局部數據控制模型設計方法研究及其在汽車開發中的應用

汪永輝, 朱葉勤

上汽大眾汽車有限公司 上海 201800

1 數據控制模型(DKM)在汽車開發中的意義

隨著國民經濟的迅速增長,我國汽車產業迅速發展[1],隨之而來的是國內轎車市場競爭的日趨白熱化。國內各大轎車生產商在研發方面的投入與日俱增,如何開發出具有獨特競爭優勢的新產品,是汽車企業能否在競爭中勝出的關鍵[2]。在新產品研發過程中,不僅要求外形美觀,而且要求內飾迎合消費者的口味。為了能夠早期發現產品設計缺陷,并在投產前及時解決,那么將會降低后期投入費用,從而節約大量開發成本[3]。

上汽大眾產品研發試制中心通過多年不斷的努力創新,形成了一系列DKM設計和制造方法,大大降低了開發成本,縮短了制造周期,提高了產品質量,對轎車新品的開發具有重要意義。

2 DKM概述

DKM[4]指用聚氨酯材料加工而成的實體物理模型,其中所有單件都是拆件制作。通過對實體物理模型進行評價,最終對計算機輔助設計(CAD)數據進行確認驗證。DKM按照大小,可以分為局部DKM和整車DKM兩種。

DKM在德國大眾汽車開發流程中占有極其重要的地位,這一技術造價昂貴,難度又高,各種縫隙必須嚴格按照CAD數據制造,表面質量要求在平行燈光反射下均勻,單件及總成都經過激光測量儀的嚴格測量,單件制造精度為±0.15 mm,局部模型總成制造精度為±0.25 mm,被認為是模型制造的尖端技術,長期以來都是在德國及歐洲設計和制造。上汽大眾試制中心經過多年探索,形成了一套標準DKM設計方法。

3 局部DKM設計方法

在新產品開發過程中,需要及時準確地發現產品缺陷,確認造型可靠性。在不同時期,需要一些特定區域的局部實物模型,給決策層作參考,從而最終確定批量結構數據的基礎數據。局部DKM由此而來,設計局部DKM時主要包含骨架設計、單件結構設計及附件設計。

3.1 骨架設計

根據模型切割范圍確定骨架大小及驗收節點,一般車頭車尾局部模型骨架均為鋁合金鑄造骨架。

鑄鋁骨架是通過整體澆鑄及一體銑削而成的骨架,具有質量輕、精度高、不易變形等優點。圖1所示為車頭局部DKM骨架。

圖1 車頭局部DKM骨架

鑄鋁骨架設計方法如下:① 確定局部控制模型切割范圍;② 確定骨架上所需要安裝零件的數量;③ 根據零件數量確定零件安裝位置的分布;④ 設計每個安裝在骨架上零件的定位孔及緊固孔;⑤ 根據零件大小尺寸,確定是否需要導向裝置;⑥ 確定附件的安裝位置及安裝方式;⑦ 在合適的位置設計測量坐標孔。通過以上七個步驟,可以確定骨架的基本結構。在設計過程中,需要注意零件銷孔、螺紋孔橫向及縱向分布,因為如前保險杠、翼子板、前蓋等大件,會擺放到標準加工平臺上進行加工。鑄鋁骨架厚度為20 mm,根據強度校核,需要局部設計加強筋。為了方便骨架搬運及后續零件的安裝,骨架上需要設計減重孔及方便模型工人操作的避讓孔。

3.2 單件結構設計

確定局部DKM骨架后,需要對單件進行結構設計。單件結構設計指將光順表皮數據設計成可以安裝在骨架上的零件結構數據。汽車上的零件材料種類繁多,根據DKM表面要求[5],一般采用聚氨酯代木和鋁合金兩種材料。由于汽車油漆達不到光亮件的展示要求,因此光亮件一般采用鋁合金銑削,其它零件采用不同密度的聚氨酯代木銑削。

單件結構設計方法如下:① 確定零件安裝面;② 確定零件灰區面數據,零件灰區面指光順數據面上不包含,但在批量件上又包含,且在批量車上是可見的部分,如翼子板靠近前蓋處的翻邊;③ 根據零件光順面大小確定銷孔位置和螺紋緊固點;④ 如果零件過大,考慮設計導向孔及吊裝孔。由于模型總成精度高,需要在X、Y、Z三個方向均可調整,因此在設計時需要在零件和骨架之間預留調整間隙,一般采用1 mm標準墊片。另外,通過設計偏心銷套、偏心銷來保證其它兩個方向可調[6]。通過以上標準方法設計前蓋及尾燈結構,如圖2所示。可以看到,雖然設計方法相同,但是設計出來的不同零件,其結構卻大不相同。

圖2 前蓋及尾燈結構

3.3 附件設計

完成骨架及單件結構設計后,需要對附件進行設計,主要包含輪胎安裝機構[7]、封板及模型車身高度展示架。考慮到模型需要在車身高度上展示,根據每個車型的車軸運動數據表(AKD),確定輪胎安裝高度或展示架高度,通常情況是半載狀態,即AKD中ML1+75 kg。軸機構一般為三向可調節,車頭局部DKM軸機構如圖3所示。展示架一般采用工業鋁型材搭建。封板設計以外形美觀為宜,如圖4所示。邊界偏置10 mm,向模型內部偏置3 mm,預留給封板。

圖3 車頭局部DKM軸機構

4 局部DKM標準庫

局部DKM設計過程中,需要用到很多標準零件。為了能夠更快、更方便地選取這些標準零件,對Catia V5進行二次開發,建立了局部DKM標準庫,如圖5所示。標準庫中主要包含銷釘、銷套、螺釘、螺紋套及DKM專用螺紋套等多種不同規格的標準零件[8]。

圖4 車頭局部DKM封板

圖5 局部DKM標準庫

在設計單件結構時,需要考慮零件定位和固定方式。在局部DKM中,零件的安裝面一般采用平面,定位采用兩個銷子,螺紋數量根據零件大小而定。先設定好銷子的位置與方向,以及安裝的面,然后根據標準庫中的類型選定規格,最后通過點、線、面的方式確定銷孔形狀。

5 局部DKM設計方法的應用

新朗逸是上汽大眾的暢銷車型,在產品研發時,設計和制造了該車型的局部DKM[9]。現以該車型為例,介紹局部DKM設計方法的具體應用過程。

5.1 車頭骨架

設計骨架時,需要考慮大零件的安裝。在車頭部分,需要安裝在骨架上的零件有前保險杠、前蓋、左右翼子板四大件,其它零件均安裝在前保險杠上。除了考慮安裝零件外,還要結合車身高度、機床標準工作平臺參數信息、標準螺紋及定位銷塊參數、測量點布置信息,將這些參數作為骨架設計的輸入參數進行設計。為了方便骨架參數化設計,可以將前蓋安裝平面、左右翼子板安裝平面、前保險杠安裝平面等大的安裝平面設定為主要的參數輸入。當光順數據發生大變化時,可以修改這些參數,進而調整骨架大小。通過基本面設定,可以確定骨架的初始大小。

加工平臺與局部DKM專用鑲塊如圖6所示。

圖6 加工平臺與局部DKM專用鑲塊

為了減少加工量,需要優化骨架整體結構,如圖7所示。將安裝平面提取出來,一般安裝平面高出骨架大平面15 mm。

圖7 優化后骨架結構

根據一般車頭四大件的安裝結構,可以確定骨架上安裝平面的基本位置。有了安裝平面基本位置后,可以確定大件的安裝點。大件安裝平面有三種類型:銷孔安裝平面、螺孔安裝平面、導向安裝平面,如圖8所示。

為了配合機加工平臺尺寸,銷孔間距一般以100 mm的倍數進行布置,數量為兩個。螺孔的間距與銷孔X向、Y向成50 mm的倍數進行布置,具體可以參考加工平臺規格,數量不限。為了使零件能夠更加輕松地安裝到骨架上,需要設計導向柱和導向套,導向柱安裝在零件上,導向套安裝在骨架上,數量一般為兩個,具體位置沒有特殊要求。如果是前蓋類,建議布置四個導向柱或導向套,防止翻轉。

圖8 大件安裝平面

安裝平面尺寸一般為70 mm×70 mm,銷孔為階梯孔,余下部分只需要根據零件結構自行布置即可。可以將這些位置設置成參數化,數據一旦更改,能夠快速更新。完成四大件安裝平面設計后,骨架設計還需要完成如下內容:① 測量位置布置;② 軸機構設計;③ 骨架支撐及頂升機構安裝設計;④ 封板設計及模型配重;⑤ 減重及避讓孔設計。另外,在骨架內部需要設計一些能夠使模型工人伸手安裝零件的位置。為了能夠順利鑄造出骨架,一般內部倒角半徑為20 mm。在倒角后需要確認每一個螺釘壓緊面是否為平面,如果正好在倒角面上,會導致螺釘緊固時與螺紋孔不在一條直線上,無法緊固零件。

以上為新朗逸車頭模型骨架的設計過程,考慮到骨架為鋁合金鑄造整體銑削,變形量小,可以在后續車型中改造和重復利用。

5.2 前保險杠

前保險杠的結構設計是車頭模型中最復雜的,因為其涉及到的零件非常多,如上格柵、前大燈、前霧燈及蓋板、下格柵及下擾流板、拖鉤蓋板及前車雷達等,這些零件最終都要安裝到前保險杠上。根據骨架設計數據,可以得到前保險杠自身的安裝平面及安裝點。

設計保險杠時,需要用到的灰區數據主要為左右輪罩結構數據和底盤前部結構數據。前保險杠結構可以自上而下設計,上格柵和大燈的安裝面可以為同一個平面,如圖9所示。保證上格柵和大燈安裝厚度后,結合自身安裝點及鑲塊大小,就能夠確定安裝平面的具體位置。

下格柵及霧燈安裝平面如圖10所示。保證前保險杠最薄處大于60 mm,就可以確定霧燈的安裝平面。下格柵安裝平面一般根據格柵結構而確定,其它設計輔助面均為X向拉伸,否則會產生內扣,從而導致無法加工和安裝。

圖9 上格柵及大燈安裝平面

圖10 下格柵及霧燈安裝平面

完成上部數據結構設計后,需要考慮輪罩灰區設計。如圖11所示,上部輪罩拆件是為了方便前大燈安裝,下部輪罩拆件是由于輪罩邊緣厚度太薄。由于是灰區數據,因此可以有接縫,并采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物銑削。剩余零件的安裝平面,如大燈清洗器、拖鉤蓋板、倒車雷達等,根據零件法向或X向做拉伸即可,具體拉伸長度可以根據零件大小及螺釘、銷子、銷套長度來決定。至此,前保險杠的模型結構數據已設計完成。為能夠更加方便搬運,可以在前保險杠上部安裝吊裝孔,并在適當的位置挖孔,減輕前保險杠的質量。

圖11 輪罩灰區設計

前保險杠是車頭局部DKM的主要部件,作為主體,安裝在保險杠上的零件較多,因此具有代表性,其它零件可以參照保險杠零件的設計方法來完成。

以上通過實例詳細介紹了局部DKM設計的具體步驟,由于局部DKM屬于高精度模型,因此除了設計部分外,零件材料的選擇、機加工編程及加工方式[10]、總成的匹配、模型的測量等也都至關重要。

6 結束語

局部DKM在汽車研發過程中具有重要作用,對汽車產品的外形面、圓角、縫隙、落差有直觀評判。通過筆者所述的局部DKM設計方法,能夠設計出各類符合要求的局部DKM骨架、單件結構和附件,為研發出更好的汽車產品提供了可靠保障。