張正，季東方，楊春青，張兆軒，劉晉，趙敬全

1.開沃汽車集團輕型車事業(yè)部 江蘇南京 211215 2.驊擎技術(shù)管理咨詢（上海）有限公司 上海 201700

在汽車產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計、過程制造、測量和試驗驗證的全過程中，對動力總成匹配、底盤裝配、車身激光焊如何定義其產(chǎn)品關(guān)鍵特性？如何匹配可靠的工藝裝備？又如何去測量和驗證產(chǎn)品是否滿足設(shè)計功能？

由于傳統(tǒng)的坐標(biāo)尺寸公差，不能準(zhǔn)確和完整地表達產(chǎn)品數(shù)據(jù)的功能要求或形位公差要求，檢測結(jié)果因人和基準(zhǔn)不同，檢測結(jié)果也大相庭徑。GD&T（幾何尺寸公差）以基準(zhǔn)約束為邏輯鏈，貫穿設(shè)計、工藝和測量全過程，保證了數(shù)據(jù)在設(shè)計、工藝及測量過程中的唯一性解釋。

GD&T幾何尺寸公差的核心及邏輯關(guān)系

1.核心

GD&T可以由輪廓度和位置度來詮釋形位公差的內(nèi)涵，如平面度就是面輪廓度的極限狀況，平行度、垂直度就是位置度的特殊狀況。

在驅(qū)動電動機與主減速器裝配和前懸架系統(tǒng)裝配系統(tǒng)中，以位置度公差控制為主；在車身懸架連接件前后副車架的沖壓、焊裝，車身門蓋裝調(diào)匹配、車身頂蓋與側(cè)圍總成、行李箱蓋上下外板及燃料電池極板的激光焊接就結(jié)合了位置度和面（線）輪廓度的公差控制，并結(jié)合工藝過程特點需要進行復(fù)合公差控制。

2.邏輯關(guān)系

1）在新品開發(fā)時，要定義產(chǎn)品的關(guān)鍵功能和關(guān)鍵特性。

2）在過程規(guī)劃時，要分析產(chǎn)品制造過程各零部件裝配關(guān)系。

3）當(dāng)試制批產(chǎn)時，要選用測量設(shè)備、儀器和測量分析軟件（MINTABLE，SpatialAnalyzer等專家級測量和分析軟件等），特別是結(jié)合SPC統(tǒng)計過程控制方法，科學(xué)地理解統(tǒng)計公差ST，并在試生產(chǎn)階段，對模夾具修整、調(diào)試、匹配以降低制造成本。

GD&T在前懸架系統(tǒng)的應(yīng)用

以麥弗遜懸架為例，對汽車制造過程中零部件偏差與裝配過程進行分析，確定各影響因素對外傾角的影響范圍，保證四輪定位偏差以及提高整車質(zhì)量。

圖1 設(shè)計、制造與測量邏輯關(guān)系

1.GD&T在前懸架系統(tǒng)的定義

（1）裝配關(guān)系及特性分析 車架與副車架關(guān)系如圖2所示。

圖2 車架與副車架裝配關(guān)系圖

1）關(guān)鍵型面及孔位。前副車架與車身車架前底部連接的主要配合安裝面和裝配安裝孔有：孔1、2、3、4，面1、2、3、4；前下擺臂在副車架上的安裝孔有：孔5、6、7、8。

2）相關(guān)安裝孔。安裝前副車架的四個孔在發(fā)動機艙縱梁上，其中孔3和孔4經(jīng)常出現(xiàn)偏差。安裝前減振器的兩個孔5、6在發(fā)動機艙輪罩上。

（2）副車架的GD&T定義及基準(zhǔn)約束鏈之間的邏輯關(guān)系 副車架是連接車身、懸架、電動機、發(fā)動機及擺臂等的中間關(guān)鍵部件。

副車架的GD&T基準(zhǔn)約束鏈之間的邏輯關(guān)系如下：

1）A、D基準(zhǔn)是副車架和車身連接的四個接觸面，有高低差，作為基準(zhǔn)面，不可能是標(biāo)準(zhǔn)平面。作為共同基準(zhǔn)，把它作為一個整體，以此構(gòu)建三維空間的基準(zhǔn)平面坐標(biāo)系。

2）構(gòu)建的三維坐標(biāo)系要保證副車架與車身后左右的四個安裝點相對于A、D基準(zhǔn)的空間，控制在理想的位置及公差范圍。

3）根據(jù)A、D基準(zhǔn)建立B、C基準(zhǔn)，通過A、D、B、C四大基準(zhǔn)控制車身前后左右的四個安裝點相對于A基準(zhǔn)及D基準(zhǔn)的空間控制在理想的位置及公差范圍。

4）擺臂的前后兩個安裝孔空間位置控制也是如此。

（3）副車架的設(shè)計、制造與測量關(guān)系

1）系統(tǒng)性原則。檢具設(shè)計與夾具設(shè)計原理相同，依據(jù)GD&T的基準(zhǔn)邏輯關(guān)系，確定主定位基準(zhǔn)及輔助基準(zhǔn)，也就是第一、第二至第N基準(zhǔn)。和傳統(tǒng)過程規(guī)劃階段專門定義RPS參考點系統(tǒng)原理相同，只是運用GD&T后，在產(chǎn)品設(shè)計階段已經(jīng)根據(jù)功能、加工、裝配及檢測需要，系統(tǒng)、完整地將RPS系統(tǒng)納入產(chǎn)品數(shù)據(jù)中，這樣產(chǎn)品、工藝和測量對圖樣數(shù)據(jù)的理解就能夠保持一致。

2）測量。CMM三坐標(biāo)測量，不僅反映坐標(biāo)位置、位置度測量，還能進行面輪廓度測量。位置度測量主要是檢測安裝孔的尺寸及位置度公差，面輪廓度主要是檢測與車身及下擺臂的安裝面的輪廓度。

GD&T在電驅(qū)系統(tǒng)的應(yīng)用

電動汽車的電驅(qū)系統(tǒng)（見圖3）裝配后要保證電動機花鍵套與減速器花鍵齒的同軸度（見圖4），否則影響輸出轉(zhuǎn)矩，加速軸承損壞，進而打壞減速器齒輪、甚至殼體。

圖3 電驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 電動機與主減速器同軸要求

1.電驅(qū)系統(tǒng)的功能及制造過程

1）從產(chǎn)品功能分析：關(guān)鍵的特性要求是電動機花鍵套和主減速器速器的花鍵齒的同軸度。

2）從制造過程分析：要保證花鍵套和花鍵齒的同軸度，必須保證主減速器和電動機的配合公差。

2.關(guān)鍵部件及裝配重要度

關(guān)鍵的部件是主減速器和變速器，它是驅(qū)動電動機與半軸的橋梁。其次是電動機、半軸、橋殼及其他輔助連接件。電動機的花鍵套與減速器的花鍵齒同軸需要電動機與減速器的裝配凸圓來保證。如圖5所示。

圖5 電驅(qū)系統(tǒng)裝配

3.關(guān)鍵零部件公差要求

減速器中有一級輸入齒輪、二級輸出齒輪、軸承及減速器殼體，相對于所有零件，其中主減速器殼體最為關(guān)鍵，它是軸承、齒輪軸等安裝載體。

特別強調(diào)：電動機連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計不能形成過度限制，否則會導(dǎo)致電動機中心線與一級輸入齒輪及花鍵齒中心線彎曲，如圖6所示。如果電動機加強連接件上下方向安裝孔設(shè)計成圓孔，那么一旦安裝時將電動機與橋殼支架安裝板之間距離變大或變小，就會導(dǎo)致電動機尾部變形，以致電動機軸線和一級轉(zhuǎn)動軸不同軸。

圖6 主減速器速器結(jié)構(gòu)示意

主減速器結(jié)構(gòu)特性及裝配過程分析及公差定義

主減速器結(jié)構(gòu)如圖7所示。關(guān)鍵零件是主減速器，它與橋殼裝配后，通過定位凸臺與電動機裝配定位圓配對，保證電動機輸出軸與減速器輸入軸同軸。

1.功能特性分析

1）主減速器輸入軸與電動機花鍵套需要定義同軸要求。

2）主減速器與橋殼及電動機安裝面的平面度要求需要定義。

3）主減速器一、二級齒輪軸中心之間相對位置及平行度需要定義。

4）主減速器一、二級齒輪軸中心與殼體底面相對位置及平行度需要定義。

5）主減速器一、二級齒輪軸中心與殼體電動機安裝端面的垂直度需要定義。

2.主減速器殼體的形位公差要求

1）主基準(zhǔn)面A為減速器與橋殼裝配面，其平面度要求為0.05mm；該基準(zhǔn)為加工、測量和裝配的主要基準(zhǔn)。

2）第二基準(zhǔn)面B為電動機與減速器殼體裝配面，其平面度要求為0.05mm。

3）第三基準(zhǔn)面C為電動機和主減速器裝配時的配對圓柱面，需定義圓度要求。

4）電動機配對的定位凸臺與輸入軸軸心線也可以作為一個基準(zhǔn)C。第三基準(zhǔn)C與第一基準(zhǔn)A之間有相對位置要求，當(dāng)基準(zhǔn)模擬體與A面有差異時，基準(zhǔn)C必須與基準(zhǔn)模擬體的切面平行，且距離為212mm?；鶞?zhǔn)C和基準(zhǔn)D共軸線，但其加工工序不同，對二級輸出軸的軸承安裝孔約束也不一樣。

5）第四基準(zhǔn)D對輸出軸軸承安裝孔的公差帶有限制要求，其公差帶中心與D基準(zhǔn)平行，且公差帶中心距離D基準(zhǔn)為106mm。

6）減速器殼體涉及加工及裝配關(guān)聯(lián)的主要GD&T的公差標(biāo)注如圖7所示。

圖7 殼體GD&T的公差標(biāo)注

3.基準(zhǔn)約束鏈的邏輯關(guān)系

圖8是一份簡化的殼體主要功能需求，A、B、C、D各基準(zhǔn)的定義及基準(zhǔn)約束鏈的邏輯關(guān)系示意圖。

圖8 基準(zhǔn)鏈約束鏈邏輯關(guān)系示意

1）首先確定基準(zhǔn)A面的形狀公差，即平面度要求，也是后續(xù)加工、裝配和測量的主基準(zhǔn)。當(dāng)該面加工后，其表面是高低不平的凹凸面，擬合最高的凸點做切面，這就是基準(zhǔn)模擬體表面（相當(dāng)于CMM測量的大理石平板），既是后續(xù)加工的基準(zhǔn)面，也是實際的測量基準(zhǔn)面。

2）根據(jù)“天賦極權(quán)”原則，基準(zhǔn)B面是與電動機端面配合面，所以該面也有平面度要求。同時B面與A面有位置度要求，所以B面與基準(zhǔn)A面垂直，在實際加工過程中也是如此。在測量過程中,定義B基準(zhǔn)時，B基準(zhǔn)面必然垂直于A基準(zhǔn)面。

3）基于同樣原理，基準(zhǔn)C的軸心線和基準(zhǔn)D軸心線與基準(zhǔn)A平行，且垂直于基準(zhǔn)B（注意：此時基準(zhǔn)模擬體是一個垂直于B基準(zhǔn)面的最小外切圓孔和最小內(nèi)切圓柱）。

4）第四基準(zhǔn)D，平行于基準(zhǔn)A，并與基準(zhǔn)A平面的理想距離為212mm，垂直于基準(zhǔn)B，與基準(zhǔn)C同軸。

5）輸出軸軸承安裝孔的不作為基準(zhǔn)，僅為被測要素，它與基準(zhǔn)A平行、與基準(zhǔn)B垂直，與基準(zhǔn)C-D平行，且公差帶中心與C-D基準(zhǔn)中心線理想距離為106mm。

6）注意B基準(zhǔn)面先與A基準(zhǔn)面垂直，逼近實際輪廓的最高點。而不是簡單的垂直，其余C、D基準(zhǔn)做法以此類推。

4.GD&T測量時基準(zhǔn)約束和要素測量

GD&T是基于對功能展開、實際加工裝配過程和測量過程的模擬，特別是三維設(shè)計技術(shù)及CMM三坐標(biāo)測量及測量軟件技術(shù)的發(fā)展，GD&T的更新也和三維設(shè)計、三維測量技術(shù)同步進行。

GD&T在車身激光焊接工程全過程的應(yīng)用

車身激光焊接匹配面如圖9所示。由于激光焊接對板材材質(zhì)、覆蓋件精度、焊裝夾具、機器人運行軌跡及焊縫實時監(jiān)控、跟蹤和調(diào)整，模具、夾具、檢具及激光焊接設(shè)備要求極為嚴(yán)苛，一旦在沖壓、焊接過程中任何一環(huán)出現(xiàn)問題，便會出現(xiàn)漏焊、焊穿、縫隙等缺陷。

圖9 車身激光焊接的匹配面

1.影響車身激光焊接的因素

1）對車身薄板件激光焊接的關(guān)鍵特性缺乏理解。

2）對沖壓、焊接工序的關(guān)鍵工藝過程（見圖10）缺乏有效控制。

圖10 沖壓、焊裝關(guān)鍵工序過程

3）對車身頂蓋和側(cè)圍的表面輪廓度要求及彼此的位置關(guān)系不理解，對如何進行補償和匹配缺乏有效策略。

2.車身結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵工藝分析

（1）車身頂蓋激光焊接結(jié)構(gòu)分析 車身頂蓋與側(cè)圍外板的貼合長度2200mm。模具制造、側(cè)圍總成焊接、頂蓋焊接各個階段，影響貼合縫隙的因素較多，深入理解激光焊接處結(jié)構(gòu)關(guān)系，對如何在過程規(guī)劃階段早期控制其關(guān)鍵孔位、型面非常重要。

從結(jié)構(gòu)分析來看：側(cè)圍與頂蓋貼合邊，側(cè)圍型面控制是關(guān)鍵，因為外板厚度為0.7mm，側(cè)圍單件即便符合公差要求，也滿足激光焊接的極差要求，但其強度和剛性差，在裝焊過程中受內(nèi)板影響很大，這就要求必須嚴(yán)格控制側(cè)圍焊接的5道工序，當(dāng)全部焊接完成，形成剛性體后才不會產(chǎn)生新的波浪變形。

按照傳統(tǒng)的尺寸公差，通過極差法來控制側(cè)圍和頂蓋型面的偏差；要求T≤±0.5mm；在導(dǎo)入GD&T之前，模具、夾具、檢具設(shè)計，在工藝方面采用頂蓋和側(cè)圍搭接面的極差R≤±0.1mm；當(dāng)二者取上下極限偏差時，如果極差在0.1mm，在焊接過程中還能通過定位塊予以調(diào)整，保證其貼合面間隙偏差不大于0.35mm。

控制要點：焊接邊長度2200mm，面輪廓度偏差在±015mm內(nèi)。在這里可以采用ST 統(tǒng)計公差，當(dāng)公差值偏向某一側(cè)，概率＞80%，模面修整以此為基準(zhǔn)，可以減少模具修整工作量（后續(xù)焊裝可以調(diào)整到合適位置）。

（2）關(guān)鍵的側(cè)圍總成焊接工序 如圖11所示，從側(cè)圍總成關(guān)鍵焊接工序來看，會產(chǎn)生以下問題：外板左右竄位，如果不規(guī)則，會導(dǎo)致長距離間隙不均勻。

圖11 側(cè)圍總成控制

（3）關(guān)鍵的車身骨架合裝工序 如圖12所示，總拼工序是指頂蓋預(yù)裝，在頂蓋后部進行電阻焊點定，保證頂蓋定位要準(zhǔn)確。夾具關(guān)鍵控制點如圖13所示，當(dāng)夾具打開后，會有一定的偏移量，但不會影響最終位置，后續(xù)還有一次定位和頂蓋壓緊。

圖12 總拼工序示意

圖13 MB80合拼夾具關(guān)鍵控制點

3.車身關(guān)鍵部件的GD&T的定義

（1）產(chǎn)品特性和過程特性分析 產(chǎn)品的關(guān)鍵特性在于激光焊接連續(xù)完整美觀，關(guān)鍵是保證密封及強度。零部件過程特性表現(xiàn)在頂蓋、側(cè)圍是柔性件，其在沖壓和焊接過程中不斷組合、變化，由柔軟件到剛性件逐步演變，且各個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵要素必須控制到位。

（2）定義 基于車身關(guān)鍵特性和過程特性，確定第一基準(zhǔn)后，依據(jù)需要控制要素的需求，第二基準(zhǔn)、第三基準(zhǔn)等。僅以側(cè)圍總成基準(zhǔn)和關(guān)鍵型面來討論，車身總成是一個大范圍的立體空間，采用基準(zhǔn)借用的方法?？偲磰A具的BASE板（底板）及兩側(cè)BASE板構(gòu)成，將另行討論。

GD&T產(chǎn)品定義明確，結(jié)合車身覆蓋件的特點，首先保證面輪廓度最終控制在±0.15mm（見圖14），基于最大實體原則，和焊裝工序的可調(diào)整性，適當(dāng)降低定位位置度要求。其主要作用是：保證激光焊接的匹配要求；降低模具制造的過剩公差要求；減少模具制造成本；縮短模具調(diào)試周期。

圖14 GD&T面輪廓度公差定義說明

4.側(cè)圍單件基準(zhǔn)約束鏈的邏輯關(guān)系

為說明基準(zhǔn)約束鏈之間的關(guān)系，選取側(cè)圍上主要基準(zhǔn)以及與焊接型面相關(guān)的基準(zhǔn)予以說明（見圖15）。

圖15 基準(zhǔn)約束鏈關(guān)系

（1）第一基準(zhǔn)A定義：在側(cè)圍A柱的主定位孔，不僅是單件，也是側(cè)圍總成、車身骨架上的基準(zhǔn)孔，在制造過程中，是模、夾、檢具的主基準(zhǔn)。

限制：基準(zhǔn)軸心垂直于YZ面，它有X、Z方向的位置自由度（如果剛性體，可以限制方向，Y方向旋轉(zhuǎn)）。

（2）第二基準(zhǔn)B定義：在側(cè)圍后部的主定位孔，受A基準(zhǔn)約束，它的位置度公差帶是一個直徑為φ0.1mm的圓柱，且平行于A基準(zhǔn)軸心線。

限制：B基準(zhǔn)軸心線平行于A基準(zhǔn)軸心線或與A基準(zhǔn)軸心線垂直的面相垂直，公差帶為直徑為φ0.1mm的圓柱，它有X、Z方向的位置自由度（如果剛性體，可以限制方向，Y方向旋轉(zhuǎn)）。

（3）第三基準(zhǔn)C定義：在側(cè)圍中部的主定位孔，受A基準(zhǔn)和B基準(zhǔn)約束，它的位置度公差帶是一個直徑為φ0.1mm的圓柱，且平行于A基準(zhǔn)和B基準(zhǔn)軸心線。

限制：C基準(zhǔn)軸心線平行于A和B基準(zhǔn)軸心線或垂直于A和B基準(zhǔn)軸心線垂直的面，它有X、Z方向的位置自由度（如果剛性體，可以限制方向，Y方向旋轉(zhuǎn)）。

（4）第四基準(zhǔn)目標(biāo)D定義：激光焊接型面長度2200mm，為保證側(cè)圍沖壓件測量的準(zhǔn)確性及在側(cè)圍焊接過程中的穩(wěn)定性和一致性，確定了約20個基準(zhǔn)目標(biāo)，來控制側(cè)圍外板在焊接過程中竄位。

限制：它受基準(zhǔn)A、B、C限制。

（5）第五基準(zhǔn)目標(biāo)E定義：控制整個側(cè)圍面，為了保證側(cè)圍沖壓件測量的準(zhǔn)確性和側(cè)圍焊接過程中的穩(wěn)定性和一致性，確保側(cè)圍大面受到定位限制，焊接后不至于變形過大。

限制：它受基準(zhǔn)A、B、C限制，相對于D基準(zhǔn)獨立。

（6）基準(zhǔn)約束鏈的總結(jié) 基準(zhǔn)A、B、C構(gòu)成空間坐標(biāo)基準(zhǔn)，控制側(cè)圍總成的相對位置，限制其他所有的基準(zhǔn)和基準(zhǔn)目標(biāo)。車身部件直接受基準(zhǔn)A、B、C限制，不僅要保證型面位置正確，也要保證其位置在規(guī)定的位置公差內(nèi)：面輪廓度公差帶3mm的浮動面，既控制方向，也控制位置，面輪廓度公差帶1.6mm僅控制方向，它可以在公差帶3mm的范圍內(nèi)浮動，面公差帶公差0.3mm表示型面的面輪廓度可以隨1.6mm公差帶在3mm的公差帶內(nèi)浮動。

結(jié)語

在系統(tǒng)集成、加快產(chǎn)品開發(fā)速度、規(guī)避項目風(fēng)險、降低制造成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量方面，GD&T/GPS提出了系統(tǒng)性及邏輯性極強的解決方案。其核心理念是在充分進行產(chǎn)品功能展開的基礎(chǔ)上，模擬實際加工、檢測過程，并將加工工藝的可實現(xiàn)性、測量方案的可行性集成到一起，進行先期分析和綜合完整的考慮。它是促進機械工業(yè)發(fā)展的重要工具，無論是基礎(chǔ)裝備、航天航空、汽車及電子技術(shù)等行業(yè)，都必然會得到廣泛應(yīng)用。