关于汽车零部件空间定位设计的研究

于金生，张浩，李龙

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000;2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)



关于汽车零部件空间定位设计的研究

于金生1,2，张浩1,2，李龙1,2

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000;2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

摘要：无论是汽车，还是组成汽车的任一零部件，均可想象为三维空间中的一个刚体，而刚体的运动可分解为随质心的平动和绕通过质心某直线的定点转动，即在空间有6个自由度。汽车零部件空间定位的失效其实质就是质心在三维空间坐标中的6个自由度未限制到位，例如应该完全定位的零部件设计成欠定位，必然导致零部件的失效。对汽车塑料零部件空间坐标中定位结构的设计、定位种类选取、尺寸链等进行研究，以提高零部件的使用寿命，使汽车零部件空间定位结构设计达到最优。

关键词：空间坐标；六点定位；尺寸链

0引言

汽车零部件与零部件之间配合结构的失效其实质就是三维空间坐标系中刚体质心某一项自由度定位的失效。汽车及其汽车零部件均是在三维空间坐标系中进行设计，任何一个汽车零部件的质心既有平动自由度又有转动自由度。刚体质心的位置，需3个独立坐标，即X轴、Y轴、Z轴。同时自由刚体有3个平动自由度，刚体绕通过质心轴的转动，共有3个转动自由度。所以，任何一个汽车零部件共有6个自由度，即3个平动自由度和3个转动自由度。零部件与零部件之间牢固的配合定位就是消除零部件空间自由度的效果。

1空间直角坐标系

为了更好地体现汽车上各个零部件之间的相对空间坐标位置，更好地解决汽车零部件之间的配合关系，无论是汽车前期模型设计、中期的三维结构设计还是后期整车精度测量等都是在三维空间坐标系中进行的。

1.1空间坐标定义

三维空间坐标是相对于二维空间坐标而言的，在二维空间平面内X轴与Y轴相互垂直，且相交于坐标原点O。过坐标原点O做一条垂直于XY轴组成平面的轴线，即Z轴。X轴、Y轴、Z轴3条坐标轴组成的坐标系即为空间坐标系。由原点O、X轴、Y轴组成的平面为OXY平面。由原点O、X轴、Z轴组成的平面为OXZ平面。由原点O、Z轴、Y轴组成的平面为OZY平面，在空间坐标系中3个平面相互垂直。三维空间的X轴、Y轴、Z轴用来说明三维空间中的物体相对原点O的距离关系。

1.2空间坐标在汽车中的应用

汽车设计也是在空间坐标系中进行的，整车坐标系如图1所示。驾驶员的前后方向为整车的X向，从前向后为X向正方向，记为+X向，从后向前为-X向，“-”不可省略；整车的左右方向为Y向，主驾驶到副驾驶侧为+Y向，从副驾驶侧到主驾驶侧为-Y向；整车的上下为Z向，从下向上为+Z向，相反为-Z向， 如图1所示。

一个尚未定位的汽车零部件，其位置是不确定的。将未定位的零部件放在空间直角坐标系中，零部件可以沿X、Y、Z轴移动到不同的位置，也可以绕X、Y、Z轴转动到不同的位置，所以要想汽车零部件之间相互配合良好就必须限制零部件空间6个自由度。零部件空间自由度限制需遵循能用点不用线限制、能用线不用面限制的原则。汽车零部件设计最优状态为6个定位点限制6个自由度，即六点定位原则。用“六点定位”分析零部件的定位时，应注意：

(1)6个定位点限制零部件的6个自由度原则上是6个定位点与零部件零距离限制，但在汽车设计过程中，考虑到零部件的翘曲变形问题不可避免，一般情况下会在定位点与零部件之间留0.1～0.2 mm的装配公差；

(2)六点定位不能理解为零部件的空间自由度就需要6个定位点来限制，因为在设计过程中需考虑零部件的强度问题，可能多于6个定位点也可能少于6个定位点，也就是在下面要讲解的欠定位和过定位原理。

图1　整车坐标系

1.3空间结构定位设计

汽车塑料零部件空间结构定位设计主要分为以下两个方面：(1)塑料零部件与车身钣金零部件的定位设计。在汽车内外饰设计中，塑料零部件大部分均固定于车身结构，例如车门饰板与车门内钣金卡扣卡接、仪表板与仪表板加强梁螺接等。无论采用何种定位方式均需满足零部件的性能、功能等，且使空间结构定位设计简单化。在结构定位方式选取时，优先利用零部件的自身重力采用Z向定位，同时Z向定位也利于零部件的装配和拆卸。(2)塑料零部件之间的结构定位设计。零部件之间空间结构定位的失效一方面体现在零部件的功能失效，而相对于内外饰模块主要体现在外观品质方面，即零部件与零部件之间配合的段差。因此零部件空间结构设计不能只单独考虑安装方式，必须综合考虑[1]。

2零部件空间定位分类

零部件之间的定位根据不同的定位种类可分为完全定位、不完全定位、欠定位和过定位。在结构设计时需根据不同的情况选择不同的定位种类。

2.1零部件的完全定位

零部件的完全定位是指汽车零部件在空间坐标系中的位置是唯一的，且6个自由度完全被相互配合的零部件所限制，完全定位是零部件装配较理想的状态。

完全定位也是汽车零部件固定方式中较常用的定位方式。如图2所示，为汽车副仪表板上两个开关堵盖，通过前后两个悬臂梁与副仪表板卡接固定，见图2(a)、(b)。开关堵盖通过悬臂梁卡接限制堵盖Z向自由度，防止堵盖上下移动。通过中间加强筋限制Y向自由度，开关堵盖轮廓宽度限制X向自由度，如图2(c)、(d)所示。空间坐标X、Y、Z自由度均被限制，开关堵盖可牢固固定。

图2　完全定位

2.2零部件的不完全定位

相对于汽车零部件完全定位而言，在结构设计中允许缺少的定位情况是不完全定位，不完全定位的限制点可以少于6个，而且对零部件的功能、性能等不产生影响，此种情况的结构设计是允许的。例如：汽车的扶手箱、杂物箱等零部件，其功能为可以打开关闭的储物零部件，所以其定位为不完全定位。

2.3零部件的欠定位

零部件与零部件之间的装配失效多来源于欠定位，即零部件6个空间自由度没有被有效限制。如图3(a)所示，堵盖左右通过卡子连接周边结构，卡接牢固为完全定位固定。图3(b)中左侧卡子改为导向安装筋，缺失Z向卡接定位，零部件左侧极易翘起，此状态为欠定位失效效果[2]。

图3　欠定位失效

2.4零部件的过定位

由于零部件自身的强度问题，有时一个定位点无法去限制零部件相对应的空间自由度，需要两个或者两个以上的定位点或线去限制零部件的自由度，此种情况对零部件的装配精度或定位更有利，称为过定位。一般情况下尺寸较大的易变形零部件采用过定位设计。但当过定位结构设计影响零部件的装配和拆卸就不赞同采用。

如图4所示，高位制动灯与尾翼配合结构采用3个固定点固定。固定点1为Z向定位，固定点2为Y向定位，固定点3为Z向定位。两个零部件配合采用两个Z向定位，主要考虑高位制动灯Y向距离较大，产品易变形，无法保证与尾翼周圈配合的间隙面差均匀性。Y向定位布置于制动灯中间主要是为避免壳体的收缩导致左右端点定位不均问题[3]。

图4　过定位

3尺寸链

汽车零部件三维空间定位的设计仅仅是理论值，在零部件制造过程中必然存在偏差，在装配过程中，存在误差传递和积累，这对产品的尺寸质量、精度具有重要影响，同时也影响产品性能。为了评估和优化产品结构和工艺过程，降低装配后的尺寸误差，需要利用尺寸链计算和分析最后可能出现的误差积累效果。尺寸链原理是在保证产品性能和技术经济效益的原则下，分析并研究整车零部件与零部件精度间的关系或是单个零部件不同尺寸之间关系所应用的基本理论。利用尺寸链，可以分析确定机器零件的尺寸精度，保证加工精度和装配精度。

汽车是由无数单个零部件装配而成，公差会逐级积累形成多个尺寸链，如图5所示，假设零部件1的公差为L1，零部件2的公差为L2，零部件3的公差为L3，这3个零部件装配而成的总成的公差为L0，则这4个尺寸形成了1个尺寸链关系。

图5　尺寸链

无论是零部件制造公差还是装配公差都无法消除，而最优化的设计状态是将公差累积到对关键尺寸要求不高的地方，或在零部件与零部件配合之间消化掉。如图6所示，副仪表板上盖板由点烟器装饰板、换挡装饰板、手刹装饰板组成，3个装饰板在Y向依次搭接装配，而累积公差消化的地方为换挡装饰板与点烟器装饰板和手刹装饰板搭接处，采用搭接配合而非对接配合，主要是为消化由于零部件尺寸收缩造成的公差累积[4]。

图6　公差累积

4总结

零部件与零部件之间的装配过程、配合过程实质就是三维空间坐标的定位过程。不同汽车部位的零部件、不同功能的零部件需选择相应的定位种类及定位基准，以使结构简单化。

(1)空间定位设计应最大程度地简化结构，遵循能用点定位不用线定位、能用线定位不用面定位原则；

(2)尽可能将定位设计成沿Z方向进行。最简单和期望的装配是沿Z方向直线进行，它可以利用重力进行装配，也更容易实现自动化。一些导向用的功能设计，比如下沉、定位柱、导向筋、卡扣等都能有助于保证零部件的装配精度；

(3)不同部位的零部件、不同功能的零部件需根据设计状态选择不同种类的定位方式；

(4)最大限度地减少装配件之间的尺寸链，大的尺寸链总误差是由于多个尺寸链误差累积而造成的，因此减少尺寸链是减少尺寸总链误差的最好方法。减少尺寸链既可以从减少零部件着手，又可以从如何确定定位基准和安装方式入手。

参考文献:

【1】漕渡.汽车内外饰设计与实践[M].北京：机械工业出版社，2011.

【2】博登伯杰 保罗 R.塑料卡扣连接技术[M].北京：化学工业出版社,2004.

【3】罗太泽尔 乔丹.塑料连接技术[M].北京：化学工业出版社,2006.

【4】张志军.汽车内饰设计概论[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

作者简介：于金生(1981—)，男，大学专科，工程师，从事汽车整车项目开发工作。E-mail：zhanghao198594@126.com。

中图分类号:U47

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)01-058-03