基于产品功能特性的轿车静态最小间隙分析

葛磊 郁向东 王正涛

（绿驰汽车科技（上海）有限公司）

白车身尺寸工程[1]贯穿于车身开发的各个阶段，包括前期的尺寸公差设计和后期尺寸公差控制2个方面；文献[2]介绍了前期设计中三维偏差分析采用的算法、虚拟样车偏差分析模型建立开发流程及尺寸项目开发中的公差分配设计方法；文献[3]强调了尺寸公差的重要性：不仅影响到制造和装配过程，还影响到产品的功能；文献[4]则阐述了MC阶段车身偏差问题解决的具体方法，并针对车身偏差具体问题加以验证，最终得到较好的效果。上述文献研究都重点关注了尺寸工程从前期概念设计开发阶段的偏差源分析到后期制造阶段的偏差项监控，但并未对初始设计状态下名义值与偏差的叠加效应，即静态最小间隙予以详细阐述分析，尤其是当静态最小间隙数值如果设计不合理，不但会影响外观视觉效果，更有可能导致产品功能无法实现。文章论述了静态最小间隙的设计方法和相关影响因素，对于指导轿车前期产品设计和加强后期制造阶段总体偏差控制具有实际指导意义。

1 常规间隙定义方法

1.1 整车间隙的定义标准

整车间隙定义要求包括2个方面：间隙理论名义值与间隙公差值。前者呈现整车在理想设计下的状态，而后者则是综合零件制造偏差，是人工装配误差等影响因素估算的累积偏差。其关系表达式，如式（1）所示。

式中Gap——设计间隙要求标准，mm；

N——间隙名义值，mm；

T——公差值，通常情况下T=3σ，3σ为静态尺寸链累计偏差，mm。

1.2 间隙定义的常用方法

图1 对标车型测量数据信息收集显示界面

图2 3DCS软件中偏差模拟显示界面

当2个零件的配合是有相对运动关系时，如轿车发动机盖与大灯，不仅要求两者相对运动时不能接触（Gapmin＞0），而且还要考虑发动机盖的过行程冲击时不伤害大灯表面，因此Gapmin还需要预留修正值(Gapmin’/mm)，如式（3）所示。

1.3 最小间隙定义的评估

通过上述的设计及分析，确立了间隙定义的数值。然而这种建立在数值测量和公差分析的定义方式并不能完全确保该结果就一定符合实际生产环境，由式（1）可知，在极端情况下的最小间隙（Gapmin/mm）的计算，如式（2）所示。

式中：TF——设计最小间隙时必须预留的功能间隙，mm；

T'——公差修正值，mm。

不仅存在相对运动关系的零件之间必须满足式（3）的要求，即便是静态零件相互之间的定义也适用该要求，当TF=0时，静态零件间的间隙定义T'=T，也就是式（2）所表述的情况。

2 产品功能特性的分类及影响

结合实际工程设计和制造的经验，从材料特点和零件设计功能特点进行分析。

2.1 材料特性对间隙定义的影响

一般情况下，无论是轿车外饰还是内饰的间隙配合定义，都以零件材料的“软”或“硬”程度作为参考依据。“软”性质地的材料无论对手件使用什么材质，都会定义为“0”间隙要求；而“硬”性质地的材料的对手件如果也属于“硬”性质地的材料，则必须保留设计间隙值，以防止摩擦或异响等缺陷产生，这是最基本的定义原则。但就“软”或“硬”的程度而言，并没有普遍的量化标准作为参考。

为了能量化材料软硬程度对间隙尺寸定义的影响，这里引入基于零件相对压缩量的偏差累计分析。假设某间隙接口处的尺寸链偏差累计为±3σ，零件之间的相对压缩量为Δ（这里Δ相当于TF值），分别就Δ的不同取值进行分析。

1）当Δ=0时，说明零件之间根本无法产生相对压缩，所以必须N≥3σ，使得Gapmin≥0。这也解释了为什么无法压缩的2个零件间隙名义值不能设计为“0”的原因。

2）当Δ≠0时又可以分成2种状态进行分析。

a.当Δ-3σ≥0时，说明零件之间的相对压缩量能够克服尺寸链的累计偏差,不需要对该处材料预留功能尺寸，由式（3）可知：

这种情况下，N可以定义为任何非负数值，当然从美学角度来说，N=0能够使得外观配合效果处于最佳状态。

b.当Δ-3σ＜0时，则说明零件之间的相对压缩量无法完全克服尺寸链的累计偏差，由式（3）可知：

图3示出材料相对压缩量的最小间隙分类框图。

图3 基于材料相对压缩量的最小间隙分类

2.2 产品设计功能要求对间隙定义的影响

文献[5]强调尺寸偏差可直接影响轿车的外观匹配、风噪声及密封性。间隙的定义不仅对零部件外观视觉效果起到规范要求及体现造型的设计意图，而且更重要的是限制零件的相互位置关系，确保零件的设计功能得到有效的发挥。

例如某车型转向盘上的喇叭罩盖与转向盘本体之间的间隙定义，其设计功能要求驾驶员在一定的操作力范围内按下喇叭罩盖后，喇叭能够正常鸣响。从美学角度讲当然希望间隙越小越好，甚至为“0”，但如果名义值按照“0”间隙设计产品，一旦零件相互干涉挤压会存在操作力过大，甚至有零件运动阻滞无法按响喇叭的风险。

由T'=3σ-TF可知，首先应计算外观配合面之间的3σ，该案例中3σ=1.0 mm；同时参考对标车型的测量数值统计得到N=3.0 mm。

TF基于产品设计要求分别通过虚拟分析和实物验证得出，其中实物验证设计方法，如图4所示。

图4 某车型喇叭罩盖与转向盘本体间隙实物验证设计方法

虚拟分析采用模拟驾驶员在时钟12点位置按压喇叭，分别查看在转向盘中心、偏置1/3及偏置2/3位置时喇叭罩盖的运动轨迹，分析是否会与本体产生干涉。图5示出转向盘断面示意图，图6示出喇叭罩盖与转向盘本体相对运动干涉量示意图。

图5 某车型转向盘断面示意图

图6 喇叭罩盖与转向盘本体不同位置相对运动干涉量示意图

该转向盘在中心偏置2/3位置时喇叭罩盖与本体无干涉，而在转向盘中心位置及中心偏置1/3位置时分别产生0.07 mm和0.03 mm的干涉，因此TF取最大值0.07 mm。将该处数值取整设定为0.1 mm，用于消除运动模拟时的干涉量，同时利用实物样件对操作力进行数据验证。表1示出转向盘实物操作力试验数据。

表1 转向盘实物操作力试验数据表 N

从表1可知，相对测量点的数据满足设计目标，根据式（3）可以确认该案例的Gapmin'数值。

尽管两者计算之间只有0.1 mm的差异，但是设计时如果忽略这0.1 mm的干涉量，就可能导致操作力增大，影响客户的实际体验。推广到其他功能件间的间隙定义，尤其是运动件，诸如车门、后盖或者是内饰的按钮开关及储物盒面板等都可以参照该方法进行最小间隙的设计和校核。

如果按照式（2）进行分析，则Gapmin'即为Gapmin。

3 结论

通过对轿车传统意义上的静态间隙名义值和公差叠加效应的分析，并结合材料特点和零部件产品设计功能要求，使间隙定义不仅仅局限于外观美学的范畴，更为尺寸工程前期设计提供了更广泛的研究空间。当然，影响最小间隙的产品功能特点还存在其他不可忽视的因素，例如：人机工程操作空间、安全法规要求、零部件布置空间要求及噪声振动因素等，这需要在以后的研究中结合产品进一步深层次挖掘。