于金生，張浩，李龍

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000;2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

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關(guān)于汽車零部件空間定位設(shè)計(jì)的研究

于金生1,2，張浩1,2，李龍1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000;2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

摘要：無論是汽車，還是組成汽車的任一零部件，均可想象為三維空間中的一個(gè)剛體，而剛體的運(yùn)動(dòng)可分解為隨質(zhì)心的平動(dòng)和繞通過質(zhì)心某直線的定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，即在空間有6個(gè)自由度。汽車零部件空間定位的失效其實(shí)質(zhì)就是質(zhì)心在三維空間坐標(biāo)中的6個(gè)自由度未限制到位，例如應(yīng)該完全定位的零部件設(shè)計(jì)成欠定位，必然導(dǎo)致零部件的失效。對(duì)汽車塑料零部件空間坐標(biāo)中定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、定位種類選取、尺寸鏈等進(jìn)行研究，以提高零部件的使用壽命，使汽車零部件空間定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：空間坐標(biāo)；六點(diǎn)定位；尺寸鏈

0引言

汽車零部件與零部件之間配合結(jié)構(gòu)的失效其實(shí)質(zhì)就是三維空間坐標(biāo)系中剛體質(zhì)心某一項(xiàng)自由度定位的失效。汽車及其汽車零部件均是在三維空間坐標(biāo)系中進(jìn)行設(shè)計(jì)，任何一個(gè)汽車零部件的質(zhì)心既有平動(dòng)自由度又有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。剛體質(zhì)心的位置，需3個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)，即X軸、Y軸、Z軸。同時(shí)自由剛體有3個(gè)平動(dòng)自由度，剛體繞通過質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，共有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。所以，任何一個(gè)汽車零部件共有6個(gè)自由度，即3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。零部件與零部件之間牢固的配合定位就是消除零部件空間自由度的效果。

1空間直角坐標(biāo)系

為了更好地體現(xiàn)汽車上各個(gè)零部件之間的相對(duì)空間坐標(biāo)位置，更好地解決汽車零部件之間的配合關(guān)系，無論是汽車前期模型設(shè)計(jì)、中期的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是后期整車精度測(cè)量等都是在三維空間坐標(biāo)系中進(jìn)行的。

1.1空間坐標(biāo)定義

三維空間坐標(biāo)是相對(duì)于二維空間坐標(biāo)而言的，在二維空間平面內(nèi)X軸與Y軸相互垂直，且相交于坐標(biāo)原點(diǎn)O。過坐標(biāo)原點(diǎn)O做一條垂直于XY軸組成平面的軸線，即Z軸。X軸、Y軸、Z軸3條坐標(biāo)軸組成的坐標(biāo)系即為空間坐標(biāo)系。由原點(diǎn)O、X軸、Y軸組成的平面為OXY平面。由原點(diǎn)O、X軸、Z軸組成的平面為OXZ平面。由原點(diǎn)O、Z軸、Y軸組成的平面為OZY平面，在空間坐標(biāo)系中3個(gè)平面相互垂直。三維空間的X軸、Y軸、Z軸用來說明三維空間中的物體相對(duì)原點(diǎn)O的距離關(guān)系。

1.2空間坐標(biāo)在汽車中的應(yīng)用

汽車設(shè)計(jì)也是在空間坐標(biāo)系中進(jìn)行的，整車坐標(biāo)系如圖1所示。駕駛員的前后方向?yàn)檎嚨腦向，從前向后為X向正方向，記為+X向，從后向前為-X向，“-”不可省略；整車的左右方向?yàn)閅向，主駕駛到副駕駛側(cè)為+Y向，從副駕駛側(cè)到主駕駛側(cè)為-Y向；整車的上下為Z向，從下向上為+Z向，相反為-Z向， 如圖1所示。

一個(gè)尚未定位的汽車零部件，其位置是不確定的。將未定位的零部件放在空間直角坐標(biāo)系中，零部件可以沿X、Y、Z軸移動(dòng)到不同的位置，也可以繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)到不同的位置，所以要想汽車零部件之間相互配合良好就必須限制零部件空間6個(gè)自由度。零部件空間自由度限制需遵循能用點(diǎn)不用線限制、能用線不用面限制的原則。汽車零部件設(shè)計(jì)最優(yōu)狀態(tài)為6個(gè)定位點(diǎn)限制6個(gè)自由度，即六點(diǎn)定位原則。用“六點(diǎn)定位”分析零部件的定位時(shí)，應(yīng)注意：

(1)6個(gè)定位點(diǎn)限制零部件的6個(gè)自由度原則上是6個(gè)定位點(diǎn)與零部件零距離限制，但在汽車設(shè)計(jì)過程中，考慮到零部件的翹曲變形問題不可避免，一般情況下會(huì)在定位點(diǎn)與零部件之間留0.1～0.2 mm的裝配公差；

(2)六點(diǎn)定位不能理解為零部件的空間自由度就需要6個(gè)定位點(diǎn)來限制，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過程中需考慮零部件的強(qiáng)度問題，可能多于6個(gè)定位點(diǎn)也可能少于6個(gè)定位點(diǎn)，也就是在下面要講解的欠定位和過定位原理。

圖1　整車坐標(biāo)系

1.3空間結(jié)構(gòu)定位設(shè)計(jì)

汽車塑料零部件空間結(jié)構(gòu)定位設(shè)計(jì)主要分為以下兩個(gè)方面：(1)塑料零部件與車身鈑金零部件的定位設(shè)計(jì)。在汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)中，塑料零部件大部分均固定于車身結(jié)構(gòu)，例如車門飾板與車門內(nèi)鈑金卡扣卡接、儀表板與儀表板加強(qiáng)梁螺接等。無論采用何種定位方式均需滿足零部件的性能、功能等，且使空間結(jié)構(gòu)定位設(shè)計(jì)簡單化。在結(jié)構(gòu)定位方式選取時(shí)，優(yōu)先利用零部件的自身重力采用Z向定位，同時(shí)Z向定位也利于零部件的裝配和拆卸。(2)塑料零部件之間的結(jié)構(gòu)定位設(shè)計(jì)。零部件之間空間結(jié)構(gòu)定位的失效一方面體現(xiàn)在零部件的功能失效，而相對(duì)于內(nèi)外飾模塊主要體現(xiàn)在外觀品質(zhì)方面，即零部件與零部件之間配合的段差。因此零部件空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能只單獨(dú)考慮安裝方式，必須綜合考慮[1]。

2零部件空間定位分類

零部件之間的定位根據(jù)不同的定位種類可分為完全定位、不完全定位、欠定位和過定位。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)不同的情況選擇不同的定位種類。

2.1零部件的完全定位

零部件的完全定位是指汽車零部件在空間坐標(biāo)系中的位置是唯一的，且6個(gè)自由度完全被相互配合的零部件所限制，完全定位是零部件裝配較理想的狀態(tài)。

完全定位也是汽車零部件固定方式中較常用的定位方式。如圖2所示，為汽車副儀表板上兩個(gè)開關(guān)堵蓋，通過前后兩個(gè)懸臂梁與副儀表板卡接固定，見圖2(a)、(b)。開關(guān)堵蓋通過懸臂梁卡接限制堵蓋Z向自由度，防止堵蓋上下移動(dòng)。通過中間加強(qiáng)筋限制Y向自由度，開關(guān)堵蓋輪廓寬度限制X向自由度，如圖2(c)、(d)所示?？臻g坐標(biāo)X、Y、Z自由度均被限制，開關(guān)堵蓋可牢固固定。

圖2　完全定位

2.2零部件的不完全定位

相對(duì)于汽車零部件完全定位而言，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中允許缺少的定位情況是不完全定位，不完全定位的限制點(diǎn)可以少于6個(gè)，而且對(duì)零部件的功能、性能等不產(chǎn)生影響，此種情況的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是允許的。例如：汽車的扶手箱、雜物箱等零部件，其功能為可以打開關(guān)閉的儲(chǔ)物零部件，所以其定位為不完全定位。

2.3零部件的欠定位

零部件與零部件之間的裝配失效多來源于欠定位，即零部件6個(gè)空間自由度沒有被有效限制。如圖3(a)所示，堵蓋左右通過卡子連接周邊結(jié)構(gòu)，卡接牢固為完全定位固定。圖3(b)中左側(cè)卡子改為導(dǎo)向安裝筋，缺失Z向卡接定位，零部件左側(cè)極易翹起，此狀態(tài)為欠定位失效效果[2]。

圖3　欠定位失效

2.4零部件的過定位

由于零部件自身的強(qiáng)度問題，有時(shí)一個(gè)定位點(diǎn)無法去限制零部件相對(duì)應(yīng)的空間自由度，需要兩個(gè)或者兩個(gè)以上的定位點(diǎn)或線去限制零部件的自由度，此種情況對(duì)零部件的裝配精度或定位更有利，稱為過定位。一般情況下尺寸較大的易變形零部件采用過定位設(shè)計(jì)。但當(dāng)過定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響零部件的裝配和拆卸就不贊同采用。

如圖4所示，高位制動(dòng)燈與尾翼配合結(jié)構(gòu)采用3個(gè)固定點(diǎn)固定。固定點(diǎn)1為Z向定位，固定點(diǎn)2為Y向定位，固定點(diǎn)3為Z向定位。兩個(gè)零部件配合采用兩個(gè)Z向定位，主要考慮高位制動(dòng)燈Y向距離較大，產(chǎn)品易變形，無法保證與尾翼周圈配合的間隙面差均勻性。Y向定位布置于制動(dòng)燈中間主要是為避免殼體的收縮導(dǎo)致左右端點(diǎn)定位不均問題[3]。

圖4　過定位

3尺寸鏈

汽車零部件三維空間定位的設(shè)計(jì)僅僅是理論值，在零部件制造過程中必然存在偏差，在裝配過程中，存在誤差傳遞和積累，這對(duì)產(chǎn)品的尺寸質(zhì)量、精度具有重要影響，同時(shí)也影響產(chǎn)品性能。為了評(píng)估和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝過程，降低裝配后的尺寸誤差，需要利用尺寸鏈計(jì)算和分析最后可能出現(xiàn)的誤差積累效果。尺寸鏈原理是在保證產(chǎn)品性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的原則下，分析并研究整車零部件與零部件精度間的關(guān)系或是單個(gè)零部件不同尺寸之間關(guān)系所應(yīng)用的基本理論。利用尺寸鏈，可以分析確定機(jī)器零件的尺寸精度，保證加工精度和裝配精度。

汽車是由無數(shù)單個(gè)零部件裝配而成，公差會(huì)逐級(jí)積累形成多個(gè)尺寸鏈，如圖5所示，假設(shè)零部件1的公差為L1，零部件2的公差為L2，零部件3的公差為L3，這3個(gè)零部件裝配而成的總成的公差為L0，則這4個(gè)尺寸形成了1個(gè)尺寸鏈關(guān)系。

圖5　尺寸鏈

無論是零部件制造公差還是裝配公差都無法消除，而最優(yōu)化的設(shè)計(jì)狀態(tài)是將公差累積到對(duì)關(guān)鍵尺寸要求不高的地方，或在零部件與零部件配合之間消化掉。如圖6所示，副儀表板上蓋板由點(diǎn)煙器裝飾板、換擋裝飾板、手剎裝飾板組成，3個(gè)裝飾板在Y向依次搭接裝配，而累積公差消化的地方為換擋裝飾板與點(diǎn)煙器裝飾板和手剎裝飾板搭接處，采用搭接配合而非對(duì)接配合，主要是為消化由于零部件尺寸收縮造成的公差累積[4]。

圖6　公差累積

4總結(jié)

零部件與零部件之間的裝配過程、配合過程實(shí)質(zhì)就是三維空間坐標(biāo)的定位過程。不同汽車部位的零部件、不同功能的零部件需選擇相應(yīng)的定位種類及定位基準(zhǔn)，以使結(jié)構(gòu)簡單化。

(1)空間定位設(shè)計(jì)應(yīng)最大程度地簡化結(jié)構(gòu)，遵循能用點(diǎn)定位不用線定位、能用線定位不用面定位原則；

(2)盡可能將定位設(shè)計(jì)成沿Z方向進(jìn)行。最簡單和期望的裝配是沿Z方向直線進(jìn)行，它可以利用重力進(jìn)行裝配，也更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。一些導(dǎo)向用的功能設(shè)計(jì)，比如下沉、定位柱、導(dǎo)向筋、卡扣等都能有助于保證零部件的裝配精度；

(3)不同部位的零部件、不同功能的零部件需根據(jù)設(shè)計(jì)狀態(tài)選擇不同種類的定位方式；

(4)最大限度地減少裝配件之間的尺寸鏈，大的尺寸鏈總誤差是由于多個(gè)尺寸鏈誤差累積而造成的，因此減少尺寸鏈?zhǔn)菧p少尺寸總鏈誤差的最好方法。減少尺寸鏈既可以從減少零部件著手，又可以從如何確定定位基準(zhǔn)和安裝方式入手。

參考文獻(xiàn):

【1】漕渡.汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

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【4】張志軍.汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)概論[M].北京：人民交通出版社,2008.

Research on Space Location Design for Auto Parts

YU Jinsheng1,2,ZHANG Hao1,2,LI Long1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000, China;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000, China)

Abstract:Whether it is a car or a composition of any parts of the car, all of them can be imagined as a rigid body in the three-dimensional (3D) space. While the motion of a rigid body can be decomposed into the translation with the centroid and fixed-point rotation around a line through the centroid,namely it has six degrees of freedom (6DOFs) in the coordinate space. The essence of the spatial location failure of auto parts is that the 6DOFs of the centroid in three-dimensional (3D) space are not restricted in place. For example, the parts which should be positioned completely is designed to be under position,so parts failure is inevitable. The space coordinate positioning structure design, positioning type selection, dimension chain and other aspects of automotive plastic parts were researched,so as to improve the service life of the parts,and to make auto parts space positioning structure design optimize.

Keywords:Spatial coordinates; Six point positioning; Dimension chain

收稿日期：2015-08-09

作者簡介：于金生(1981—)，男，大學(xué)?？?，工程師，從事汽車整車項(xiàng)目開發(fā)工作。E-mail：zhanghao198594@126.com。

中圖分類號(hào):U47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-1986(2016)01-058-03