汽车饰件过定位设计必要性及运用原则

刘庆上

（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心）

汽车内外饰中的多数部件（主副仪表板、门板、顶棚、立柱及保险杠等）几乎都采用塑料件，传统的金属零件有被替代为塑料件的趋势。然而塑料件和金属件相比变形更大，产品上需要更多的约束及定位。但并不是过多和随意使用定位就是合理的过定位。在工程开发中，如果经验不足很容易出现定位不合理的问题：一方面定位不足，而另一方面不合理过定位却同时存在。只明白了经典的定位原则[1]，对于塑料件的产品开发来讲远远不够，有必要对过定位的规律进行探讨和总结。

1 定位基本原则

定位的基本原则就是要限制装配零件的6个自由度，设计中有3-2-1原则。这方面可参考文献[1-3]。文章从过定位的必要性入手进行研究。

2 过定位必要性

在刚体中，只要有清晰的六自由度概念，很容易区别定位不足与过定位问题。定位不足无论是在接近刚体的模型中还是在塑料件这种容易变形的非刚体模型中，都是不允许的。然而塑料材料虽然比刚度高，但绝对刚度却比金属材料相差很多，所以在塑料件设计中需过定位的地方比比皆是。如果过定位是合理的，就意味着只用传统的经典定位理论来进行设计必然会带来定位不足的问题。文章着重从结构及工艺方面来说明过定位的必要性。

2.1 结构需要

在汽车饰件中，刚度是一项基本要求。刚度不足，一是影响产品的使用寿命和性能指标；二是影响客户的舒适度，过软的内外饰产品常会给人以次品的感觉。塑料件刚度主要是由所选择的材料与结构设计决定的。在内饰标准中，刚度要求在几十牛顿力的作用下只允许1 mm左右的变形。需要注意的是，在满足强度和刚度标准的前提下，并不是刚度越高越好，比如还要考虑人体保护的吸能结构。

图1示出1 N力作用下塑料件受力刚度CAE分析模型。一块150 mm×150 mm（这是饰件中较为普通零件的尺寸级别）的厚3 mm的塑料板，如图1a所示，采用ABS材料，杨氏模量 2.2×109Pa；在 A4点（2 mm×10 mm）施加1 N的力，运用壳单元计算，其变形达0.516 mm（其他3个同尺寸的点相当于3个局部基准点，为固定约束），如图1b所示。1 N的力所模拟的干扰在内饰中代表的因素很多，这样的变形量对于乘用车来说是绝对不允许的。以上面标准衡量，该ABS零件强度远不符合要求。

2.2 工艺需要

工艺加工是另一个引起尺寸误差的重要因素。据文献[4]，注塑成型条件波动所造成的误差占塑件公差的1/3。乘用车内饰件匹配要求非常精细，造型特征线以及零件之间的间隙与面差要求多在0～2 mm范围内变化，误差常在0.5 mm左右，小尺寸零件要求更高。

图2示出某车门板内饰的一个细长塑料零件（长约700 mm，厚约2.5 mm，PC/ABS材料）的MoldFlow分析模型。从图2可见，两端的注塑变形达4 mm，这和实际变形相当吻合。如果任由其自身变形不加控制，造型的效果与精细化设计就无法保证。

2.3 其他因素

实践中，对塑料件尺寸精度影响的因素更多，比如材料、模具及使用环境（温度、热和光等）等[4]。这些因素造成的结果就是尺寸不稳定，避免或减缓这些因素的有效手段就是合理的过定位。这也同时说明，不管是刚体还是柔性体，都要尽量避免定位不足。

3 过定位使用原则

3.1 基本原则

图3示出某轿车亮饰条零件与断面示意图。图3b中，零件p与零件q安装配合，零件p左右最宽处只有35 mm，零件自身因注塑工艺引起的变形非常有限。图4示出该零件变形分析示意图。

可以假设零件中任何一点为变形不动点（测量基准点，实际分析多取定位基准点为无变形点），假设变形不动点位于上方，那么左右两侧卡脚则可以单独左右变形（也有可能受其他因素影响，比如加工误差带来的尺寸误差）。如果依经典定位理论，只把其中1个点作为四向定位点，另一侧为二向定位。如此一来，二向定位一侧左右方向上的变形必然失控，因为在这种带缺口的形状中，卡脚点极易绕顶部的变形不动点发生类似转动变形。相比而言，如果形状变成假设轮廓（见图4中2条直线和左右卡脚组成新的形状），那么此转动变形则变成轮廓的伸缩变形，由于材料填补了U形缺口，伸缩变形（上下变形不影响左右方向的配合，在此讨论中先不予考虑）不容易发生，这类似弹簧结构多是柔性结构，而不是一个实心结构。那么相比于图4中的假设轮廓情形，在二处都加四向定位销则避免了变形失控问题，2个四向定位销就是过定位。假设零件p不变形（绝对不变形是不存在的，此处的不变形只是变形非常小，可以忽略的方便说法，其他同），而其零件q变形较大，2个四向定位可以使得该亮饰条零件方便地跟随零件q变形，使得匹配得以保证。如果此处设计中仍遵守传统原则，只设1个四向定位，显然设计不够合理。如果断面形状变成假设轮廓，通常经典二四向定位可以满足定位匹配需求，此时是不是一定不能用过定位则需要讨论。当零件的尺寸在足够小的情况下，尺寸加工误差非常稳定并且很小，此时的零件和3D数模非常接近，在实际工程中也常用多个过定位结构，匹配非常好，这是过定位使用的另一种原则，需要尺寸链计算和经验积累，需要慎重使用，所以虽同属于过定位问题，这种情况不在文中展开。

须注意，图3显示的都是卡脚（即定位销）单侧定位（比如右侧的定位销左侧留有大间隙），这是因为断面位置所限，实际上2个卡脚均是左右方向的二向定位，即设计间隙近乎是0[2]。甚至在较高点处也可以布置左右方向定位。此时U形的断面特征使得零件变形完全被吸收，不会引起零件拱起和翘曲等对匹配不利的变形。

综上，过定位因变形而起，在设计中必然要回到变形上去寻求答案：凡是容易变形的地方，尽可能进行约束。变形和过定位是互为因果的。容易变形之处可以设置过约束过定位；反之，过定位也必然引起变形，只要过定位引起的变形可被合理吸收，则该处设置过定位则有其必要性。因此图1中A4点作为基准点是没有问题的，原则同理。是否容易变形，变形是否有空间可以被合理吸收是过定位判断的关键。

3.2 常见的需过定位的零件形状

对于第1基准（A基准）而言，基准要能提供足够多的支撑，同时以螺钉、焊接及卡接等其他连接进行限制，以减少不必要的变形，使结构具有抗变形能力。对于B，C基准而言，除了考虑变形因素以外，还要避免因不必要的过定位及定位不足的问题而使零件发生平动和转动。B，C基准实践中更难以辨认，是实践中的重点。图5示出有旋转风险的过定位方式（去除e）。在图5 中，如果没有 e，每边腰形孔的过定位（由 a，b，c，d 多个二向定位组成）似乎能控制好每边的变形，但却存在转动可能。这就使得工程人员在设计零件定位与连接点时应考虑到尽可能多的干扰因素，比如在设计时可以从各个角度设想该零件存在干扰来检验零件定位是否不足。

塑料件设计中常见的3种过定位情形如下：

1）狭窄细长类零件。这类零件在内饰中通常是有表面处理的饰条类零件，如图6所示。关于A基准使用过约束上文已经说过；对于B，C基准，图6中增加了一个C2（此时由C1，C2组成了C基准系统）基准。假设减少C2基准，减少端C2在垂直纵长（C1C2连线）形状方向容易出现不可控的变形。在减少一个C基准的基础上，增大B，C基准间距，在2个基准之间容易出现变形，并且沿纵长方向在C的一端，公差累积变大。

2）有缺口可变形类零件。此类零件很多，如断面为U形的手套箱框式杂物箱，如图3所示，或断面为环形的换挡饰条等，如图5所示。此类零件如果能加以合理辩认和利用，可以设计出很多合理的过定位，使汽车饰件匹配效果在不增加过多成本的前提下更加精美与细腻。

3）系统尺寸级别较大，需要多个止位结构或限位结构（即基准）。如保险杠及仪表板系统。一个乘用车的仪表板A基准会达到十几个，B基准1个，而C腰孔基准会至少达4～6个。这种情况不止是塑料件，材料刚性较好的其他产品设计也是如此（其原因仍是和变形或刚度控制有关），本质上仍是变形的问题。

4 结论

在目前的工艺水平下，塑料件等柔性零件在加工过程中出现较大的变形是客观存在的事实。对于塑料等柔性非金属件来说，只运用刚性的约束理论是远远不够的，合理的过定位是必须的，在塑料件的开发设计中应充分重视过定位，并在实践中给予充分应用。判断过定位是否合理的原则就是零件是否容易变形，而此变形是否有合理吸收的空间，在此原则下剩下的工作就是大量的实践与总结。