第26卷第6期江苏理工学院学报
JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vo l.26,No.6Dec.,2020
2020年12月
随着汽车市场的竞争加剧，在提高产品竞争力的目标下，如何提升产品尺寸品质成为汽车制造企业的研究热点。虽然尺寸工程引入国内已有十余年，但真正将其应用于产品开发的时间却不长。许多汽车制造企业常常以已有经验或者对标车型来指导尺寸工程的开展，很难形成系统化、效率化、精确化的流程[1]，这导致在后期投产阶段出现大量的尺寸问题，进而增加设计变更的数量以及问题整改的成本，不利于项目周期的缩短[2-3]。尺寸工程的有效开展，将有助于企业不断提升自身的尺寸精度制造水平和尺寸感知质量水平，同时，也有利于企业在激烈的市场竞争中提高产品的竞争力。
1尺寸工程概念及其流程
尺寸工程是以既定或预期的制造能力为出发
并且通过应用尺寸链分析和公差虚拟仿真分析技术，对尺寸设计和尺寸要求进行风险评估和预防的一系列活动[4]。
高尔夫车友会影响整车功能的偏差可以分为零部件的偏差、辅助工具的偏差以及过程的偏差，要保证整车功能的实现，就要对上述偏差进行定义、验证、管理和控制，这个过程就是尺寸工程[5]。汽车行业尺寸工程涉及繁多的零部件和辅助工具，所以汽车尺寸工程的核心在于管理；而如何对产品偏差、辅助工具、开发过程进行有效管理，以及如何对人进行有效管理，是开展尺寸工程的重中之重。如图1所示，尺寸工程开展流程包括：产品开发初期的尺寸目标设定；工程化阶段的尺寸工程设计、公差验证分析（也称尺寸虚拟制造）；制造阶段的测量系统规划、尺寸工程
汽车尺寸工程技术探析
卢恒1，徐旭松1，华武2，王皓1
（1.江苏理工学院机械工程学院，江苏常州213001；2.比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳518116）
收稿日期：2020-07-22
基金项目：江苏省研究生科研与实践创新计划“考虑形状误差和局部表面变形的环形零部件公差分析研究”（SJCX20_0928）作者简介：卢恒，硕士研究生，主要研究方向为计算机辅助公差设计；华武，
工程师，主要研究方向为尺寸工程；王皓，硕
士研究生，主要研究方向为计算机辅助公差设计。
通讯作者：徐旭松，副教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为计算机辅助公差设计、尺寸工程。
摘要：针对汽车制造企业及其工程师在尺寸工程开展过程中存在经验化，以及尺寸工程无法形成流程化、系统
化等问题，解析汽车尺寸工程开发流程。阐述汽车尺寸工程概念、开发流程、尺寸目标设定、尺寸工程设计、尺寸测量系统规划和尺寸工程验证等内容。结合实例进行分析，促使汽车企业通过制定尺寸工程标准流程，使用尺寸链、公差虚拟仿真分析和匹配控制等技术，有效提升汽车车身、内外饰等装配质量。为汽车制造企业开展尺寸工程的应用提供有效参考。
关键词：汽车企业；尺寸工程；公差设计；公差管理中图分类号：TG801
文献标识码：A
文章编号：2095-7394（2020）06-0075-09
验证等工作。2国内外研究现状k19
20世纪80年代，日本汽车企业实施了全面质量管理TQM （Total Quality Management ），旨在将车身制造误差控制在2mm 以内；美国密西根大学吴贤铭教授提出了“2mm 工程”计划，此计划利用科学的检测数据来减少车身制造误差，并结合了先进统计方法、工程科学和车身制造信息管理等内容[6]。目前，国内外已经有大量学者和企业对尺寸工程进行了深入的研究。国外汽车行业通常采用三种尺寸公差管理模式：（1）以日韩汽车企业为代表，主要对以往工程制造研究进行总结，在此经验基础上，将公差要求层层分解至各总成、分总成及单件上，通过试制工程样车来验证调整公差分配[7]；（2）以通用集团（GM ）为代表的美系汽车企业，采用尺寸技术规范DTS （Dimensional Technical Specifications ）为特征匹配的指标，并通过全球客户标准库不断改善提高制造精度；（3）以大众集团（VW ）为代表的德系汽车企业，主要以保证功能尺寸为目标，形成整车配合精度要求[8]。由此可见，日韩系、美系和德系汽车尺寸工程控制内容反映了不同系统发展的方向。在国内，已有部分汽车企业开始将尺寸工程应用到生产制造过程中，形成了一套标准流程，取得了良好的尺寸控制
效果；但是，在产品设计及研发阶段的尺寸工程应用仍稍显不足，对产品尺寸精度还缺乏有效控制。
3尺寸目标设定
汽车产品尺寸目标的设定不仅要考虑市场定位、主观评价、感知质量等多种主观因素，同时，还应更多地考虑开发难度、制造能力和成本控制等客观因素。在汽车行业中，间隙面差标准也称为尺寸技术
规范，DTS 的设定并不是简单借助尺寸链计算出来的，也不是单纯地由工艺水平的高低决定，设计不能被生产和工艺所束缚，当然，设计也不能脱离生产，而要引导工艺的进步。尺寸目标设定中，如果现有车型的产品DTS
标准合格率低于50%，那么至少存在两方面的原因：一是原来制定的DTS 目标要求太高；二是整车制造过程质量控制存在问题。如果95%以上的监控数据都在DTS 标准范围内，那么原来制定的DTS 标准要求可能太低，一般将合格率控制在85%左右比较合理。
如图2所示，以翼子板和前门配合间隙及公差要求为例。假设目前已有的工艺生产水平能够保证间隙公差（4.0±1.0）mm、平行度1.0mm 的要求，然而，通过市场调研发现：目前一流的自主品牌此处间隙公差已经可以达到（4.0±0.7）mm、平行度0.7mm 的标准；而一些优秀的合资品牌，间隙公差能够达到（3.5±0.7）mm、平行度0.7mm 的标准；奥迪、雷克萨斯等豪华品牌甚至可以达到间隙公差（3.5±0.5）mm、平行度0.5mm 的标准。
如图3和图4所示，通过虚拟评审技术，对车门间隙进行模拟发现：间隙的均匀性也就是平行度的视觉敏感程度最高，其次才是间隙本身的大小。从工艺角度考虑，也是只有先保证间隙的平行度要求，才能不断减小间隙的名义值，最后再解决最难的减小公差带的问题。
综合考虑，最后制定的DTS 目标是间隙公差（4.0±1.0）mm，平行度0.5mm。这样，既可以保证产品
外观在市场上具有竞争力，又不至于将设计要求定得太高而导致生产和工艺无法满足，从而造成人力和成本的过量投入。然
图1
尺寸工程流程图
江苏理工学院学报76第26卷
（a）自主品牌汽车外观间隙（b）
合资品牌汽车外观间隙
（c）豪华品牌汽车外观间隙
图2汽车翼子板和前门配合间隙
而，要达到0.5mm的平行度，就需要规划采用
车门外板机器人滚边工艺来进一步提高车门
总成的精度，这也更好地体现了设计引导工艺
优化的思想。
图3虚拟软件模拟缝隙最大状态和最小状态对比
(a)(b)
卢恒等：汽车尺寸工程技术探析
第6期77
GAP:3mm
GAP:5mm
图4虚拟软件模拟缝隙平行差极限状态对比
4尺寸工程设计
五菱荣光报价
4.1定位及装配策略
定位策略又称RPS （Reference Point System ），是一种贯彻设计、制造和检测全过程的定位系统，它可以避免在各个阶段的基准变换，以保证尺寸的精度性、稳定性和继承性。制定RPS 需要考虑一些基本定位原则：3-2-1原则（刚性件）、N-2-1原则（柔性件）、平行原则、统一原则、尺寸标注原则等[9]。
装配策略用来实现外观DTS 中的要求。原则上除了四门两盖和翼子板之外，需要进行装配方
案设计的还有仪表板、管梁、前后组合灯、侧围装
饰件和角窗玻璃等。装配策略基本上可以分成两大类。
一类是零部件通过自定位直接装配在车身上就能保证匹配要求的。如图5后角窗饰板的定位基准：因为是Y 向装配（整车坐标系方向定义为前后X 方向，左右Y 方向，上下Z 方向），所以把
Y 方向作为第一控制基准；由于后角窗和门框配温州2手车交易市场
合的缝隙需要控制间隙平行度，所以把X 方向作为第二控制基准；由于后角窗底部亮饰条需要和后门水切饰条Z 向高低匹配，所以把主基准孔设置在后角窗底部。为此，在制定装配方案时，要首先明确各定位方向的功能优先级。
角窗和后门水切
存在高低对齐要
求
胶条填充，首要功能是保证间隙均匀度，其次才
是间隙大小
主定位
图5后角窗定位方案（自定位装配）
(a)
(b)
江苏理工学院学报
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雅马哈大魔鬼GAP:3mm
GAP:5mm
大宇旅行家GAP:3mm
GAP:5mm
另一类是零部件通过工装装配在车身上保证匹配要求的，比如四门两盖、翼子板和仪表板等。在车门总成的装配中，存在多种装配顺序可能性：既可以先将车门总成和安装铰链进行装配，然后把装有铰链的车门总成安装到车身上；也可以先将安装铰链装配在车身上，再进行车门总成的装配。总之，所有的装配方式，既要考虑自定位装配的形式，也要考虑采用工装装配的形式。
以如图6所示某车型后门的装配为例。控制车门和侧围的间隙主要是X方向，控制车门和侧围的面差主要是Y方向，控制车门和侧围后三角窗台的高低对齐主要是Z 方向。
1.工装控制铰链面到侧
围X方向距离
2.铰链轴线补偿门
配重影响
图6车门总成装配方案（工装装配）
（1）假设选定了铰链先和车身连接的装配方案，因为车门和铰链在X方向上是直接接触的，所以铰链的安装位置决定了车门和侧围的间隙大小。那么，在设计铰链装配方案时，首先考虑的就是使用工装来保证铰链到侧围的X方向距离，如图6中尺寸1。
（2）由于车门和铰链的装配是在焊装车间，到总装后还需要装配门饰板、门模块、玻璃等配件，会因为重力导致车门下沉现象，所以在工装设计时需要考虑角度旋转补偿。该补偿量通常可以通过CAE仿真得到一个初步参考值，在实际装配过程中跟踪测量来确定实际补偿值，最后通过制作一个等效的配重块挂在车门上来替代该补偿值，如图6所示。
（3）在铰链完成装配后，车门和侧围的间隙就已经确定。车门的装配需要考虑到Z方向的高低对齐以及Y方向的面差，通常是制作面仿型块，同时吸合在车门和侧围上，从而保证车门和侧围的面差，然后再打紧铰链螺栓。因为篇幅有限，工装的设计在此不再赘述。但是，在工装设计时，一定要校核操作
空间以保证良好的人机工程，同时，要考虑工位的实际操作节拍。
综上所述，设计工装的目的在于：打断整个尺寸链，减少尺寸环；提升装配效率，减少调整时间。
4.2公差分配
在确定了尺寸目标、定位和装配方案以后，就可以制定产品公差，也就是进行公差分配。
公差分配的原则是优先采用该产品的通用公差，因为通用公差代表了公司或行业内该类产品的工艺水平；同时，通用公差的广泛应用能够节约制造成本。首先，公差设计的基本理念是在满足功能的前提下，公差要求越低越好，公差类型越简单越好，测量和检测越便捷越好；其次，公差分配并不是简单的1+1=2极限分配，公差分配在行业内通常是按照±3σ来执行的，分配给零部件的公差都是统计公差，它是以零部件执行严格的过程质量控制为前提的。
例如，侧围和后门的间隙公差要求为（4.0±1.0）mm，首先需要出尺寸环，也就是所有的影
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