尺寸工程在商用車駕駛室上的應用

齊靖 孫萬來 劉政權 付中博

（一汽解放汽車有限公司 商用車開發院，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

隨著汽車工業的快速發展，汽車已經不單單是一個工具，更是人們的一個“寵物”，甚至“伴侶”，因此人們對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，其制造過程復雜、操作環節多、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，保證車身的質量，就需要在車身開發過程中應用尺寸工程來對車身尺寸公差進行控制，并根據合理的控制目標和有效的控制方法來進行整改。

2 尺寸工程應用現狀

2.1 尺寸工程基本定義

尺寸工程是實現從產品概念到滿足用戶需求的產品幾何尺寸、形狀和位置的工程實踐。尺寸工程是一個覆蓋設計、制造和裝配全過程的概念[1]。產品尺寸工程就是做好從策劃與概念設計到設計、制造、裝配等各個環節的質量控制，并將各環節尺寸誤差降到最低，尺寸工程的使命就是要保證將上萬個零件組裝成一個用戶滿意、市場競爭力強的產品的一個系統工程。

尺寸工程是21世紀新興的一個工程領域，是以滿足用戶質量需求為目標，以尺寸精度為核心的一個系統工程。規范化、系統化的開展尺寸工程，從概念設計階段開始，到伴產結束，全過程對尺寸公差進行系統優化設計，能夠有效降低開發成本，縮短開發周期，保證產品質量穩定。

2.2 尺寸工程目前在乘用車上的應用及成果

目前國內許多乘用車廠已經開展尺寸工程工作，如上汽、廣汽、長安、北汽、奇瑞、吉利等，都有專職尺寸工程師，對尺寸工程非常重視。個別汽車廠已經成立尺寸工程部門，專門負責汽車尺寸設計，通過尺寸鏈計算和軟件分析，定義整車產品尺寸體系，并在產品圖紙上推廣應用。

某自主品牌汽車，通過開展尺寸工程，系統地進行公差設計及定位基準的優化，從方案設計階段開始對沖壓零件公差進行設計，定位基準統一合理，如車門等一些跟外觀間隙、面差有關的零部件，通過定位工裝進行裝配，不僅能夠較好的控制整車間隙、面差，還能加快裝車節奏。近幾年該車企生產的汽車在外觀控制方面贏得廣大消費者一致好評。

3 尺寸工程在商用車駕駛室上的應用

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。這樣的結構使得駕駛室和保險杠、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化尺寸鏈和公差，保證此處間隙、面差滿足設計要求，滿足用戶的需求，保證在駕駛室翻轉和行車過程中無干涉現象。

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，經常出入工地、礦山等地方。一方面外界環境塵土飛揚，需要提高駕駛室的密封性，保證駕駛室內的無塵環境，提升駕駛安全系數。另一方面路面崎嶇不平，需要保證駕駛室關鍵尺寸，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。

商用車商品評價是主機廠以用戶的視角來評價產品，商用車商品性評價一級指標包括11個維度，尺寸工程影響最直接的是駕駛室外觀和內飾（圖1）。因此尺寸工程的深度開發是保證產品獲得良好商品性評價指標的重要因素，是使客戶滿意的重要因素。

圖1 商用車商品性評價

3.2 商用車駕駛室尺寸工程應用開展

結合一汽某商用車開發項目，在駕駛室設計、工藝分析、試制和生產過程中，按照尺寸工程工作流程（圖2），從尺寸公差規范（Dimension Tolerance Specification,DTS）設計、幾何形位公差（Geometric Dimensioning and Tolerancing,GD﹠T）設計、公差分析和尺寸評估4個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設計

首先，DTS側重控制整個駕駛室內外配合區域的間隙、面差尺寸公差要求。

借鑒乘用車經驗，綜合考慮解放生產能力，項目團隊從滿足功能尺寸、用戶感知和工藝易于實現三方面討論、評審，最終定義了駕駛室前臉、側圍、內飾和儀表板等7大板塊，合計84個標注位置，規定了每個位置的間隙、面差尺寸公差要求，以及平行度、對稱度要求。如圖3所示，規定車門后部車門總成相對于側圍外板間隙要求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，對稱度小于等于1.0 mm。

圖3 車門總成相對于側圍外板間隙、面差設計要求

（2）GD﹠T設計

GD﹠T包含定位基準（如圖4所示）及被測要素的形狀和位置公差要求。

為了減小由于基準之間相互變換產生的工藝誤差，遵循基準統一原則，并充分考慮基準體系的延續性，確定每個零件、每個焊接分總成、每個焊接總成的定位基準，使設計基準、沖壓基準、焊裝基準和檢測基準有效統一，確保該基準體系能夠在模、夾、檢具的實際應用中都能充分發揮作用[2]。而對于一些較大、易變形的薄板件，根據沖壓分析結果和設計經驗，增加了一些輔助基準，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形式，確保6個自由度被限定后再增加些輔助定位），確保零件定位穩妥有效。

確定了基準體系后，結合供應商制造能力和以往車型的公差設計經驗，確定了所有的被測要素（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 車門外手柄加強板定位基準標注

（3）公差分析

采用尺寸鏈計算和三維軟件仿真相結合的方法進行公差分析。

首先，在方案階段第一版DTS發布之后，使用均方根法（見公式（1））帶入各大總成公差經驗值，進行尺寸鏈計算[4]，預評估尺寸公差目標的可達成度，及時調整DTS公差目標，通過優化三維數據方案降低公差目標風險。通過尺寸鏈計算得出尺寸鏈公差分析結果，即84個DTS位置中有31處存在風險，最大一處面差超DTS目標公差1.83mm，無法滿足DTS目標。均方根法公差分析計算公式如公式（1）所示。

其次，在數據階段，應用3DCS軟件進行三維公差分析，通過將定位和公差信息輸入3DCS軟件，根據工藝路線進行虛擬的焊接、裝配，進行一定樣本量的虛擬裝配[5]。針對DTS規定的間隙、面差，進行多點分析求平均值，并根據多點分析結果計算平行度和對稱度，判斷是否滿足DTS目標要求。如圖5所示，為某處間隙分析結果。軟件分析計算結果表明，有18處DTS位置存在風險，通過對影響公差的原因進行尋源，并且評估各個環節在整個公差積累中所占的比重，以此為依據對工藝方案和結構進行優化，最終優化了13處位置，其余5處通過調整DTS目標，以滿足最終指標要求。

圖5 應用3DCS軟件分析某處間隙結果

（4）驗證與改進

首先，定義了BIW（Body In White,白車身）的三坐標測量項，共1 429個測量點，3 035個判定項，并根據前期分析結果，確定每個判定項的公差要求。其次，定義了整備駕駛室間隙、面差測量項。根據DTS圖紙要求，結合3DCS分析時定義的測量位置，確定了84條間隙上共計273個測量位置，908個判定項。結合乘用車合格率（合格測點數量/總測點數量）經驗值，初步設定合格率目標為BIW測點≥90%，持續改進指數CII（Continuous Improvement Indicator，即對象中第95%個尺寸所對應的6σ，反映整體穩定性）≤3；外觀間隙、面差檢查合格率≥85%，CII指數≤5[6]。

在試制階段,對20臺車輛進行檢測，BIW測點合格率平均值為85.73%，CII指數為5.28。外觀間隙、面差檢查合格率平均值為82.68%，CII指數為13.57。從以上合格率和CII指數不難看出，由于試制階段樣件精度較低，且模具、夾具等尚在調試，導致合格率偏低，CII指數偏大，還有很大的優化提升空間[7]。我們通過詳細分析檢測結果，逐個測量點進行排查，從零件到總成，從模具到夾具，為49套模具和23套夾具提出調整建議。

在生產準備階段，抽樣30臺車輛進行檢測，BIW測點合格率平均值為88.25%，CII指數為3.56。外觀間隙、面差檢查合格率平均值為87.92%，CII指數為8.63。相對于試制階段有了很大的提升，但仍有改進空間，繼續對每個零件、總成的測點進行排查，尋找可能改進的地方。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。

在生產階段，抽樣50臺車輛進行檢測，BIW測點合格率平均值為91.87%，CII指數為2.39。外觀間隙面差檢查合格率平均值為89.42%，CII指數為4.98。合格率和CII指標均滿足了最初定的目標值，但相比乘用車還有一定的提升空間。

4 結論

通過在商用車駕駛室開發過程中對尺寸工程的應用，一方面有效的支撐了項目開發，為駕駛室精度提升做出了非常大的貢獻。另一方面總結出商用車尺寸工程工作的經驗和方法，積累了一系列文件模板和零件公差設計依據。有了這些積累和經驗，在以后項目開發過程中，能夠有效降低工藝成本，縮短開發周期，生產出舒適性和精細化程度堪比乘用車的商用車駕駛室，更好的服務用戶。