数字样车技术在整车开发中的应用分析
2020-03-17卜凡龙路胜利张德亮杨兴龙刘汉斌高惠国
卜凡龙 路胜利 张德亮 杨兴龙 刘汉斌 高惠国
（中国第一汽车股份有限公司）
随着科技的进步，汽车行业的竞争日趋激烈，为了更快地推出产品，汽车产品开发周期也需要尽可能地缩短[1]。如何在较短的开发周期内，开发出质量最优的产品，成为重要的课题。目前，为了有效地缩短周期、降低成本，大多数的企业都是采用搭建数字样车（DMU）来进行前期的开发验证，通过对DMU 的先期质量控制，进一步提高后期的实车装配质量[2]。文章主要基于产品数据管理系统（PDM系统）开展了乘用车DMU 协同设计研究，建立了DMU 质量控制流程，并在产品开发过程中进行了应用验证。
1 DMU协同设计
基于PDM系统，各专业设计师采用TOP-DOWN（自顶向下）的方法同步开展协同设计，同步开展DMU搭建工作。
1.1 PDM系统
PDM系统是一个用于开发和管理产品数据（零部件、三维模型、二维图纸等）的协作平台，为整个企业提供信息共享机制和信息存储机制。应用PDM系统开展线上的协同设计可以提高研发效率，保证数据的正确性、单一性、可追溯性、安全性（PDM 是定期备份数据的），避免目前线下、单机、共享服务器、FTP、邮件传输数据、U 盘传输数据等的低效率工作方式，确保数据的唯一性和整车数据的完整性。
在详细设计阶段，设计师在PDM系统中利用工作区管理系统（WGM），对工作区并行设计各专业数据，无论是同专业或是不同专业设计师之间都会使用到借用数据，而这些借用数据也很可能在不断的完善或重新设计中。设计师需要及时了解到借用数据的设计变化，以对自己的设计进行调整。图1 示出不同设计师通过工作区在线工作时的协同设计流程。
图1 不同设计师间协同设计流程图
除上述设计师自主设计外，部分设计数据也需要由供应商/合作伙伴协同设计，设计师负责与供应商/合作伙伴的方案沟通，并将供应商/合作伙伴需要的参考数据发放给他们，之后再将供应商/合作伙伴完成的数据检入到PDM系统中，供项目组共享使用。图2 示出设计师与供应商/合作伙伴的交互设计流程。
图2 设计师与供应商/合作伙伴交互设计流程图
1.2 整车DMU搭建
在PDM系统中，整车DMU 搭建采用TOP-DOWN（自顶向下）的设计方法，将设计标准或关键信息从产品结构的顶层传递到下游的所有相关子系统。
TOP-DOWN 设计是一种设计思想，即设计由总体布局、总体结构、子系统结构到零件的一种自上而下、逐步细化的设计过程[3]，如图3 所示。
图3 数字样车搭建设计过程示意图
根据此设计思想搭建的DMU，可以有效地解决复杂产品的设计，产品结构具有较好的可修改性，能够提高设计的准确性，且利于开展并行工程、协同设计，能有效地传递设计意图，易于快速地开展产品变形设计。图4 示出搭建完成的某款整车DMU 结构。
2 DMU质量控制流程
在产品开发过程中，通过总结前期工作经验，制定合理的DMU 质量控制流程，如图5 所示，从而实现对DMU 问题的层层消灭。整个流程过程设置4 个层级的审查制。
图5 DMU 质量控制流程图
2.1 专业设计师审查
专业设计师负责本专业内的DMU 设计，并依据专业设计规范，对本专业DMU 进行校核确认，确保设计方案无误，并编制专业开发检查表，对各项指标达成情况进行确认，确认DMU 无问题后，提交总布置审查。
2.2 总布置审查
总布置工程师依据专业布置规范及要求，对专业提交的DMU 进行方案确认及校核工作，并编制总布置开发检查表，逐项确认目标达成情况，确认DMU 布置无问题后，提交下一环节审查。
2.3 DMU专业工程师审查
针对整车DMU，DMU 专业工程师要进行全面的审查，分别从数据成熟度、间隙及配合、装配工艺性、维修保养方便性等方面进行细致检查，尽可能地提前发现问题，并编制DMU 检查报告，推动问题闭环，确认检查无问题后，提交下一环节审查。
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2.4 总装工艺审查
此环节由总装技术工程师依据装配工艺规划，对整车DMU 的装配性进行最终的确认，编制ECR 问题单，推动问题闭环，从而尽可能地减少生产阶段出现的装配问题。
经过上述4 个层级的审查流程，整车DMU 才能作为合格产品进行发布。
3 DMU质量控制方法及应用
3.1 DMU质量控制方法
CATIA 软件提供了各种对整车DMU 进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]。采用这些DMU 分析技术，可以在设计阶段发现机构运动干涉等潜在的设计质量问题，为机构运动路线优化及确保机构的可制造性、可装配性和可维修性提供强有力的技术手段，从而极大地提高汽车产品开发速度与质量[4]。文章主要针对整车DMU 进行全面的校核，作为DMU 质量控制方法。
3.1.1 间隙及干涉检查
间隙及干涉检查是整车DMU 校核中最重要的部分。主要可以分为3 类：静态检查、动态检查、运动包络检查。
图6 汽车转向机线束与电气线束干涉示意图
动态检查主要是关注在运动的极限位置或某一特定位置，相关系统或零部件间是否干涉以及间隙是否合理。图7 示出检查转向管柱与制动踏板最小间隙。
图7 汽车转向管柱与制动踏板间隙检查示意图
运动包络检查主要是检查在运动全过程，各相关系统或零部件间有无干涉现象，以及间隙是否合理。图8 示出检查前轮运动包络和周边环境的关系。
图8 汽车前轮运动包络检查示意图
3.1.2 运动分析校核
机构运动分析是在虚拟的环境中模拟产品实际的运动状况，并在动态过程中检验机构设计是否符合概念设计阶段对机构所做的定义[5]。通过对产品在整个动态过程中的位置信息、运动特性信息进行检查和分析，从而输出相关的变化曲线，更直观地进行结果校核。图9 示出检查刮水器运动件与周边钣金件间隙变化的曲线。设计师可以根据曲线中的最小间隙判断是否满足设计要求，对不满足要求的位置进行修改。
图9 汽车刮水器运动件与周边钣金件间隙变化曲线图
3.1.3 装配工艺性校核
整车装配工艺性分析的主要目的是分析零件、系统在整车上的装配工艺性是否方便操作，易于保证装配质量，利于减轻工人劳动强度，并且符合现有装配工艺水平和生产节拍的要求[6]16-17。
装配工艺性校核主要包含三方面内容：1）装配可视性校核。零件设计装配位置应满足操作视线可见，以避免盲操作带来的装配不到位等质量问题。2）装配空间校核。零件设计装配位置应满足手及总装常用工具的操纵空间，以减少专用工具的投入。3）装配方便性校核。整车的设计要综合考虑现生产工艺水平、装配工艺规划顺序、装配工人数量以及装配操作可实现性等方面的状况，以减少后期装配问题的出现次数，从而提高生产效率。图10 示出排气管装配校核。从图10 可以看出，排气管装配校核时，装配可视性良好，但发现电动工具与排气管存在干涉，装配空间不足。
图10 汽车排气管装配校核示意图
3.1.4 维修保养方便性校核
可维修性分析主要是指对汽车的维修和保养要求进行分析[6]17-18。汽车可维修性的分类原则结合实际经验，按照优先等级可以分为3 类：
1）日常维修保养项。有日常检查、保养要求的零部件可维修性优先级要求最高，DMU 校核时要重点关注，零件的维修保养方便性要最好，如机油、机滤等定期检查更换的项目；
2）间隔里程长的维修保养项。不经常更换的零部件可维修性优先级要求可次之，允许零件维修保养时先拆掉一些相关的零件，零件的维修保养方便性良好，如制动盘等磨损件；
3）其它因素的维修保养项。因意外、偶然损坏的零部件的可维修性可最后考虑，只要能实现维修保养即可，如出现意外故障的发动机、油箱维修等问题。前期对油箱口盖的可维修性进行DMU 人机校核，如图11所示。
图11 汽车油箱口盖维修保养方便性DMU 人机校核示意图
3.2 DMU验证
文章结合正在开展的产品开发项目进行了DMU质量控制过程验证。通过应用对比，以往某车型检查出的DMU 问题为4 116 项，采用新方法检查出的DMU问题为475 项，问题减少了88.5%，表明通过采用该种新的质量控制流程，整车DMU 质量明显提高。图12 示出具体各个系统检查出问题数的对比。从图12 可以看出，每个系统的问题数都出现下降，车身问题下降最明显。
图12 整车DMU 检查问题数对比曲线图
4 结论
文章对DMU 技术在整车质量控制中的应用进行了分析，提出了一种DMU 质量过程控制方法，并建立了相应的流程，应用结果显示，与以往开发产品相比，DMU 检查出的问题大幅减少，有效地弥补了之前DMU质量控制手段的不足，有利于在产品开发面临周期短、质量要求高的情况下，实现先期质量控制的效果。DMU技术可以将问题在整车开发的前期尽可能规避，减少投产后的损失，值得进一步推广应用。
