尺寸工程在汽车设计过程中的应用

尺寸工程在汽车设计过程中的应用宋迪祥白林（北京汽车制造工程中心-先行技术部）摘要：本文介绍了汽车设计过程的尺寸工程工作内容，并针对尺寸技术规范设计、基准定位策略设计、偏差分析、GD&T出图，测点图制作五个方面进行了有针对性的阐述，对尺寸工程关键过程的实际应用进行了应用举例，将尺寸工程的相关理论和实践有机的结合起来。关键词：尺寸技术规范;基准定位策略;偏差分析；GD&T；测点图制作ApplyDimensionEngineeringtoAutomobileDesignAbstract:Thetextintroducesthetaskofdimensionengineering,anddescribesdimensiontechnicalspecification,commondatumlocationstrategy,varianceanalyst,geometrydimension&tolerance,measurepoints,Itspecializessomesamplesonthefivekeyprocess,Itisavirtualunionoftheoryandpracticeondimensionengineering.一、引言美国政府和有关部门于1991年提出了命名为2mm工程的计划构想，其目的之一是试图用研究成果来证实美国汽车制造业完全可以在国际竟争中取胜。当时，汽车车体制造质量是以日本丰田（Toyota)为领先，其车体制造综合误差在±1mm内，欧洲的最好水平则在±1.25－1.5左右，而美国车体制造水平则远远落后于日本和欧洲，当时很多制造厂的水平在±2mm或更大。吴贤铭教授当时提出这一目标的动机是想增强美国制造业的自信心，用它来证明美国汽车同样能达到世界最好水平。其目的之二是试图找出一组行之有效的方法，解决汽车制造过程中质量的提高问题。进而世界各个国家汽车厂家纷纷效仿，不断提炼完善，形成了现在广为人知的尺寸工程的质量管理理念，已经在汽车、飞机、制造设备等领域得到了推广。二、尺寸工程定义及其工作内容目前国内许多主机厂已陆续开展尺寸工程工作，如上汽、广汽、奇瑞、长安、长城、北汽等，都有专职尺寸工程师。各主机厂已高度重视尺寸工程工作，逐步开始在产品图纸方面推广应用欧美尺寸工程体系，但国内多数主机厂尺寸工程师对尺寸工程还了解不多。那么到底什么是尺寸工程？尺寸工程又叫尺寸管理工程，是以既定或预期的制造能力为出发点，开发合理的定位、合理地分配和制定公差及设计恰当的加工、装配工艺以使产品达到既定的匹配和功能要求，并且通过应用尺寸链分析或公差虚拟仿真技术对上述尺寸设计和尺寸要求进行风险评估和预防的一系列活动。实现用最低的成本生产出满足客户需要的产品。汽车设计过程尺寸工程的主要工作有：尺寸技术规范（DTS）、通用基准定位策略（RPS或CDLS）、偏差分析（VA）、图纸制作（GD&T）、测点图制作（MP）、测量系统规划（MS）、匹配（MC）、测量数据收集及分析（DC&A）、持续改进（CIP）。其中测量系统规划（MS）、匹配（MC）、测量数据收集及分析（DC&A）、持续改进（CIP）重点是在制造领域的工作，因而本文不做介绍（以上划分根据目前某主机厂的尺寸功能功能实施模式）。三、尺寸工程在各个阶段在汽车设计阶段应该发挥的作用。3.1尺寸技术规范（DTS）尺寸技术规范（DimensionTechnicalSpecification)主要用于描述成品车零部件之间的间隙和面差及相关关系，通常表达式如下：{间隙（或面差）的设计名义值}+{间隙（或面差）的公差要求}，确定整车内外配合的间隙及高差尺寸公差要求和整车的关键结构尺寸及性能尺寸（公差）要求。从造型的油泥分缝、CAS（ComputerAidedStyling）面到结构设计阶段，DTS要根据不同时期的不同要求进行不断的更新和完善。DTS的制定必须熟悉对标车的实际标准，产品结构设计的相关需求，目前主机厂自身的工艺制造能力及提升的空间，以确保DTS设计的可行性。以某主机厂研发的产品举例说明。图1DTS设计初始值以上是某产品设计时初始DTS定义的两种分歧，部分尺寸工程师推荐间隙=3.5，面差=0.25，另一部分认为间隙=4.0，面差=0合适。当时产品结构已经初步选定了标杆车的车门形式及铰链的相关数模，当间隙=3.5，面差=0.25时，车身结构设计部门对门进行了运动校核，前后门的运动最小间隙为2.23，考虑到运动的可靠性，采用极限分析法（RSS方法不适用），根据工厂的制造能力，影响前后门运动间隙的主要因素有：前后门包边后的轮廓度公差（1.2），门铰链工装安装面轮廓度公差（0.4），油漆完以后漆膜厚度（0.15），重力影响偏差（0.3），其他不可预见因素公差（0.3），最小安全间隙=1.2/2+1.2/2+0.4/2+0.4/2+0.15+0.15+0.3+0.3=2.5，因此最小运动安全间隙2.5，目前的上述公差采用的是当前国内自主品牌的高水平的制造能力，因此当设计：间隙=3.5，面差=0.25时的DTS的初始值存在很大的设计风险。经过数据的分析，得出间隙=4.0，面差=0的设计更合理。图2前后门模拟安装模型图3前后车门模拟安装后的最小间隙3.2通用基准定位策略（RPS或CDLS）CDLS是北美的说法，目前在大多数主机厂，都是按照大众的RPS理论来进行相关设计。通用基准定位策略设计就是规定一些从开发到制造检测直至批量装车各环节所有涉及到的人员共同遵循的定位点及其定位公差要求。在产品结构第一版数学模型发布后，尺寸工程相关人员对产品进行通用基准定位策略的设计及产品结构工艺性审查，必须遵守下面规则：3-2-1(或N-2-1)规则，坐标平行规则，统一性规则等，如果零件需要增加焊装定位孔在该阶段要提出，并以ECR（EngineeringChangeRequirement）的形式向产品设计人员反馈，对于不合适的定位孔要取消，同时结合公差传递的难易，对对接接头进行合理的回避，以确保工艺尺寸链传递的缩短。相关做法如下：1、零件的定位，一般采用一面两销的形式，这样夹具设计起来比较简单，所以零件在设计时仅可能的考虑这种定位方式，对于大的零件，定位孔尽量要大些，定位孔越大，定位越可靠。如下图所示：图4空气室上板增加定位孔的实例2、在焊接总成中，对接边的连接方式尺寸链传递最大，误差传递也最大，所以尽量避免，如果不能避免，要采用移动公差的形式，确保公差传递的尽量小，以达到控制总成精度的目的。图5地板设计过程中尺寸链打断传递的实例3、车身的精度控制是一个很有难度的工作，因此必须对每个零件每个总成在焊接后，主要的控制方向进行分析，要把所有的方向（X\Y\Z)都控制的好，是一个非常难的工作，分析出焊接零件的主要控制方向，然后对零件的定位及工艺设计都是很有用处的。通常情况下焊接方向都是要牺牲的方向，因此，就要利用这种关系对零件的控制方向进行取舍。图6后轮罩定位孔所在控制方向的转化3.3、偏差分析在产品结构确定后，建立了定位基准，要对零件大的总成或整车控制要求进行公差初步设计，传统的偏差有1D尺寸链分析，通过尺寸链图解进行测算，后续又有2D尺寸链计算，由于整车的结构设计比较复杂，传统的计算方法已经很难满足需求，通过3D尺寸的公差分析，确保公差实施的可行性，同时又能够满足产品的功能要求和客户的视觉美感。产品设计部门希望制造的结果越精细越好，而制造部门的希望是公差放的越宽松越好，所以两者必须找到一个平衡点，以确保产品功能的最终合理实现。3D偏差分析采用的是蒙特卡罗方法（MonteCarlosimulation）,仿真分析思路如下：1.确定相关零件的定位系统；2.相邻零件（总成）的装配顺序；3.软件建模；4.相关零件公差赋值；5.测量部位确定。以上工作完成后，就可以进行模拟分析了。由于模特卡罗方法采用的是概率统计的方法，因此建议模拟样本的数量不易过少，一般不少于2000个样本，通常模拟数采用的是5000个样本，根据偏差分析的结果确定公差的制定是否合理，分析结果中对公差影响大的环节在哪个零件上，修改相关的公差值或其他影响要素，确保最终的公差值合理。举例如下（软件采用的是3DCS)：图7发动机盖与大灯公差设计初始值图8建模分析后结果图9整改建议经过偏差分析报告的结果，对主要影响要素进行改进，如果没有实质性的进展，仍然超差，就要对DTS的初始设计值进行重新设定，以确保模拟情况不超差，增强实际操作的可行性。3.4、GD&T图纸制作GD&T（GeometricDimensionandTolerance）包含基准定位系统设计和公差设计，公差设计包括尺寸公差、形位公差。在RPS(CDLS)设计阶段是专门用来进行基准定位系统设计的过程，因此，在第二版产品数模发布后，就可以进行GD&T出图了，特别是单个零件的图纸可以先进行制作，根据各个主机厂的制造能力，各个汽车设计部门会制作基础通用公差表，利用基础通用公差表，80%-90%的单件GD&T图纸可以制作完成，一些有特殊匹配要求的部位可以对相关单件公差进行修改，对于总成的公差，根据不同的结构进行公差计算方可完成。不同的主机厂根据自己的制造控制能力会有自己的基础通用公差精度表。举例说明。图11某主机厂基础通用公差表通用公差表，是单件制作GD&T图纸的重要依据，根据它及相关工艺知识对焊接总成的公差进行合理设计。图12某车型大地板总成GD&T局部图如图所示大地板的总成的轮廓度公差带是2.0，对其进行验算，地板的翻边轮廓度公差为1.0，门槛加强版的配合面轮廓度公差为1.0，定位孔偏离公差为0.3，焊接后变形轮廓度公差0.4，对总公差带进行验算采用RSS算法：总公差带=SQRT(12+12+0.32+0.42)=1.5，所以给定的公差带2.0可以满足工艺要求，同时该处在配合处不能向外突出太多，所以公差带不是对称的，最多允许突出0.5，以确保最终白车身总成的合格。3.5、测点图制作GD&T图纸制作完成后，就可以制作测点图了，很多人认为有了检具的检测结果就不需要测点图了，实际上进入了理解的误区，检具从某些方面来讲就是一个仿形的尺，是用来快捷判断的依据，数据测量是个初略的估计值，而实际测点图所需要测量表达是真实的3D测量结果，可以用来进行量化分析的，是后续质量改进和提高的数据参照依据。测点图中的测点基本上可以分为三类：工序测点、外观测点、功能测点：工序测点就是由夹具生成和保证的尺寸点，它对应了夹具上的定位销或者定位面的位置（重点是定位点），一般实际标注较少（除有分析要求的测点）；外观测点就是针对DTS关注部位而在DTS关注的有效区域布置的测量点；功能测点：零件或者总成上设置的，反映设计上为了保证整车上某个功能的测量点（重点是各个安装部位的安装点）。外观测点图和功能测点图是测点图制作的主体内容。图13工序测点图图14外观测点图图15功能测点图结语：国内尺寸工程在汽车领域的应用已经有近10年的时间，特别是在自主品牌的厂家重视程度比较高，各个主机厂已经有各自的流程，尺寸工程工作能力和水平也参差不齐，本文是对尺寸工程的相关关键细节进行了阐述，其内容也只是各个阶段的一部分，希望对其他同类主机场的尺寸工程发展能起到参考作用，同时也希望尺寸工程在国内的发展之路越走越宽，越走越远，也祝愿自主品牌的研发能力能够不断提升，有所突破。参考文献：1、《汽车车身结构与设计》第二版，黄天泽、黄金陵主编，机械工业出版社，1999年6月2、《汽车构造》第三版，吉林工业大学汽车工程系，人民交通出版社，1999年5月3《尺寸链的计算方法》-GB5847-86,1986年10月1日实施版4、《DimensioningandTolerancing》,ASMEY14.5-2009,TheAmericanSocietyofMechanicalEngineers,20095、《基于CATIAV5的3DCSAnalyst》，ETA培训资料，2012年中文版