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1、 整车总装试制的设计验证方法浅述 徐娇珑冯昊王昉李高周扬摘 要：样车试制是整车研发体系中承上启下的一个环节，不仅需要按时按质交付试验实体，而且也为产品设计提供了充分验证的平台。需在试制阶段将产品设计问题充分发现并形成有效的解决方法，以减少量产环节的设计变更成本和客户抱怨。试制总装作为由虚拟评估转向实体整车产品的首个环节，对产品设计的验证和新车型的快速量产起到了关键性作用。本文主要针对整车总装试制阶段的产品设计验证问题和方法进行了初步的分析和研究。关键词：整车试制;产品设计验证;总装试制1 引言样车试制是指新车型在工厂量产前的所有物理造车活动的总称。随着汽车市场竞争日益激烈，各大整车制造商在提升
2、自身产品质量的同时，不断压缩新产品的设计和研发周期，以达到提高市场占有率的目的。样车试制作为由虚转实的首个阶段，除了需要按时按质交付符合各项试验要求的实体资源外，还需对产品设计进行充分验证，通过实体造车过程识别产品的设计问題并推动有效的解决措施，减少后期的设计变更成本，实现高品质的快速量产，避免严重的设计缺陷遗漏至量产阶段，导致批量性的质量溢出，给企业带来巨大的经济损失1。2 试制阶段的设计验证所谓设计验证，就是在设计输出的适当阶段，对设计结果进行的验证活动，以评估设计满足输入要求的程度。在试制阶段，重点从产品设计的结构、功能、匹配等多方面进行验证，主要包括产品结构的安全可靠性、人机性能、节拍
3、、维修便利性、功能可达性、防错、匹配性等维度去验证产品设计。试制总装是所有整车零件集成的环节，是零部集成设计验证的最佳平台，从零部件本身的设计验证到零部件之间匹配的设计验证，多角度发现设计问题并推动形成有效的解决方案，确保新产品符合生产制造的要求。3 试制阶段的产品设计验证维度基于目前整车试制验证活动开展的程度和主要关注点，总装阶段的产品设计验证主要从这四个维度进行：结构、功能、匹配和扭矩。相应地主要产品设计验证活动也是围绕这四个维度展开的。3.1 设计的结构性验证在试制总装环节验证产品设计的结构合理性时，主要考虑其可达性、人机性能、节拍、售后便捷性这些方面，以确保新产品的设计满足量产的要求。
4、3.1.1 设计结构的可达性在试制装配环节验证产品设计结构的可达性，就是通过实车装配识别和发现在前期虚拟评估中较难辨别的设计结构问题，确认零部件本身以及与周边零件在结构设计上的符合程度和可达性。是否存在装配容易松脱或是存在安全隐患等情况。以线束为例，发动机线束与前舱线束在数模中的设计状态看似符合要求，但是有时会忽略了汽车在行驶过程中因发动机抖动而造成的相对运动，使得线束长期处于受力拉伸状态而造成线束断裂的失效风险。3.1.2 设计结构的人机性能从满足人机性能的角度验证产品结构的设计问题，不仅能提高装配效率降低单车成本，还能降低工人错装的概率，同时为产线工人提供了更舒适的装车体验。所谓装配过程中
5、的人机性能，主要是考核零件安装时的操作空间和安装力的大小是否符合人机工程的要求。对于产品结构的安装操作空间的评估，主要分为如下表1的4类手部安装通过性尺寸要求。对于零件安装力的评估主要针对不借用工具的手动安装情况，主要从5个方面对产品设计结构对手部安装力的基本要求进行评估，如下表2。在整车总装试制过程中，对于手部空间小或者安装力大的问题都应作为设计结构的人机问题提出，通过前期的设计结构优化来改善后续量产的人机性能。人机性能的提升，同时也确保了产品质量的稳定性。3.1.3 设计结构的节拍生产节拍可解释为用于安装的有效操作时间。一个好的产品结构设计同时也需要符合生产节拍的要求。例如自定位，预挂，零
6、件再集成，避免过定位，同位置的紧固件统一，不同配置同类零件的装配方式统一等，都是设计结构需要考虑的节拍要求。举例，某车型在试制过程中发现1.3T和1.0T发动机的前氧传感器固定于增压中冷器出气道上的方向不一致：1.0T正向安装，1.3T反向安装，如下图1所示。对于反向安装的设计结构不仅所需时间较长，而且容易导致错装。通过对设计结构变更的综合评估后，将1.3T和1.0T的安装方式进行了统一，在避免了盲装的同时提高了3s的单车节拍。3.1.3 产品结构的维修便捷性售后是一个产品销售的重要构成部分，好的设计同时需考虑零件的维修便利性，能够简化维修人员的工作，降低对使用和维护人员的技能要求2。基于产品
7、售后维修的概率，在前期产品结构设计时，就需要考虑维修的便捷性，从而降低售后的维修成本。这也是一个好的产品结构设计的考核标准之一。例如，线束的插接件应布置在手可以触及的位置，或简单拆卸一些零件件后，可以触及插接件;对于开关端的线束，建议预留80-100mm的长度;对于仪表，音响，空调面板等维修率比较高的电器件，其后端线束预留至容易插拔的长度;对于管路，管路上的压力开关、加注阀等部件的紧固位置布置，同样需考虑维修装拆作业的便捷性。3.2 产品设计的功能验证试制总装环节进行的产品设计验证的另一个维度就是其功能的验证，目前通常集中在产品设计功能的沿用性和防错这2方面。3.2.1 设计功能的沿用性目前整
8、车都是采取平台化开发，同平台不同车型的改型项目会涉及到较多沿用零件。新车型设计集成评估过程中，一些产品功能的沿用性会有所遗漏，而造成多余设计的结果。例如，某改型项目在首次整车总装试制环节，发现车身右前减震塔上的支架未被使用，如图2所示。通过分析对比发现此支架是用于固定1.5L发动机空滤，而在改款的1.35T发动机项目中，固定空滤的设计方案变更至了前舱左侧，此支架不再起到相应的作用。因此，在改型新项目量产前取消了此多余支架，节约了相关成本。3.2.2 设计功能的防错性防错分为设计防错和制造防错两个方面，产品设计的防错更为重要。汽车作为批量生产的典型代表，好的设计防错可以减少制造防错、提高生产效率
9、、提升产品质量。在试制总装过程中，发现容易错装的问题都可以作为设计功能的防错性不足提出，以推动进一步优化设计功能。设计防错主要从3方面进行验证：左右件防错，接插件防错，紧固位置防错。例如，正负极电缆的连接，为避免电缆正负级连接错误，都会设计相应结构以达到防错目的。3.3 产品设计的匹配产品设计的匹配性通常从基准和公差两方面进行审核，包括：基准的合理性、一致性和可达性;公差的完整性、合理性和可达性。产品设计的匹配，需要考虑产品设计尺寸链的可靠性，才能保证装配的匹配结果到达最终整车DTS （Dimension Technical Specification ）的要求。产品设计的匹配性是试制验证环节
10、占比较高的一类问题。试制总装环节验证产品设计的匹配性，通常是以正式发布的整车DTS 要求为依据进行评估。当发现最终装配结果不满足DTS要求时，需拉动各方专家进行分析和评估问题的根本原因。例如，在某项目的试制過程中发现油门踏板与地毯鼓包存在间隙过小问题，数模设计状态最小间隙为3.5mm，实车试制时因为地毯的制造公差和安装的尺寸偏差进一步缩短了装配间隙，加剧了油门踏板和地毯间的干涉风险，从而影响油门踏板的回弹而导致行车安全。各方评估并确认了此设计风险，将地毯处的鼓包向车后方向移动5mm，并考虑了制造公差，以确保踏板与地毯的设计同时满足了制造和安全法规要求，如图3所示。3.4 产品设计的扭矩可达性由
11、于紧固件的设计和装配会直接影响整车的质量和耐久性，而试制阶段往往就是针对零件和紧固件的扭矩可达性进行全面实验和验证的过程。因此产品设计的扭矩可达性是试制环节中的重要一环。据不完全统计，40%-50%释放的整车零件是紧固件，60%-70%的装配操作是紧固件，30-50%的整车问题和紧固相关，20-30%的维修问题是由紧固件松脱引起的。因此，在试制总装环节需要对每个紧固件的扭矩进行记录，如果在后续的整车实验中发生紧固件问题，可以追溯和提供数据支撑。如下图4，在一个项目的侧气帘紧固过程中，发现末端的最后一个螺栓的扭矩无法达到规定数值，通过扭矩曲线分析发现，是由于末端的螺栓有效长度不满足车身支架的间隙
12、，因此无法达到规定扭矩要求，可能导致侧气帘点爆失效风险。最后通过设计变更，选取了合适的螺栓尺寸规格，确保扭矩值达到了设计的要求。4 试制阶段的设计验证方法整车试制阶段负责了所有新车型的第一次实车集成工作，因此，相关的设计验证方法通常采取的都是从基础到具体、由面及点的验证方法。总结目前试制总装阶段的设计验证方法，主要有：基础工艺验证、产品设计验证数据库、新项目变化点培训和设计变更及实施验证。在整个试制验证过程中，这四种验证方法是相互结合实施的。4.1 试制总装基础工艺通过将重要零部件的设计标准和规范要求融入到试制总装基础工艺文档中，用于指导和培训技师的试制装配，在基础工艺中包含了较多的设计要求信
13、息。通过新车型的试制验证，不断更新和充实基础工艺，并根据工艺中说明的装配要求对比新产品的最终装配状态，从而发现更多较为隐蔽的产品设计问题。以管路为例，包括空调管路、燃油管路、进气管路、转向管路、制动管路、排气管路及冷却管路，所有的管路要求布置合理，固定安全可靠，间隙设定恰当3。通常管路布置有如下要求需要满足：（1）布置要求：钢管、软管的结构均须保证合适的装配空间，多根管路并列时，接头的布置应适当错开;（2）固定防护要求：管路的固定点一定要合理可靠，固定点的位置要在平面上，不要在弧面上，在特殊环境和特殊位置采用特殊的固定防护方式，例如，有相对运动之处应使用橡胶管吸收振动。（3）设计间隙要求：与周
14、围部件需留有适当间隙，保证一定的安全距离。如空调软管应远离热源、旋转、振动及尖角部件，距离高温部件应大于100mm，如无法满足此要求，则最短距离必须大于40mm，且表面需包裹隔热铝箔。4.2 试制产品验证数据库收集并分类历年试制项目发现的各类设计问题，建立了相应的产品验证数据库。该验证数据库包括了所有平台所有车型的零件信息，通过对比各平台各车型相同零件的设计方案和历史问题。在整车试制阶段中，为设计验证提供重要的信息数据支撑，在发现产品设计问题的同时，能够提出有效的设计改进参考方案。从而实现试制验证广度和深度的不断提升，确保所有产品设计问题都能在试制乃至是设计阶段都得到了规避和解决。4.3 试制
15、项目变化点培训可通过对新车型和新产品试制项目的变化点进行针对性的分析和培训，让试制技师在深刻了解变化点后，能在试制装配过程中针对变化点，从多角度评估产品新设计的满足度，从而实现具体新产品设计在试制阶段得到充分评估和验证。4.4 设计验证变更及实施在试制阶段发现的产品设计问题经评估后，通常设计工程师会发布设计变更的临时措施至试制车间，以满足试制验证的要求。因此，试制总装工程师需要确保，正确实施临时发布的设计变更措施，确保实施的断点及变更的产品状态满足要求。因此，在试制环节确保设计变更被正确执行和实施是十分重要的一环，它不仅保证了整车试验数据的真实性、合理性，同时也是作为后续量产实施的一个重要依据
16、。5 总结本文针对整车试制总装阶段的设计验证环节，从设计的结构、功能、匹配性和扭矩有效性这四个主要方面总结了在试制过程中需要前期识别的设计问题。同时，在设计结构验证方面细化评估了结构的可达性、安全性、人机性能、节拍和维修便捷性的要求。通过举例试制总装阶段发现的一些设计问题实例，进一步说明了前期设计验证的重要性。目前，主要通过试制总装的基础工艺、产品验证数据库、新项目变化点培训以及设计变更验证和实施等方法开展试制总装阶段的设计验证。通过不断地更新和完善试制的各类知识库和验证方法，以提升有效的产品设计验证能力，推动实施更优的产品设计方案。根据试制阶段的问题统计分析，设计问题大约占所有试制问题的30%-40%左右，除去试制阶段零件状态不稳定因素所导致的试制问题，设计问题占比还是较高的。另外，据不完全统计在工厂量产前的小批量生产环节，再发现新增的
