數字樣車技術在整車開發中的應用分析

卜凡龍 路勝利 張德亮 楊興龍 劉漢斌 高惠國

（中國第一汽車股份有限公司）

隨著科技的進步，汽車行業的競爭日趨激烈，為了更快地推出產品，汽車產品開發周期也需要盡可能地縮短[1]。如何在較短的開發周期內，開發出質量最優的產品，成為重要的課題。目前，為了有效地縮短周期、降低成本，大多數的企業都是采用搭建數字樣車（DMU）來進行前期的開發驗證，通過對DMU 的先期質量控制，進一步提高后期的實車裝配質量[2]。文章主要基于產品數據管理系統（PDM系統）開展了乘用車DMU 協同設計研究，建立了DMU 質量控制流程，并在產品開發過程中進行了應用驗證。

1 DMU協同設計

基于PDM系統，各專業設計師采用TOP-DOWN（自頂向下）的方法同步開展協同設計，同步開展DMU搭建工作。

1.1 PDM系統

PDM系統是一個用于開發和管理產品數據（零部件、三維模型、二維圖紙等）的協作平臺，為整個企業提供信息共享機制和信息存儲機制。應用PDM系統開展線上的協同設計可以提高研發效率，保證數據的正確性、單一性、可追溯性、安全性（PDM 是定期備份數據的），避免目前線下、單機、共享服務器、FTP、郵件傳輸數據、U 盤傳輸數據等的低效率工作方式，確保數據的唯一性和整車數據的完整性。

在詳細設計階段，設計師在PDM系統中利用工作區管理系統（WGM），對工作區并行設計各專業數據，無論是同專業或是不同專業設計師之間都會使用到借用數據，而這些借用數據也很可能在不斷的完善或重新設計中。設計師需要及時了解到借用數據的設計變化，以對自己的設計進行調整。圖1 示出不同設計師通過工作區在線工作時的協同設計流程。

圖1 不同設計師間協同設計流程圖

除上述設計師自主設計外，部分設計數據也需要由供應商/合作伙伴協同設計，設計師負責與供應商/合作伙伴的方案溝通，并將供應商/合作伙伴需要的參考數據發放給他們，之后再將供應商/合作伙伴完成的數據檢入到PDM系統中，供項目組共享使用。圖2 示出設計師與供應商/合作伙伴的交互設計流程。

圖2 設計師與供應商/合作伙伴交互設計流程圖

1.2 整車DMU搭建

在PDM系統中，整車DMU 搭建采用TOP-DOWN（自頂向下）的設計方法，將設計標準或關鍵信息從產品結構的頂層傳遞到下游的所有相關子系統。

TOP-DOWN 設計是一種設計思想，即設計由總體布局、總體結構、子系統結構到零件的一種自上而下、逐步細化的設計過程[3]，如圖3 所示。

圖3 數字樣車搭建設計過程示意圖

根據此設計思想搭建的DMU，可以有效地解決復雜產品的設計，產品結構具有較好的可修改性，能夠提高設計的準確性，且利于開展并行工程、協同設計，能有效地傳遞設計意圖，易于快速地開展產品變形設計。圖4 示出搭建完成的某款整車DMU 結構。

2 DMU質量控制流程

在產品開發過程中，通過總結前期工作經驗，制定合理的DMU 質量控制流程，如圖5 所示，從而實現對DMU 問題的層層消滅。整個流程過程設置4 個層級的審查制。

圖5 DMU 質量控制流程圖

2.1 專業設計師審查

專業設計師負責本專業內的DMU 設計，并依據專業設計規范，對本專業DMU 進行校核確認，確保設計方案無誤，并編制專業開發檢查表，對各項指標達成情況進行確認，確認DMU 無問題后，提交總布置審查。

2.2 總布置審查

總布置工程師依據專業布置規范及要求，對專業提交的DMU 進行方案確認及校核工作，并編制總布置開發檢查表，逐項確認目標達成情況，確認DMU 布置無問題后，提交下一環節審查。

2.3 DMU專業工程師審查

針對整車DMU，DMU 專業工程師要進行全面的審查，分別從數據成熟度、間隙及配合、裝配工藝性、維修保養方便性等方面進行細致檢查，盡可能地提前發現問題，并編制DMU 檢查報告，推動問題閉環，確認檢查無問題后，提交下一環節審查。

lnchinagdpt=β0+β1lnchinagdpt-1+β2lntraffit+β3lntongit+β4lndianit+β5lnfdiit+β6lnfdiit×lntraffit×I(thr r)+β8lnfdiit×lntongit×I(thr r)+β10lnfdiit×lndianit×I(thr r)+β12rkt+β13cxt+β14lnexit+β15flt+μi+εit

2.4 總裝工藝審查

此環節由總裝技術工程師依據裝配工藝規劃，對整車DMU 的裝配性進行最終的確認，編制ECR 問題單，推動問題閉環，從而盡可能地減少生產階段出現的裝配問題。

經過上述4 個層級的審查流程，整車DMU 才能作為合格產品進行發布。

3 DMU質量控制方法及應用

3.1 DMU質量控制方法

CATIA 軟件提供了各種對整車DMU 進行功能性分析的方法，如Navigator，Kinematics，Space Analysis，Fitting Simulation，Structural Optimization 等分析用工具[4]。采用這些DMU 分析技術，可以在設計階段發現機構運動干涉等潛在的設計質量問題，為機構運動路線優化及確保機構的可制造性、可裝配性和可維修性提供強有力的技術手段，從而極大地提高汽車產品開發速度與質量[4]。文章主要針對整車DMU 進行全面的校核，作為DMU 質量控制方法。

3.1.1 間隙及干涉檢查

間隙及干涉檢查是整車DMU 校核中最重要的部分。主要可以分為3 類：靜態檢查、動態檢查、運動包絡檢查。

圖6 汽車轉向機線束與電氣線束干涉示意圖

動態檢查主要是關注在運動的極限位置或某一特定位置，相關系統或零部件間是否干涉以及間隙是否合理。圖7 示出檢查轉向管柱與制動踏板最小間隙。

圖7 汽車轉向管柱與制動踏板間隙檢查示意圖

運動包絡檢查主要是檢查在運動全過程，各相關系統或零部件間有無干涉現象，以及間隙是否合理。圖8 示出檢查前輪運動包絡和周邊環境的關系。

圖8 汽車前輪運動包絡檢查示意圖

3.1.2 運動分析校核

機構運動分析是在虛擬的環境中模擬產品實際的運動狀況，并在動態過程中檢驗機構設計是否符合概念設計階段對機構所做的定義[5]。通過對產品在整個動態過程中的位置信息、運動特性信息進行檢查和分析，從而輸出相關的變化曲線，更直觀地進行結果校核。圖9 示出檢查刮水器運動件與周邊鈑金件間隙變化的曲線。設計師可以根據曲線中的最小間隙判斷是否滿足設計要求，對不滿足要求的位置進行修改。

圖9 汽車刮水器運動件與周邊鈑金件間隙變化曲線圖

3.1.3 裝配工藝性校核

整車裝配工藝性分析的主要目的是分析零件、系統在整車上的裝配工藝性是否方便操作，易于保證裝配質量，利于減輕工人勞動強度，并且符合現有裝配工藝水平和生產節拍的要求[6]16-17。

裝配工藝性校核主要包含三方面內容：1）裝配可視性校核。零件設計裝配位置應滿足操作視線可見，以避免盲操作帶來的裝配不到位等質量問題。2）裝配空間校核。零件設計裝配位置應滿足手及總裝常用工具的操縱空間，以減少專用工具的投入。3）裝配方便性校核。整車的設計要綜合考慮現生產工藝水平、裝配工藝規劃順序、裝配工人數量以及裝配操作可實現性等方面的狀況，以減少后期裝配問題的出現次數，從而提高生產效率。圖10 示出排氣管裝配校核。從圖10 可以看出，排氣管裝配校核時，裝配可視性良好，但發現電動工具與排氣管存在干涉，裝配空間不足。

圖10 汽車排氣管裝配校核示意圖

3.1.4 維修保養方便性校核

可維修性分析主要是指對汽車的維修和保養要求進行分析[6]17-18。汽車可維修性的分類原則結合實際經驗，按照優先等級可以分為3 類：

1）日常維修保養項。有日常檢查、保養要求的零部件可維修性優先級要求最高，DMU 校核時要重點關注，零件的維修保養方便性要最好，如機油、機濾等定期檢查更換的項目；

2）間隔里程長的維修保養項。不經常更換的零部件可維修性優先級要求可次之，允許零件維修保養時先拆掉一些相關的零件，零件的維修保養方便性良好，如制動盤等磨損件；

3）其它因素的維修保養項。因意外、偶然損壞的零部件的可維修性可最后考慮，只要能實現維修保養即可，如出現意外故障的發動機、油箱維修等問題。前期對油箱口蓋的可維修性進行DMU 人機校核，如圖11所示。

圖11 汽車油箱口蓋維修保養方便性DMU 人機校核示意圖

3.2 DMU驗證

文章結合正在開展的產品開發項目進行了DMU質量控制過程驗證。通過應用對比，以往某車型檢查出的DMU 問題為4 116 項，采用新方法檢查出的DMU問題為475 項，問題減少了88.5%，表明通過采用該種新的質量控制流程，整車DMU 質量明顯提高。圖12 示出具體各個系統檢查出問題數的對比。從圖12 可以看出，每個系統的問題數都出現下降，車身問題下降最明顯。

圖12 整車DMU 檢查問題數對比曲線圖

4 結論

文章對DMU 技術在整車質量控制中的應用進行了分析，提出了一種DMU 質量過程控制方法，并建立了相應的流程，應用結果顯示，與以往開發產品相比，DMU 檢查出的問題大幅減少，有效地彌補了之前DMU質量控制手段的不足，有利于在產品開發面臨周期短、質量要求高的情況下，實現先期質量控制的效果。DMU技術可以將問題在整車開發的前期盡可能規避，減少投產后的損失，值得進一步推廣應用。