劉慶上

（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心）

汽車內(nèi)外飾中的多數(shù)部件（主副儀表板、門板、頂棚、立柱及保險杠等）幾乎都采用塑料件，傳統(tǒng)的金屬零件有被替代為塑料件的趨勢。然而塑料件和金屬件相比變形更大，產(chǎn)品上需要更多的約束及定位。但并不是過多和隨意使用定位就是合理的過定位。在工程開發(fā)中，如果經(jīng)驗不足很容易出現(xiàn)定位不合理的問題：一方面定位不足，而另一方面不合理過定位卻同時存在。只明白了經(jīng)典的定位原則[1]，對于塑料件的產(chǎn)品開發(fā)來講遠遠不夠，有必要對過定位的規(guī)律進行探討和總結。

1 定位基本原則

定位的基本原則就是要限制裝配零件的6個自由度，設計中有3-2-1原則。這方面可參考文獻[1-3]。文章從過定位的必要性入手進行研究。

2 過定位必要性

在剛體中，只要有清晰的六自由度概念，很容易區(qū)別定位不足與過定位問題。定位不足無論是在接近剛體的模型中還是在塑料件這種容易變形的非剛體模型中，都是不允許的。然而塑料材料雖然比剛度高，但絕對剛度卻比金屬材料相差很多，所以在塑料件設計中需過定位的地方比比皆是。如果過定位是合理的，就意味著只用傳統(tǒng)的經(jīng)典定位理論來進行設計必然會帶來定位不足的問題。文章著重從結構及工藝方面來說明過定位的必要性。

2.1 結構需要

在汽車飾件中，剛度是一項基本要求。剛度不足，一是影響產(chǎn)品的使用壽命和性能指標；二是影響客戶的舒適度，過軟的內(nèi)外飾產(chǎn)品常會給人以次品的感覺。塑料件剛度主要是由所選擇的材料與結構設計決定的。在內(nèi)飾標準中，剛度要求在幾十牛頓力的作用下只允許1 mm左右的變形。需要注意的是，在滿足強度和剛度標準的前提下，并不是剛度越高越好，比如還要考慮人體保護的吸能結構。

圖1示出1 N力作用下塑料件受力剛度CAE分析模型。一塊150 mm×150 mm（這是飾件中較為普通零件的尺寸級別）的厚3 mm的塑料板，如圖1a所示，采用ABS材料，楊氏模量 2.2×109Pa；在 A4點（2 mm×10 mm）施加1 N的力，運用殼單元計算，其變形達0.516 mm（其他3個同尺寸的點相當于3個局部基準點，為固定約束），如圖1b所示。1 N的力所模擬的干擾在內(nèi)飾中代表的因素很多，這樣的變形量對于乘用車來說是絕對不允許的。以上面標準衡量，該ABS零件強度遠不符合要求。

2.2 工藝需要

工藝加工是另一個引起尺寸誤差的重要因素。據(jù)文獻[4]，注塑成型條件波動所造成的誤差占塑件公差的1/3。乘用車內(nèi)飾件匹配要求非常精細，造型特征線以及零件之間的間隙與面差要求多在0～2 mm范圍內(nèi)變化，誤差常在0.5 mm左右，小尺寸零件要求更高。

圖2示出某車門板內(nèi)飾的一個細長塑料零件（長約700 mm，厚約2.5 mm，PC/ABS材料）的MoldFlow分析模型。從圖2可見，兩端的注塑變形達4 mm，這和實際變形相當吻合。如果任由其自身變形不加控制，造型的效果與精細化設計就無法保證。

2.3 其他因素

實踐中，對塑料件尺寸精度影響的因素更多，比如材料、模具及使用環(huán)境（溫度、熱和光等）等[4]。這些因素造成的結果就是尺寸不穩(wěn)定，避免或減緩這些因素的有效手段就是合理的過定位。這也同時說明，不管是剛體還是柔性體，都要盡量避免定位不足。

3 過定位使用原則

3.1 基本原則

圖3示出某轎車亮飾條零件與斷面示意圖。圖3b中，零件p與零件q安裝配合，零件p左右最寬處只有35 mm，零件自身因注塑工藝引起的變形非常有限。圖4示出該零件變形分析示意圖。

可以假設零件中任何一點為變形不動點（測量基準點，實際分析多取定位基準點為無變形點），假設變形不動點位于上方，那么左右兩側卡腳則可以單獨左右變形（也有可能受其他因素影響，比如加工誤差帶來的尺寸誤差）。如果依經(jīng)典定位理論，只把其中1個點作為四向定位點，另一側為二向定位。如此一來，二向定位一側左右方向上的變形必然失控，因為在這種帶缺口的形狀中，卡腳點極易繞頂部的變形不動點發(fā)生類似轉動變形。相比而言，如果形狀變成假設輪廓（見圖4中2條直線和左右卡腳組成新的形狀），那么此轉動變形則變成輪廓的伸縮變形，由于材料填補了U形缺口，伸縮變形（上下變形不影響左右方向的配合，在此討論中先不予考慮）不容易發(fā)生，這類似彈簧結構多是柔性結構，而不是一個實心結構。那么相比于圖4中的假設輪廓情形，在二處都加四向定位銷則避免了變形失控問題，2個四向定位銷就是過定位。假設零件p不變形（絕對不變形是不存在的，此處的不變形只是變形非常小，可以忽略的方便說法，其他同），而其零件q變形較大，2個四向定位可以使得該亮飾條零件方便地跟隨零件q變形，使得匹配得以保證。如果此處設計中仍遵守傳統(tǒng)原則，只設1個四向定位，顯然設計不夠合理。如果斷面形狀變成假設輪廓，通常經(jīng)典二四向定位可以滿足定位匹配需求，此時是不是一定不能用過定位則需要討論。當零件的尺寸在足夠小的情況下，尺寸加工誤差非常穩(wěn)定并且很小，此時的零件和3D數(shù)模非常接近，在實際工程中也常用多個過定位結構，匹配非常好，這是過定位使用的另一種原則，需要尺寸鏈計算和經(jīng)驗積累，需要慎重使用，所以雖同屬于過定位問題，這種情況不在文中展開。

須注意，圖3顯示的都是卡腳（即定位銷）單側定位（比如右側的定位銷左側留有大間隙），這是因為斷面位置所限，實際上2個卡腳均是左右方向的二向定位，即設計間隙近乎是0[2]。甚至在較高點處也可以布置左右方向定位。此時U形的斷面特征使得零件變形完全被吸收，不會引起零件拱起和翹曲等對匹配不利的變形。

綜上，過定位因變形而起，在設計中必然要回到變形上去尋求答案：凡是容易變形的地方，盡可能進行約束。變形和過定位是互為因果的。容易變形之處可以設置過約束過定位；反之，過定位也必然引起變形，只要過定位引起的變形可被合理吸收，則該處設置過定位則有其必要性。因此圖1中A4點作為基準點是沒有問題的，原則同理。是否容易變形，變形是否有空間可以被合理吸收是過定位判斷的關鍵。

3.2 常見的需過定位的零件形狀

對于第1基準（A基準）而言，基準要能提供足夠多的支撐，同時以螺釘、焊接及卡接等其他連接進行限制，以減少不必要的變形，使結構具有抗變形能力。對于B，C基準而言，除了考慮變形因素以外，還要避免因不必要的過定位及定位不足的問題而使零件發(fā)生平動和轉動。B，C基準實踐中更難以辨認，是實踐中的重點。圖5示出有旋轉風險的過定位方式（去除e）。在圖5 中，如果沒有 e，每邊腰形孔的過定位（由 a，b，c，d 多個二向定位組成）似乎能控制好每邊的變形，但卻存在轉動可能。這就使得工程人員在設計零件定位與連接點時應考慮到盡可能多的干擾因素，比如在設計時可以從各個角度設想該零件存在干擾來檢驗零件定位是否不足。

塑料件設計中常見的3種過定位情形如下：

1）狹窄細長類零件。這類零件在內(nèi)飾中通常是有表面處理的飾條類零件，如圖6所示。關于A基準使用過約束上文已經(jīng)說過；對于B，C基準，圖6中增加了一個C2（此時由C1，C2組成了C基準系統(tǒng)）基準。假設減少C2基準，減少端C2在垂直縱長（C1C2連線）形狀方向容易出現(xiàn)不可控的變形。在減少一個C基準的基礎上，增大B，C基準間距，在2個基準之間容易出現(xiàn)變形，并且沿縱長方向在C的一端，公差累積變大。

2）有缺口可變形類零件。此類零件很多，如斷面為U形的手套箱框式雜物箱，如圖3所示，或斷面為環(huán)形的換擋飾條等，如圖5所示。此類零件如果能加以合理辯認和利用，可以設計出很多合理的過定位，使汽車飾件匹配效果在不增加過多成本的前提下更加精美與細膩。

3）系統(tǒng)尺寸級別較大，需要多個止位結構或限位結構（即基準）。如保險杠及儀表板系統(tǒng)。一個乘用車的儀表板A基準會達到十幾個，B基準1個，而C腰孔基準會至少達4～6個。這種情況不止是塑料件，材料剛性較好的其他產(chǎn)品設計也是如此（其原因仍是和變形或剛度控制有關），本質上仍是變形的問題。

4 結論

在目前的工藝水平下，塑料件等柔性零件在加工過程中出現(xiàn)較大的變形是客觀存在的事實。對于塑料等柔性非金屬件來說，只運用剛性的約束理論是遠遠不夠的，合理的過定位是必須的，在塑料件的開發(fā)設計中應充分重視過定位，并在實踐中給予充分應用。判斷過定位是否合理的原則就是零件是否容易變形，而此變形是否有合理吸收的空間，在此原則下剩下的工作就是大量的實踐與總結。