīng)的6σ，反映整體穩(wěn)定性）≤3；外觀間隙、面差檢查合格率≥85%，CII指數(shù)≤5[6]。

在試制階段,對(duì)20臺(tái)車輛進(jìn)行檢測(cè)，BIW測(cè)點(diǎn)合格率平均值為85.73%，CII指數(shù)為5.28。外觀間隙、面差檢查合格率平均值為82.68%，CII指數(shù)為13.57。從以上合格率和CII指數(shù)不難看出，由于試制階段樣件精度較低，且模具、夾具等尚在調(diào)試，導(dǎo)致合格率偏低，CII指數(shù)偏大，還有很大的優(yōu)化提升空間[7]。我們通過詳細(xì)分析檢測(cè)結(jié)果，逐個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行排查，從零件到總成，從模具到夾具，為49套模具和23套夾具提出調(diào)整建議。

在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段，抽樣30臺(tái)車輛進(jìn)行檢測(cè)，BIW測(cè)點(diǎn)合格率平均值為88.25%，CII指數(shù)為3.56。外觀間隙、面差檢查合格率平均值為87.92%，CII指數(shù)為8.63。相對(duì)于試制階段有了很大的提升，但仍有改進(jìn)空間，繼續(xù)對(duì)每個(gè)零件、總成的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行排查，尋找可能改進(jìn)的地方。排查了所有夾具的定位銷和壓塊，確保沒有影響定位精度的問題。

在生產(chǎn)階段，抽樣50臺(tái)車輛進(jìn)行檢測(cè)，BIW測(cè)點(diǎn)合格率平均值為91.87%，CII指數(shù)為2.39。外觀間隙面差檢查合格率平均值為89.42%，CII指數(shù)為4.98。合格率和CII指標(biāo)均滿足了最初定的目標(biāo)值，但相比乘用車還有一定的提升空間。

4 結(jié)論

通過在商用車駕駛室開發(fā)過程中對(duì)尺寸工程的應(yīng)用，一方面有效的支撐了項(xiàng)目開發(fā)，為駕駛室精度提升做出了非常大的貢獻(xiàn)。另一方面總結(jié)出商用車尺寸工程工作的經(jīng)驗(yàn)和方法，積累了一系列文件模板和零件公差設(shè)計(jì)依據(jù)。有了這些積累和經(jīng)驗(yàn)，在以后項(xiàng)目開發(fā)過程中，能夠有效降低工藝成本，縮短開發(fā)周期，生產(chǎn)出舒適性和精細(xì)化程度堪比乘用車的商用車駕駛室，更好的服務(wù)用戶。