淺析設計間隙在車身尺寸控制中的應用

胡順波 陳連 許睿

【關鍵詞】累積誤差;尺寸鏈;偏公差;功能尺寸

【中圖分類號】TP391.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0084-03

0 前言

在汽車行業產品快速更新迭代的市場節奏下，新產品開發的關鍵是縮短開發周期，提高車身制造技術。對于制造廠而言，白車身因為其傳統鈑金件模具的特點，存在開發周期長、沖壓及焊接設備工序多的問題。單個零部件尺寸不可能按照理論數據做到合格率100%，制造過程存在一定的誤差。在汽車制造過程中，零部件在進入下道工序焊接成分總成的過程中，除本身拼焊零件的尺寸公差外還有工裝設備、定位等誤差，如果不對制造過程進行偏差分析，對單件零件進行尺寸控制和公差分配，必然會給后續裝配成總成的過程帶來誤差積累[1]。相匹配零件的偏差在同一方向無法抵消，則總成的誤差必然會超出公差范圍，從而導致白車身尺寸超差。

為獲得高精度的產品裝配質量，整車及白車身零部件需設計合理的尺寸公差，即在滿足產品裝配和技術要求的前提下，如何確定尺寸鏈中匹配零件的尺寸公差和位置公差。根據白車身的結構及裝配特點，我們提出合理地將間隙分配給沖壓件及焊接總成，并將設計和有效的精度反映到模具和夾具上，使白車身關鍵控制點的累積誤差控制在±1 mm以內的方法，稱之為設計間隙（Design Gap）。

1 設計間隙概論

汽車生產經歷了單件、小批量流水線式，以及時至今日的大批量機械生產過程。市場的需求和技術的進步推動了制造工藝技術的發展，產品研發周期的縮短需求，制造工藝技術、零部件的高度互換性，要求產品保證整車制造質量是非常必要的。

通常對于單個零件的公差設計一般是對稱公差，當兩個匹配零件的實際誤差方向相反時，會產生裝配離空，當實際誤差方向相對時，就會造成裝配干涉，進而其焊接總成在某個方向上會產生尺寸偏差。我們從汽車白車身的質量目標往下層分解，如果白車身控制在±1 mm以內，那么拼焊的分總成的公差累積就不能超過白車身的質量控制目標。但是由于沖壓線節拍及零件產品設計的特性，零件在某個方向/某些局部區域很難控制其尺寸公差滿足設計要求。因此，我們需要考慮其他能實現的零件在對應區域做偏公差分配或者設計容差，避免裝配制造過程的誤差累積，以達到總成/白車身質量滿足質量目標。

從產品設計到驗證至量產階段，設計容差有著極其重要的作用：①從總成質量出發逐層做設計公差分配;②消除裝配過程的累積誤差;③提高零件的裝配互換性[1]。我們通過多年的制造經驗及三維模型模擬分析計算，把設計容差完善到產品設計理念中去，在產品設計初期配合零部件間預留能滿足我們累積誤差的間隙，即Design Gap。

Design Gap設計理念的優勢：？譹？訛通過三維/一維模型模擬分析計算，對于圖紙設計中的偏公差要求直接在3D數據中體現出來，在開發模具和檢具時可以直接體現在零件和檢具上;？譺？訛因模具制造周期不斷壓縮，模具廠沒有足夠的時間進行SE分析，GD&T圖紙的偏公差要求通常在后期模具調試過程中進行修正。而設計間隙是直接體現在3D數據中，大大降低后期模具調試時間和匹配成本;？譻？訛把制造誤差累積及設計容差通過3D數據分析計算，在偏差值考慮到產品設計的公差，理論上只要零部件達到公差要求就可以滿足生產匹配質量要求，以減少反復的匹配調試和公差修正成本。

2 容差與公差的區別

容差分配是根據車身裝配結構特點，考慮零部件互換性、制造工藝、零部件產品結構及焊接的復雜程度，以車身總成的尺寸偏差目標逐層分解，從而確定單個零部件制造允許的尺寸偏差的過程。容差是把反映關鍵質量特性的產品設計公差合理地分配到制造相關的工藝及工序中。從狹義上講，公差指允許尺寸的變動量，即最大極限尺寸與最小極限尺寸的公差帶范圍。容差是確定了公差帶的位置公差。在汽車制造中，容差既包括公差帶寬度，也包括公差帶位置，其體現了型面的方向要求[2]。容差通常是由尺寸工程部門根據汽車廠的制造工藝水平及產品公差，通過裝配模擬計算等方式確定。公差和容差的區別如圖1所示。“U”形梁的內外板容差體現一種方向趨勢，而在自由公差下，內外板無方向性[1]。

3 設計間隙的分配

3.1 零部件間的設計間隙

車身是由上百個沖壓件組成，車身作為整車的載體，外覆蓋件和內部結構件會根據造型及裝配結構設計，產品形狀比較復雜，而且都需要達到標準的尺寸精度要求。但因其生產制造會經過落料、沖孔、成型、拉延、翻邊等多個不同工藝流程，沖壓件很難按照GD&T圖紙公差要求做到合格率100%[3]。另外，沖壓件板料薄、成型面難控制，回彈問題是影響沖壓件尺寸的最大因素。針對這些無法消除的零件尺寸偏差，需要在設計初期考慮如何在尺寸鏈中消除這些偏差，從而保證焊機組件滿足尺寸精度要求。比如圖2，兩零件搭接配合的R角做適度設計避讓;又如圖3，根據零件成型性特征，對于搭接配合型面做設計預留等。

3.2 焊接件間的設計間隙

在汽車制造業中，除去人為誤差和偶然誤差，零件的質量特征一般都服從正態分布規律。通過對焊接總成的尺寸公差分析，分配焊接分總成零件幾何尺寸公差，其公差通常是沿零件理論設計尺寸對稱分布。零件按理論產品數模完成模具制造后，焊接組件的尺寸除了受零件精度本身的影響，還受焊接工藝、工裝定位、定位誤差、焊接應力、操作過程等多重影響[2]。即便零件單件合格率達90%以上，零件焊接時仍會出現干涉、裝配困難或裝配不到位的現象（如圖4所示），從而影響焊接總成的尺寸質量。根據焊接裝配件的特點，收集歷史經驗數據，以及一維/三維偏差分析，評估焊接組件是否能滿足尺寸精度要求。對于不能滿足需求的尺寸控制區域，需要通過更改設計結構、更改工藝等方法修正影響，對于無法修正的區域，我們通過設計間隙實現容差。比如：右前大梁總成與前輪罩總成Y向貼合面，為保證重要的功能面尺寸精度，在前大梁與前輪罩搭接的Y向型面做0.5 mm設計間隙（如圖5所示）。

3.3 白車身的設計間隙

車身是整車零件的載體，據估計，一般整車由1萬個不可拆卸的獨立零部件組裝而成，整車制造工藝復雜。白車身的尺寸偏差主要受零件偏差、產品結構及裝配偏差等因素影響，導致無法滿足白車身功能尺寸控制要求。

比如：車架與側圍的搭接，為保證上車體的車身剛度，大梁與側圍的搭接多為Y向搭接。但是，大梁內的加強板、與大梁拼接的中間橫梁，其搭接結構也均為Y向偏差。因此，白車身Y向的尺寸會逐層累積到車身外側，導致功能尺寸偏差。如圖6所示，理論公差狀態下，白車身Y向尺寸的偏差結果已經很接近整車尺寸控制要求的臨界值。由于大梁及其周邊搭接零件的結構及沖壓成型性，其零件很難做到公差范圍內，從而導致白車身功能尺寸的偏差。

因此，對于諸如此類的問題，我們在前期做公差分配的時候，通過一維/三維偏差分析結果，找出敏感因子，打斷尺寸鏈，對于能直接解決問題的關鍵區域做設計間隙，例如：為保證側圍拼焊成白車身總成時側圍X方向的穩定性。我們通過三維偏差分析找出影響的敏感因子（如圖7所示）。從產品搭接結構出發，對會影響側圍X方向的型面做設計間隙，最后通過三維分析做設計驗證。側圍與地板焊接工位需要設計輪罩與地板的X方向的設計間隙，對地板按照圖示方向設計偏移1 mm，各留1 mm設計間隙（如圖8所示）。

4 結語

設計間隙是在設計初期根據產品開發經驗及尺寸鏈計算，評估尺寸偏差是否可控，并做出尺寸補償的一種尺寸控制方法。在產品開發初期制定設計間隙，可以大大降低開發過程中的反復匹配、反復修模的成本，從而減少整改次數，縮短產品開發周期。

參 考 文 獻

[1]王劍宇.容差分配技術在汽車整車及車身設計中的應用[J].汽車工藝與材料，2009（8）：58-59，61.

[2]勾治賤，劉賽，王劍宇.容差分配技術在轎車車身設計中的應用研究[J].汽車工程，2009（4）：336-339.

[3]楊鳳兵.簡析汽車白車身尺寸精度控制方法[J].時代汽車，2017（7）：99-101.