汽车饰件二四向定位相对位置对匹配的影响

刘庆上 李跃

（众泰控股集团汽车工程研究院）

随着汽车轻量化的发展，越来越多的非金属件，尤其是塑料件应用于汽车领域。定位是机械装配中一个最基本的概念。在汽车饰件开发过程中常发现不合理的定位设计，其中二向定位与四向定位的相对关系引起的定位误差便是一个较为普遍的现象。其原因有2种：一是汽车饰件工程师对定位体系认识不清晰；二是一些有经验的工程师对经典定位的一些细节认识不足。文章运用相关刚体理论模型进行理论和作图方法的讨论，并指出随意处置定位的危害。

1 问题现象

汽车门板拉手既属于受力件又属于外观件，有功能和匹配美观的双重要求。其特点是安装在门板钣金上，并与门板内饰件相连。由于零件跨度较大，设计人员为了保证门板拉手与门板之间的间隙在1 mm左右（沿车身x向，即前后方向的间隙），布置了门板拉手的四向定位a和二向定位b，其局部细节，分别如图1和图2所示。车门内饰板背面结构，如图3所示；门板拉手正面的基本结构，如图4所示；内部细节，如图5所示。将a与b中心点连一条直线L，如图3所示，L约243.3 mm，L与b的纵长夹角约60.8°。从工程师的设计意图可以推测，二向定位b主要是想控制L方向上的间隙，但这样做在理论上会带来门板拉手与周边零件的匹配偏差。

2 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[1]。限制安装方向的3点定义为第1基准，即A基准；将圆孔与圆销配合或与之等效的结构定义为四向定位，即第2基准，也称B基准，其主要是限制2个零件之间的2个方向的平动；将腰孔与圆销的配合或与之作用等效的配合结构定义为二向定位，即C基准，它的作用是与四向定位共同起作用来限制转动。图6示出2个零件经典定位连接装配示意图。B，C基准如图6中圆形和椭圆形所示；A基准以黑色长方框表示。A，B，C基准还有以3个方向来定义的方式，不影响问题本质，文章采取前一种方法。

3 定位作用

从本质上讲，定位既然能对装配零件的自由度进行限制，那么定位就是约束，因此它和螺栓与卡扣等的本质属性相同，但二者又有区别。图6中，以螺栓为例，螺栓与连接件之间组成的装配系统中，零件D有螺纹结构，零件E上为过孔配合（设销在零件E上，孔在零件D上，下同）。如果没有定位，其位置相当于该螺栓拧紧的一瞬间的位置是随机的。定位与连接点的主要区别为：定位点让零件之间装配的相对位置更准确，而其他连接点[2-3]（螺钉和卡扣等）只能保证零件之间的连接强度。而在与塑料件一体注塑的卡扣[3]连接等情形中，定位点的缺失会导致固定的失效。所以定位点除了本身是一个约束之外，还具备了其他安装连接点不具备的作用。它是尺寸链计算的基础，是工艺加工的基准点，是检具制作与验收的基础，并使得安装更加便利。

如果图6中零件D，E上有十几个安装孔（图6中用4个示意），没有定位及在它基础上的尺寸计算，现场安装时很难让所有的孔都对得上。这十几个孔的平均位置就是定位系统所决定的位置。

4 定位失效及定位误差

定位失效表现为过定位或定位不足。过定位是在限制了6个自由度之外又多出来不必要的约束。错误的过定位会使安装困难甚至无法安装，是不允许的。不合理的过定位的危害还在于：增大零件内应力，使零件产生翘曲。不合理的定位涉及经典力学知识及工程开发中诸多工艺实际问题，文章重点讨论二向与四向定位错位带来的理论误差。

为讨论方便，只考虑加工带来的误差，假设2个零件为刚体。一个四向定位销可以限制2个方向上的平动，而四向定位与二向定位的配套使用主要用于防止转动。另外腰孔方向又可吸收二向定位与四向定位因距离引起的加工误差。以圆销与孔的配合为例，如图7所示，设零件D上为孔，零件E上为2个销。图7中的虚线是定位中心连线，在实际工程中，该虚线与轮廓边缘不需要近似平行或垂直关系（饰件中大量曲面的应用也不可能如此）。从图7可以看出，只有当B，C中心的连线与C基准的长腰孔方向一致，零件E才不会绕零件D转动。

假设B，C孔轴配合的轴孔在需要控制的方向上没有间隙（实际是有加工误差的），只存在由距离带来的加工误差。那么这就意味着B，C连线的距离在模具生产时会产生偏差，这种偏差和实际生产工艺水平的高低密切相关。需要说明的是，在塑料件通常的定位讨论中，这种定位实际上是装配基准，而不是模具加工基准。如果二向定位的腰孔方向与二向及四向定位点的连接不重合，即发生了所谓的错位，如图8所示。图8中：C1为四向定位销孔位几何中心；C2为二向定位销几何中心；C3为定位销几何中心；R为C1与C2连线的理想长度；R1为C1与C3连线的实际长度，当理想时C2与C3一般重合；α为腰孔方向与C1C2连线的夹角；X为C1C2连线延长线与过C3（如图8b所示）引C1C2连线垂线的交点；ΔR为误差增量，ΔR=R1-R。

假设腰孔处于理想位置，所有的误差均累积到C1与C3之间，由余弦定理可以求出零件位置偏移量L'（C3与X的连线距离）。这种求法虽然精确，但却并不利于讨论问题的性质。由于ΔR远小于R，所以：

这意味着当α≈45°时，R方向的误差几乎全转换为匹配间隙方向的误差，零件发生了转动；当α＞45°时，R方向误差被放大。α越大，R方向误差越大。当尺寸R为150 mm时，二级公差[4]达0.5 mm，此时由定位配合不合理造成的误差在0.5 mm以上，如果考虑到2个件都有偏差，依极限算法，则是该误差的2倍。这就是腰孔长度方向一定要与二向和四向定位中心点的连线尽量一致的原因。当α=90°时，C1C2在垂线方向可以转动，属定位不足的情形，而在C1与C2连线方向则属不必要的过定位。从图8b可以看出，2个零件之间相对理想位置明显发生了偏转。

5 误差作图求解

当经典定位发生了“错位”情形，其理论偏差可用CATIA软件作图方法快捷求出。图9示出定位相对关系错位情况下误差求解作图。估算出ΔR，用R+2ΔR（采用极限法计算尺寸链，用概率方法来计算会比极限法偏小，对于2个尺寸而言，仍大于单倍的ΔR）为半径画圆，圆心为四向定位中心。和腰孔长孔方向求得交点，连接交点与圆心，即可求得相对的旋转角度，如图9所示，以此旋转角度可求得任意一点相对于原来位置可能达到的极限位置，即饰件匹配时，外观出现的理论偏差。

因此很容易计算出文中门板拉手的偏转误差。如果仍采用国标中MT2级[4]来计算，243.3 mm的偏差估算为0.72 mm，此即ΔR，夹角60.8°，则此门板拉手相当于在把螺钉固定前最大极限可能旋转了0.6°（相当于图8中R1与R的夹角），如图10所示。图5中最窄的断面间隙为1.1 mm，实际可能已经发生干涉。定位完全没有起到应有的作用，对于外观匹配件则是致命的错误。更改措施是将椭圆孔旋转60.8°，使长孔方向与L重合。新的问题是a与b连线上间隙偏差不能得到有效控制，这涉及过定位问题，情况复杂，不在此进行讨论。

6 结论

在当前工程实践中，轴销间隙采用过渡配合，理论预留间隙为0.1～0.2 mm。若取0.1 mm，轴销孔的尺寸偏差一般经验值取±0.1 mm。仍采用极限法计算，当轴销都处于最不利情况，定位销处的误差可以达到0.3 mm，定位销如果随意放置带来的误差不容小觑。最后需要注意的是不能将定位与它连接的约束混为一谈，否则无法进行高水平的装配设计，更无法实现精细化设计与生产。