车身功能尺寸驱动产品工艺设计

余魁，蔡浩华，王佳

(东风汽车公司技术中心，湖北武汉 430058)



车身功能尺寸驱动产品工艺设计

余魁，蔡浩华，王佳

(东风汽车公司技术中心，湖北武汉 430058)

功能尺寸是为满足产品设计要求、工艺设计要求、制造过程控制要求等各种产品目标或过程目标而制定的一组相同功能的测点之间的相对位置尺寸要求。在设计阶段提出功能尺寸要求，明确产品设计以及工艺设计目标，驱动产品以及工艺设计；同时在监控过程中简化数据分析，更准确、更快速、更直观地分析出质量缺陷的根本原因，从而明确改进方向和确定改进方案。

功能尺寸；尺寸驱动；产品工艺设计

0　引言

典型的轿车车身由300～500个冲压零件在55～75个装配站上经过零件、组件、分总成、总成到白车身的层次顺序焊接装配而成。汽车车身的装配偏差直接影响到最终汽车产品的质量，如风噪声、密封性、柔顺性、寿命、动力性和外观等，是汽车车身生产质量控制中的关键。整车质量的形成不仅与生产制造过程有关，还与产品的设计质量在内的许多其他过程、环节和因素密切相关。功能尺寸系统的出现为车身制造尺寸质量控制带来了极大的方便，也为整车开发中的尺寸设计和管理提供了新思路。将车身上一些特征的相对关系要求按相关功能组织在一起形成车身功能尺寸并加以控制，相对于传统的整车尺寸检测控制方法，功能尺寸在车身尺寸偏差控制方面有着“直观、效率高、与整车质量表现关联性强”等特点。

1　车身功能尺寸的构建

1.1车身功能尺寸的定义

功能尺寸(Functional Dimension)就是指“从一般产品尺寸特征中选择出来的一部分反映产品重要功能而且必须保证的尺寸”，它是由德国大众在20世纪90年代率先提出、并全面推广的概念。

对于轿车制造主要分为八大客户功能：

(1)可装配性；(2)美学功能；(3)密封性；(4)操作性；(5)舒适性；(6)行驶稳定性；(7)控制；(8)安全法规。

车身功能尺寸中，所谓的“功能”是指产品设计要求、工艺设计要求、制造过程控制要求等各种产品目标或过程目标。为了实现这些目标，在车身的设计和制造过程中提出对一组相同功能的测点之间的相对位置要求。

例如，某两厢轿车后背门与侧围配合区域的间隙面差美观要求如图1所示。为了实现上述功能，将后背门在车身顶盖上定位点与左右侧围轮廓之间X向间距以及车身后部侧围开口Y向间距设置为功能尺寸，如图2(a)所示。而如果采用传统的尺寸控制方法对白车身进行管控，则需要分别测量车身顶盖、左右侧围上6个测量点，测点1、测点2、测点3、测点6控制X向；测点4、测点5控制Y向，如图2(b)所示。

1.2车身功能尺寸的优点

车身功能尺寸的优点体现在对设计阶段产品、工艺方案的优化以及对量产阶段质量问题的监控。

在设计过程中，通过对车身功能尺寸的分析，将整车的总体设计目标分解为对各单件、分总成的关键尺寸特征要求，指导产品结构和工艺设计。

在监控过程中，因为功能尺寸过滤了零件的整体定位所引起的偏差，使功能尺寸与整车质量具有较强的相关性，有助于数据分析。通过对功能尺寸的监控，能更准确、快速、直观地分析出质量缺陷的根本原因，从而明确改进方向和确定改进方案。

1.3车身功能尺寸的建立方法

功能尺寸的建立需要对整车的功能进行分解，把影响整车“功能”的关键尺寸从所有的整车尺寸中挑选出来，建立相互关系。

功能尺寸的来源主要有几个方面：

(1)产品设计提供

产品设计部门提供需要保证的产品功能，由尺寸工程师进行尺寸分析，并建立产品设计功能尺寸。

(2)工艺设计提供

工艺部门提供需要控制的工艺尺寸，由尺寸工程师进行尺寸分析，建立工艺设计功能尺寸。

(3)过往车型经验

根据过往车型经验，建立功能尺寸清单。随着车型开发经验的增加，不断完善优化功能尺寸清单，表1所示为与整车性能相关功能尺寸清单，表2所示为与整车外观相关功能尺寸清单。

车身功能尺寸建立的方法主要有差值法和局部坐标系法：

(1)差值法

差值法为通过计算一组影响某项功能的关键尺寸测量项之间的差值来建立功能尺寸的方法。 如图3所示为某车型尾灯部位的功能尺寸建立。图3(a)中的点为整车尺寸中影响尾灯间隙面差的关键尺寸，在整车坐标系中进行测量；图3(b)中的点为侧围轮廓点与尾灯主辅定位孔Z向差值，用来控制尾灯与侧围间隙。

表1　性能功能尺寸明细

表2　外观功能尺寸明细(按区域分)

(2)局部坐标系法

通过在局部坐标系下评价某功能关键尺寸的方法来建立功能尺寸，它直接反映了测点与局部坐标系基准之间相互关系。以上述尾灯与侧围间隙面差为例，使用三坐标对车身尾灯区域尾灯定位基准点进行测量并按3Y-2Z-1X建立局部坐标系，如图4(a)所示。在此坐标系下测量的侧围轮廓点偏差即表示其相对于尾灯基准的偏差，不需要再进行差值，如图4(b)所示。

相对于差值法，局部坐标系法更加直观，且局部坐标系的建立不受整车坐标系的影响，使用起来更加灵活、快捷。

2　功能尺寸驱动产品与工艺设计

在功能尺寸开发过程中，并行工程概念始终贯穿于产品设计和工艺设计之中，以面向制造为产品设计的指导思想，以满足产品要求为工艺设计的目标，相互协调并行开发。在功能尺寸目标指导下，将设计与工艺要求转换成可以监控的尺寸目标，通过尺寸链分析，制定相应的零件结构、搭接接头、装配顺序，以功能尺寸目标的达成来驱动产品设计与工艺设计，如图5所示。

减小功能尺寸公差最好的方式就是减少车身的装配环节，即缩短尺寸链，降低各偏差因素对最终结果的影响。对于产品结构设计而言，最有效的方式是在设计过程中尽量把有功能尺寸要求的特征设计在同一个零件上，或者将有功能要求的零件直接进行关联，如图6(a)所示。对于工艺设计而言，通过工装夹具把若干个零件上需要控制的功能尺寸特征直接“定位”在一起，以此缩短尺寸链,如图6(b)所示。

3　应用示例

某车型前大灯定位以及在车身上相应的位置如图7所示，图7(a)为大灯定位方案，图7(b)为大灯在车身上相应的安装点。

分析车身上前大灯功能尺寸如下：F1为前大灯两个安装点Z1、Z2的Z向偏差；F2为前大灯两个定位点Y1、Ya1的Y向偏差；F3为前大灯两个安装点X1、X3的X向偏差；F4为前大灯两个定位点X1、X2的X向偏差，如图8所示。

功能尺寸F1由水箱上横梁左右安装支架冲压单件保证，尺寸F2、F4由翼子板冲压单件保证，而功能尺寸F3两点一个在前大灯安装支架上，一个在翼子板上。原方案中，前大灯支架与车身焊接成总成，前大灯支架的X向由车身精度保证；而翼子板的X向则由翼子板与前门间隙保证，其尺寸链为：车身精度①→前门装配工装②→前门总成尺寸③→前门装配偏差④→翼子板装配工装⑤→翼子板尺寸⑥，如图9所示。

采用功能尺寸驱动产品及工艺设计的思路，将前大灯支架与翼子板用一个工装进行装配，在翼子板上增加方孔，作为工装的辅助定位孔，同时该孔也作为装配机罩时工装的X向定位孔，保证机罩与大灯之间X向的功能尺寸，如图10所示。F3功能尺寸其尺寸链为：前大灯支架→装配工装→翼子板。

新方案减少尺寸链链环，有效保证了功能尺寸的达成。

4　结论

从整车设计及制造的角度对车身功能尺寸展开研究，重点对功能尺寸的定义、优点、设定方法展开讨论，提出了以功能尺寸作为车身设计目标驱动产品和工艺设计的新思路。

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【2】来新民，林忠钦,陈关龙.轿车车体装配尺寸偏差控制技术[J].中国机械工程，2000,11(11)：1215-1222.

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【3】林忠钦.汽车车身制造质量控制技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

【4】陈少云.功能尺寸开发及其样车试制阶段的验证[D].上海:上海交通大学机械与动力工程学院，2010.

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JIN Yunguang,ZHAO Fei.The Approval of BIW Technology Based on the Dimension Chain[J].Journal of Hefei University of Technology:Natural Science,2009,32(z1):76-78.

Product and Process Design Driven by Functional Dimensions

YU Kui, CAI Haohua, WANG Jia

(Technical Center of Dongfeng Motor Corporation, Wuhan Hubei 430058,China)

Functional dimensions are relative position requirements of a group of the same functional measuring points which are introduced to meet the requirements of product design, process design, manufacturing control and other product or process objectives. The application of functional dimensions definitely proposed the purpose of product and process design in the design procedure. Also data analysis in the monitoring process was simplified by which the root causes of quality defects could be found more accurately and the improvement plan could be determined.

Functional dimension; Dimension drive; Product and process design

2016-04-15

余魁，男，硕士，研究方向为轿车车身制造、轿车车身尺寸控制。E-mail:yukui@dfmc.com.cn。

U463.82

B

1674-1986(2016)07-025-05