汽车内外饰工程化设计，加强结构设计与实践

产品工程设计阶段的工作一般是指从造型冻结开始到数据发布完成这一过程中所有的工作。

产品工程设计阶段的流程如图2-15所示。

1.结构设计

内外饰结构设计大致从以下几个方面进行考虑确定：

图2-14 造型考虑间隙面差示例

图2-15 产品工程设计阶段流程图

（1）定位和安装设计 由于装配、尺寸控制，提高生产效率的需要，近几年定位系统被广泛应用于汽车产品的各个环节，而且在内外饰设计中也受到了广泛的关注，逐渐应用到每个零件的设计中。因此，在汽车内外饰设计时，考虑定位成了一个不可或缺的关键步骤。

1）定位系统的作用。

①产品装配工艺的方便性。有定位时，使产品装配更加方便，效率更高；同样使检查更方便，给检具提供了一个基准。

②必要配合尺寸的保证，如配合间隙、配合间差等。

③零件本身公差精度的保证，如零件的边界尺寸、开孔尺寸和位置精度等。

④降低零件的成本。可以有效地降低装配过程中由于操作问题造成零件报废的概率。

⑤在图纸中的标注更方便、更有序。

2）定位选取的原则。在零件设计中，如果想要达到上述作用和目的，就需要定位，但特别小的零件、与周围没有配合关系的零件可以考虑不用定位。

3）定位形式。

①定位柱形式：主要应用于较小的零件、配合零件，限制零件某个方向的运动等。

②十字交叉型：主要用于大件的配合及总成与车身装配时的定位。

③利用卡扣座本身的结构来定位：主要用在不太长、又不太宽的零件上。

④利用配合结构进行定位：配合结构有很多种。

⑤利用零件本身的加强筋进行定位：如加强筋与钣金的配合，以限制零件某个方向的运动、限制零件的旋转等。

4）定位的具体要求。

①要求布置合理，一般情况下采用四分法进行布置，主定位点和副定位点分别布置在零件长度方向两侧各四分之一的地方，特殊情况下进行稍微调整，主定位一定要布置在靠近配合边的地方，以保证配合尺寸。

②定位结构要有一定的强度，同时考虑工艺成型性。

③定位布置时，定位方向要明确，X、Y、Z三个方向及绕三个坐标轴旋转的6个限位要分别考虑，要同时满足6个自由度。

④定位结构要求尺寸合理。尺寸要求包括两个方面：一是自身的结构尺寸，二是配合尺寸。

5）与车身的安装方式。对于内饰件与车身的安装方式，主要要求能达到安装简单、快捷、牢固、可靠等。一般安装都是选用卡扣连接安装，对每个部位工作环境、性能要求、安装要求等进行分析，以选择或设计合理的卡扣，达到最佳的性能。在安装方式设计过程中，有一点比较重要，就是要求各护板或总成在Z轴方向有一硬安装方式，可以是金属卡片安装，也可以是在护板上用一些加强筋安装，或是某一零件支撑护板等，其作用主要是使护板在Z轴方向有一支撑力，以防卡扣损坏，而影响护板安装。

6）内饰件间的安装方式。影响内饰件外观品质的两个主要因素是间隙和面差，而这两个因素主要是由内饰件间的安装方式来控制的，除了要注意合理的安装方式（包括结构、位置等），还要有合理的定位方式（尽量用点、线定位，避免用面定位，特别是大面定位）。同时，各内饰件间安装是相互影响的，要考虑整体安装布局，比如各门护板总成与其他各饰件间没有什么安装影响，可以单独以门护板总成安装来考虑，但其他饰板间的安装却是互相影响的，顶篷饰板与各上护板间虽没有安装要求，却有间隙、面差要求，上下护板间又有安装、间隙、面差等要求，而下护板与各门槛护板、地毯也有此要求。因此这些件都不能单独考虑安装方式，必须综合考虑。

7）相关件的安装方式。内饰关联件与内饰的安装方式有两种：一种是安装在内饰件或通过内饰件安装在车身等其他件上（与内饰件有配合关系）；另一种是不与内饰件发生安装关系，但有边界约束条件。在内饰结构设计时，需为这些相关件留出安装空间。

（2）搭接结构设计 以立柱护板的配合结构为例，目前比较流行的结构有对接结构和搭接结构。对接结构对零件本身和车身焊接精度等要求比较高，需要控制多个方向的配合；搭接结构相对对接来说要好控制一些，对车身等的要求也低一点。如B柱上下护板的配合，对接要控制Y和Z向的配合，而搭接只要控制Y向的配合就可以了。具体如图2-16和图2-17所示。

（3）加强结构设计 在注射件的设计中，加强筋是不可或缺的功能部分。加强筋能够有效地增加产品的刚性和强度而无须大幅增加产品切面面积，对一些经常受到压力、扭力、弯曲的塑胶产品尤其适用。此外，加强筋更可充当内部流道，有助模腔充填，对帮助塑料流入部件的支节部分有很大的作用。

加强筋一般被放在塑胶产品的非接触面，其伸展方向应跟随产品最大应力和最大偏移量的方向，选择加强筋的位置亦受制于一些生产上的考虑，如模腔充填、缩水及脱模等。加强筋的长度可与产品的长度一致，两端相接产品的外壁，或只占据产品部分的长度，用以局部增加产品某部分的刚性。如果加强筋没有接上产品外壁，末端部分亦不应突然终止，应该渐次地将高度减低，直至完结，从而减少出现困气、填充不满及烧焦痕等问题，这些问题经常发生在排气不足或封闭的位置上。

图2-16 对接结构

图2-17 搭接结构

从生产的角度考虑，使用大量短而窄的加强筋优于使用数个深而阔的加强筋。模具生产时（尤其是首试模具），加强筋的阔度（或深度）和数量应尽量留有余额，当试模时发觉产品的刚性及强度有所不足时，可适当地增加，因为在模具上去除钢料比使用烧焊或加上插入件等增加钢料的方法简单及便宜。

不同材料的加强筋设计要点是不相同的。(www.xing528.com)

（4）运动件设计 运动件设计即内外饰功能件设计。功能件具有阻尼器、扭簧、外盖，且外盖绕固定轴转动。设计过程中需要注意以下三个方面：一是功能布置空间要求，有操作空间、运动包络等；二是结构运动副设计；三是止位或运动行程设计。

运动校核内容：一是从整车角度出发进行运动学正确性的校核；二是对于有相对运动的零部件或零件进行运动干涉校核。

例如，遮阳板既是内饰件，又是功能件。高档轿车上的遮阳板还增加了可调节色差的防眩目功能。因此，遮阳板的设计应达到遮光的目的，同时还要兼顾美观、轻便、操作方便、灵活等方面的要求。

门手柄不仅是开、闭门的功能件，同时也是装饰件。因此，门手柄的设计要注意其实用性和观赏性，要使驾乘人员开、关门方便，符合人手扣、抓的人体力学特点，不能有尖角和毛刺，而且还要有一定的强度。

烟灰缸和杂物箱是汽车中的功能件和装饰件。杂物箱的设计要考虑其实用性和方便性，要具有耐磨、耐冲击的特性，并能与仪表板相统一。烟灰缸是一个复杂的小总成，在设计中要考虑其使用性和观赏性的要求。一个设计好的烟灰缸甚至可以作为一个艺术品，可以通过使用卷簧、弹簧、齿条、齿轮等结构达到阻尼效果。

（5）装配和维修性设计 产品制造出来后要经过相应的装配方法及装配顺序才能实现产品的功能，这就需要我们在设计过程中充分考虑装配的方便性。如果等产品出来才发现装配有问题，比如说工具的空间不够、不方便安装等，那将会产生很大的损失。装配是一项劳动密集型的工作，据统计，装配成本在产品总成本中的比重可以达到40%。法国对355家公司的调查结果表明，装配自动化的一个主要障碍是，通常的产品设计不是面向装配的，这使产品装配已成为制造业最薄弱的环节之一。如何有效地降低装配费用，是当今企业所面临的突出问题。可装配性就是为了解决这一问题而成长起来的高新技术。简单地说，可装配性是一种优化产品设计，以获得最低装配费用的技术。可装配性在产品设计阶段，通过分析影响产品可装配性的各种因素，对产品的可装配性进行评价，并在此基础上，给出产品再设计的建议，通过再设计，使产品易于装配，以达到降低产品装配费用的目的。

任何一种产品在使用过程中，都不可避免地会出现故障及损坏，这时就要对产品进行维修及拆卸，那么维修和拆卸的方便性就显得尤为重要。维修性是设计所赋予产品的固有属性，是系统能够保持或恢复到有效使用状态的能力，与系统能够可靠地完成规定任务的能力具有相同的重要性。维修性设计就是在设计早期赋予产品便于维修的特点，确保要求的维修性特征能够包括在系统的设计中，目标是尽量减少或降低由维修引起的停机时间、维修费用、维修复杂性、人员要求和可能的维修差错。

只有把这些装配/维修性分析贯穿于整个设计过程中，才能保证生产的产品是好产品，才能提高一个公司的效益及声誉，延长产品的寿命。

2.数据校核及优化

（1）校核 为了使得设计数据合理，方便装配和维修等，需要对设计数据进行校核，校核的主要范围有：

1）零部件的空间布置：如储物空间、烟灰缸、杯托大小，内部零部件间的安全间隙等。

2）匹配状态控制检查：如零件公差、公差积累、定位方式、可见分型线等。

3）装配可行性：如装配顺序、装配干涉、空间要求、辅助工装信息等。

4）制造工艺可行性：如基本壁厚、最小壁厚、表面缩痕、最小拔模角、可见分型线等。

5）通常的校核方法有DMU校核、CFD分析、模流分析、强度分析、刚度分析、设计优化分析等内容。

6）DMU校核主要是检查装配的可行性及方便性，避免干涉等问题。

强度是结构在正常工作时能承受的载荷，一般用工作应力的峰值来表示结构强度的水平。在解决实际工程问题时，要根据分析目的和分析对象的受力状态，选择描述或评价分析对象力学性能的物理量，并用这个物理量进行强度分析，这是一个非常重要的问题。指导原则是有限元分析输出的物理量应与试验分析时测试的物理量相同，以便于试验验证。

刚度是结构在正常工作时的许可变形，用刚度表示结构抵抗变形的能力，刚度是结构在外力作用下发生单位变形所需要的力。

（2）优化 设计优化分析意味着在满足约束的前提下产生最佳设计的可能性。汽车结构的设计优化分析以轻量化为设计目标，以强度和刚度为约束条件，以设计的形状和尺寸为设计变量，进行多方案比较，选择较优的设计方案。设计人员在设计优化有了初步结果之后，一定要用力学分析和设计经验进行合理的解释，进一步确认设计优化结果的正确性。

3.GD&T图纸设计

GD&T全称为Geometric Dimensioning and Tolerancing，即几何尺寸和公差。标准中包含有尺寸标注方法（属我国技术制图标准）与几何公差（属我国形状和位置公差标准）两大部分。产品工程制图是传递设计要求和合格部件几何形状的真正功能限制的基本手段。为了确保所有图纸的统一解释，每个使用人对图纸上的所有符号必须有共同的理解。3D数据设计完成后，工程人员就应该进行图纸设计，通过GD&T图纸，就可以看到产品是如何定位的，同时可以很好地指导检具设计。

在汽车设计、制造和检测过程中，采用基准系统的目的是避免基准的变换，保证汽车零部件在设计过程、生产过程、检测过程以及装配过程中基准存在统一性，使零件制造、检测、装配偏差达到最小，更好地保证汽车品质。通常在汽车零件的概念设计阶段就应该考虑到各个部件的基准系统定义，以方便后续的设计。在GD&T图中，基准的合理定义是更好地进行尺寸控制的基础。

基准应该考虑选择在零件装配的配合面上，而且被选作基准特征的基准应该比较稳定，存在的装配偏差较小，同时零件的基准应该能够代表实际零件的某些特征关系，如平面、轴、孔及凸台等特征。

建立的基准参考体系最好在零件的设计、制造、检测和装配过程中共用且一致。对于汽车内外饰件，由于大部分零件为注射、吸塑及模压件，均为一次成型件，这些零件的设计基准、检测基准和装配基准应该保持一致，以保证内外饰的品质要求。

基准特征自身必须在制造过程中保持尺寸稳定，即基准点必须定位于零件的稳定区域。对于顶篷内、地毯等非刚性材料制件，需要考虑是否要添加辅助基准来限制部件的扭曲和变形。基准特征必须具有可重复性，不会因装配等因素而变化，理想的情况是同一套基准既决定了与其他部件的配合关系，又能够作为其生产的定位基准，同时又适合作为测量的定位特征。

在GD&T图中，通常不标注零部件的形状尺寸，而主要通过形位尺寸公差来体现零部件某些特征的定义要求和外观品质设计要求。

针对汽车内外饰件来说，通常会存在一些圆柱销、十字销、卡钩、卡扣座、弹性夹片配合结构、簧片螺母配合结构等。由于这些特征通常都会作为基准，或者与其他零部件有配合要求，对整个汽车品质有很大的影响，在GD&T图中，需要进行尺寸控制。

在汽车内外饰的设计过程中定义的尺寸技术规范（DTS），即间隙面差要求，就是对内外饰的外观品质要求。而GD&T图最大的用途之一就是通过轮廓度公差来表现对零部件之间的配合品质要求。因此在检测过程中只需要对标注的公差要求进行检测即可进行内外饰零件的尺寸控制，从而控制内外饰件间隙面差要求，最终保证内外饰的外观品质。

4.工程设计中的注意事项

1）确定零件的结构形式，自身的结构、固定、定位以及周围零件配合时的配合结构等，要有一个清楚的规划和构想，并且要以工程能够实现为首要目标，同时要兼顾造型和成本的需求。

2）在确定零件的出模方向时，要根据提供的CAS面调整到最佳状态，然后根据调整好的拔模方向检查CAS面是否满足拔模要求，并对以后的A面进行同样的检查校核。出模方向原则：首选与三维方向平行的角度，其次选择与X、Y、Z中一个平行的角度为出模方向，尽量不要选与三个方向都有夹角的拔模，否则模具设计较为困难。而且拔模角要充分考虑CAS表面皮纹的要求，一般皮纹要求拔模角在8°以上，细皮纹在5°以上，否则容易出现皮纹拉伤。相邻两个件的拔模角度尽量一致，如果拔模角度相差太大，那么这两个件的配合翻边和结构较难设计，且间隙面差在实际生产中也较难控制。

3）零件总成与其他系统的配合间隙在满足美观的前提下，一般是越远越好，但如果空间实在有限，间隙应该不少于3mm。如果其他系统的零件为运动件，则间隙应该不小于5mm。系统内部零件的配合，应该尽量考虑制造厂家的工艺控制，一般间隙小于0.5mm，如果是运动件应该不大于2.5mm且运动件一定要校核三个状态的配合情况，即关闭状态、半开启状态和完全开启状态。在设计时，为了兼顾造型的需求，有的地方倒角往往很小，有的只有0.5mm，通常塑料件的壁厚是2.5mm，为了保证壁厚均匀，倒角背部一定要做减壁处理，防止样件表面产生缩痕、应力痕等影响表面外观的缺陷。

4）紧固结构的布置也要合理，塑料卡扣的紧固距离一般为200mm，焊接柱的紧固距离一般为80～120mm，与本体一起成型的卡接结构一般能紧固40mm的距离，且过盈量要设计合理，卡接在PP材料上一般过盈量为1mm，卡接在ABS材料上过盈量一般为0.5mm。紧固结构要布置在易变形、间隙面差重要的区域，要充分考虑如果结构有倒扣的出模问题。

5）零件内部需要滑块机构脱模成型时，需要检查滑块尺寸、滑块滑动方向及滑动距离。滑块的尺寸，宽度和厚度不能小于5mm，如果不能满足该尺寸，需要调整零件内部结构，以满足滑块的尺寸要求。滑块的滑动方向选择与滑块结构和本体面的夹角有关，一般本体平面与卡扣配合平面在0°以上才能顺利滑动，滑动方向要在本体平面及卡扣配合平面的夹角范围内。一般滑动距离空间要在实际作用滑块尺寸的2倍以上。

6）检查内部结构、空间大小、零件与周围的配合等是否合理，尺寸是否合适。配合结构的形式有很多种，要选择一种最有效的配合及结构方式，既节省空间，又能满足功能要求及强度要求。

7）总成内部由很多零件组成，一般情况下，一个总成的内部零件出模方向一致，当总成内部的零件出模方向不一致时，要注意零件与本体的配合结构：既要符合各自的出模要求，又要实现配合的功能要求。

8）总成内部有旋转机构时，要进行运动分析，既要满足配合间隙又要满足运动间隙。

9）固定结构不但能起到固定零件的作用，还能起到其他各方面的作用，如定位、保证配合间隙、控制面差等作用，所以在布置固定结构时一定要布置合理，并且选择合适的类型。