国外汽车车身开发与制造技术

国外汽车车身开发与制造技术发布日期：[2005-3-9]共阅[202]次●东风汽车工程研究院汪卫东车身是一个品牌的标志和象征，它代表着汽车开发的水平，在汽车开发中占有主体地位。国外汽车企业在车身开发、制造方面广泛采用最先进的设计制造技术进行全新开发和超前开发，开发队伍及其组织机构的管理模式也发生了巨大的变革，使得车身的开发周期越来越短，创新的车型越来越多。众所周知，国际大型汽车集团均以家用车辆（轿车和MPV）为绝对主导产品。由于车身总成占这些车型整车总质量和成本的一半左右，并代表了公司产品的品牌形象，加之对其投资的巨大，各集团公司均把车身开发放在整车开发的首要位置。车身开发周期的长短是决定整车竞争力的大小和成本高低的关键因素。国际领先汽车集团的车身开发周期在近10年来已大幅度缩短。20世纪90年代初期，车身开发周期为3～4年，近年已减为1.5～3年，10年间缩短了近一半时间。分析其原因，开发和研究的方法、先进设计与制造技术的采用、组织管理模式的变革等方面的因素起着决定性作用。充分进行超前开发和研究造型设计的超前开发在近几届国内外汽车博览会上，各大公司纷纷推出了自己在未来5年、10年甚至15年拟推出产品的概念样车，这种使用当今技术或许根本无法制造的造型，起到了引导用户心理、预测用户对新概念车的反应的作用，也给车身设计和制造技术提出了极具挑战性的目标。结构设计的超前开发结构设计的超前开发一方面用于配合造型的超前开发，推出概念样车；另一方面可通过较长时间的超前开发，将其成果逐步移植在正在开发产品上，如翼式开启车门、组合式车身等均是经过了较长时间的超前开发。目前有关公司进行超前开发的低能耗（低风阻、质量轻）电动汽车车身可能在不久的将来实现商业化应用，另外，结构的超前开发也为汽车满足日益严格的安全法规打下良好的基础。新技术的超前研究在这方面，正、侧向安全气囊等应用技术都经历了10年或更长时间的超前研究才得以广泛应用，整车浸锌技术、双面镀层钢板、高强度车身专用钢板等均是通过和有关高校、研究所合作进行了长时间的超前开发后才得以应用的，而全塑车身、全铝承载车身构架等方面的超前研究也已见端倪。采用继承意义上的全新开发在成熟总成的基础上开发车身当一个车身开发项目真正开始时，动力总成、悬架系统等都是相当成熟可供直接选用的总成系统，这样，从试制、试验和生产准备的各个方面均可以将重点投向车身开发，也就不存在由于某个总成需要攻关、更换，导致车身结构方案的变更。在产品历史上继承性开发由于即将被换代的产品或相关产品生产历史久远，现生产产品或相关产品的长处和不足已被开发人员所熟知，继承其长处、改善其不足使推出更优秀的产品成为可能。在认真分析竞争车型发展趋势的基础上开发国外的车身开发同样存在有参考样车，即把竞争对手分为首选、次选等层次，将首选竞争车型作为参考样车，这就是为什么子弹头式MPV推出之后，各公司纷纷出现类似MPV产品的原因。由于各公司均十分注意自己产品的品牌形象和风格，所以参考样车本身也是在继承历史长处和风格基础上的发展产物，因此，可以通过认真分析参考样车的历史、现状，得出其未来发展趋势，并针对这一结论来指导自己的产品的开发。现代设计方法及制造技术的全面应用现代CAX技术及其集成化的全面应用近几十年来，计算机几何图形处理技术已发展到比较完善的程度，从二维、三维线框到三维实体造型均已实现，并走向实用化、商品化。CAS在国外汽车公司已进入实用阶段，应用CAS进行二维和三维创意，并通过动画渲染、全息影像技术使评审直观感觉得以逼真化，使造型的方案实现多样化，并提高了造型设计效率与精度。CAD软件不仅能处理各种图形，而且兼备丰富的辅助功能，比如其高级表面处理及检测功能以及工业化设计中的DFM和DFA技术都可以大大提高表面设计质量和效率。为配合结构设计进行有限元网格自动划分，CAD还可与一些通用的有限元结构分析系统接口，而且每个系统均有比较完整的数据库。CAE技术在十几年前已经使刚度、强度及NVH的分析走向实用化，为车身设计提供了经过优化的实用的多种选择方案，使车身设计从经验设计到优化设计跨出了一大步。目前，碰撞模拟分析、空气动力特性分析、金属板件拉延成形性分析等手段也已步入实用化阶段，为车身的全面优化设计奠定了基础。CAM不仅在模具、夹具制造方面得到全面应用，而且在样车试制阶段发挥了关键性作用，保证了样车质量与进程。通过CAS/CAD/CAE/CAM实现高度集成，各部门传递的是三维CAD图形数据和其他计算机信息，这种快捷、准确的集成应用使CAX技术各单项的应用成果提高了数倍。与传统设计过程相比，由于计算机建立了车身外表的模型，实体模型均被取而代之，人力、物力、财力的节约显然是非常可观的；设计阶段的计算分析使设计时间可缩短1/3，也免去了两轮样机的制造，减少了设计和生产准备的交叉度；冲模冲压的成形性分析提高了冲模设计的成功率，数控加工也消除了中间数据形式的转换，并使加工精度大大提高；在计算机上进行的风洞模拟也节约了大量资金，缩短了生产周期。样车制造技术手段日趋先进易于加工、易于回收的锌合金（中熔点）及塑料模具已在样车制造中得到了十分广泛的应用，并通过CAMNC加工保证了模具精度；数控激光切割设备的使用使样件修边趋于完美，避免了因手工加工的缺陷以及边界定位不准确引起早期开裂的问题；三维样件和总成检测控制保证了零件及样车的代表性；装配工序的生产模拟大大减少了潜在的设计更改。试验开发手段和设施日益完备通用和福特都分别拥有多个汽车综合试验场，分别设在密西根、亚历桑那和佛罗里达等地，他们也分别拥有多座环境风洞试验室。随着安全法规的日趋严格，在装备先进的安全性试验室里每天都有一辆以上的样车和实车进行撞击试验，用于车身结构疲劳试验的MTS试验也从六通道增加到12～16通道，受力输入从每点三轴向增加到四轴向（模拟制动力）。新的制造技术和材料技术全面应用目前，新的制造技术的代表技术有：激光焊接、激光去毛刺、水注法切割、精细等离子体、整体浸锌技术等，这些技术的应用使制造精度大大提高，车身各部件缝隙逐步减少，表面覆盖件和运动覆盖件的缝隙已由过去的5～8mm减至2～4mm，车身外观越来越精致。新材料的应用方面，德国奥迪公司在车身板件上100%采用了双面镀锌钢板，开启部件如车门、发动机罩使用7.5μm镀层的钢板，车身结构件采用10～12μm镀层钢板；日本汽车厂家则采用了钢厂专门为汽车车身制造推出的高强度钢板，达到了减轻质量、降低能耗的目的；性能更加优良的各种改性非金属材料也得以广泛应用，通用公司的MPV车身结构上就大量采用了塑料材料取代金属构件。先进的生产管理和质量控制手段条形码技术全面应用使同一装配线上的生产品种大幅度增加，计算机网络技术使无库存管理已成为可能。全自动化焊接线和激光在线检测（如雪铁龙汽车公司的ZX生产线），使车身各部件焊接位置精度和每个焊点质量得以良好地控制。能确认部件与相邻部件关系（平齐度、缝差）的检查工具确保了制件精度，高度清洁的自动化喷涂线及现代化的表面质量检测装备使车身产品外观完美无瑕。并行与同步工程开发模式的全面应用规范化设计与规范化开发过程（1）严格规范的开发过程目前，各大汽车公司均以倒计时的方式进行开发过程控制和管理，将最终推出产品系统的用户称为第一项工作（JOB#1），对整个开发过程进行严格定义，规定了相关各部门参与开发的时段、工作量及目标，在开发过程设置多个节点（福特公司称为钻石点），并设置了项目批准后的不可逆点，使整个阶段各个环节得以严格控制。（2）建立了成套的开发规范和标准在总结以往开发经验的基础上，各大汽车公司都已形成了一整套车身开发规范和标准，小到如何避免异响设计、密封性设计，大到整体刚度要求均得到细化与规定，如造型设计规范、车身总体布置规范、结构分析规范、车身系列试验规范和标准等。（3）充分进行前期定义与设计论证工作德国保时捷公司专门将最前期的工作从概念设计阶段中分离出来，称之为产品定义设计阶段，并确定了若干大项几十个小项的内容，充分细化开发边界条件避免日后的反复。各公司均明确规定总体布置与造型必须同时冻结来作为概念设计阶段的里程碑节点，在此之前的各项工作均以通过方式逐一认定通过，保证了项目的不可逆性。推行同步开发各大汽车公司如通用、福特等纷纷将所属零部件集团独立，一方面是为了促进这些零部件公司成为面向全行业、全球的供应商，另一方面也精简了生产与开发主体，使汽车公司的开发部门可集中力量开发白车身及关键部件，并要求供应商同步或超前开发车身附件。他们规定了作为共同开发供应商的基本条件包括与本部主体使用相同的开发软件、具备一定的检测试验手段和零缺陷生产能力等，以保证同步开发的成功。实施并行工程与交钥匙工程并行工程通过在开发过程中合理地交叉工作，如大量预发布信息、预分析、提前生产准备等，实现较短开发周期。交钥匙工程已在业界被广泛采用，为达到这一目的，福特汽车公司采用SIGNOFF方式，即在JOB#1完成时由负责开发的各方面责任人均签字认可，若之后再出现结构强度或刚度等问题，则由签字人员承担责任；若出现装配工艺问题，则由在样车装配阶段即介入工作的制造人员承担责任。庞大的车身开发队伍及其组织机构变革庞大的车身开发队伍在20世纪90年代中期，福特汽车公司仅在轿车车身产品工程部（本部）就有16个部门，每个部门的专业人员均在100人左右；PSA集团在具有6000人的技术中心中，车身开发人员就有1000人。由于各大汽车公司均把车身开发置于首位，车身开发队伍规模庞大、素质很高。众多的专业设计公司在汽车生产大国中，有众多实力雄厚的专业设计公司专门从事车身造型设计、结构设计、结构分析、样车制造，他们是汽车集团技术部门的总后备队。汽车公司为加快车身换代，将其变型系列、专用系列车身或某些子项工作如造型、分析、样车制造等，有的甚至将基本型委托给专业设计公司。机构的变革各大汽车公司为适应车身开发周期的逐年缩短的发展趋势，先后对车身组织机构进行多次调整，这大致可以分为三个阶段。（1）按功能模式，即设置工程部、设计部、制造部、市场部等相关独立部门；（2）按专业开发体系，即按整车、车身、动力系统等设置各集设计、分析、试验于一体的部门；（3）按集成平台体制，各种开发问题在集成平台体制中完全解决，如克莱斯勒公司在20世纪90年代中期组成的公司副总裁挂帅的五个集成开发平台，即大型轿车开发平台、小型轿车开发平台、轻型车MPV开发平台、越野车吉普车开发平台和动力系统开发平台，以适应车身开发并行工程的需要。作者简介汪卫东，毕业于湖南大学内燃机专业，在东风汽车公司研发中心工作至今，先后从事汽车发动机产品试验、设计开发及汽车技术与情报研究工作，曾担任情报研究室主任、主任工程师等职务，1999年进入东风汽车公司一级人才专家库，现为东风公司汽车工程协会秘书长、东风有限公司研发中心资深情报专家、高级工程师，同时也是中国汽车行业知名分析师。