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汽车检具行业简介及前后保险杠总成检具设计要点

  检具是工业生产企业用于检验工业产品规格是否符合特定标准的一种工具,应用于批量生产的工业产品的检测,如汽车零部件、飞机零部件等的检测工具。汽车检具是一种用于检测汽车零部件产品特征是否符合设计标准的专用检测工具,为非标准定制化产品。汽车检具作为第三方认证工具,能够提高汽车零部件企业以及整车厂商的加工精度以及生产效率,有效加强汽车零部件之间的协调性。汽车检具的应用贯穿于汽车制造的整个过程,能帮助企业及厂商实现量产标准化零件,提高汽车零配件的质量,完善汽车整体性能,降低汽车的开发成本。欧洲是现代工业文明的发源地,汽车产业实力雄厚。汽车检具最早是在德国◆◁•得到运用,之后被意大利汽车厂商广泛使用。中国检具行业发展相对较晚,国内在早期仅有模具工业。自 2003 年以来,国内汽车工业快速发展,我国自主汽车品牌产品的品质不断提升,汽车质量控制的要求日益提高,促使了汽车检具开始由国外进口转到国内自主设计、生产和配套, 国内汽车检具行业也因此孕育萌发。汽车检具为非标准定制化产品,从国外引进一套整车的检具,成本极高,尤其是对于一些高端汽车品牌的检具。近年来,随着▽•●◆自主的研发和科技创新,汽车检具行业逐步开始由国外进口转到国内自主设计、生产和配套,国内本土检具企业的产品已逐渐被国内外各大知名汽车厂商及汽车零部件制造商广泛应用。从近年汽车工业发展的情况来看, 2014 年国内在宏观经济下行的状态下,汽车销量仍有 2,349.19 万辆,较上年同比增长 6.86%; 2015 年,汽车销量为2,459.76 万辆,较上年同比增长 4.68%; 2016 年汽车销量为 2,802.82 万台,较上年同比增长 13.95%; 2017 年汽车销量为 2,887.89 万辆, 较上年同比增长 3.04%3。随着汽车工业以及国内自主汽车品牌的发展, 汽车整体行业的发展将给国内汽车检具行业带来巨大的市场潜力, 在一定程度上将提升国内汽车检具行业的整体技术水平及生产效率。

  近年来,在汽车市场利润驱动以及《汽车产业发展政策》的鼓励下,国内自主汽车品牌发展迅速,出现了众多国产汽车自主品牌。与此同时,国内的汽车企业更加重视技术开发能力的培育及提高,与国外汽车品牌的竞争也不断加剧,致使市场中汽车款式更新以及技术改进和创新的周期大幅缩短。目前,国内汽车品牌众★▽…◇多,每个品牌一年大概会推出多款全新车型以及改款车型。由于汽车生产过程自动化程度非常高,对零部件的精度以及相互之间的吻合度要求极高;通常一辆汽车其车身部分由 3,000 多件钣金结构件和 500 多件内外饰件组成,加上汽车车身的焊装自动化程度高、形状复杂,要求零件的精度相当高4,任何尺寸上的错误都将造成整条汽车生产线的瘫痪。因此,检具成为了汽车零部件和整车组装生产线上不可缺少的检测设备和工具。目前,中国检具行业市场规模呈现出较为稳定的发展态势。随着中国汽车行业的发展, 对汽车质量控制的要求日益提高, 汽车检具作为汽车制造的“裁判员”,现已成为汽车生产厂商必不可缺的投入。

  近年来,我国汽车产业蓬勃发展,带动汽车检具这个新兴汽车生产配套产业进入稳定增长期,未来汽车检具市场的发展亦十分可期。预计到 2021 年,中国汽车检具行业的市场需求将达到 123 亿元5左右,其主要原因如下:

  汽车检具行业的发展与下游汽车工业发展十分密切, 下游汽车更新换代的速度是汽车检具行业发展的主要推动力。以美国本土市场为例,美国市场 1997 年至 2020 年全新车型推出及预测情况如下:单位:款数据来源:公开资料整理

  美国作为全球汽车车型更新换代最快的国家之一,从 2013 年到 2016 年间,平均每年有 39 款新车推出,预计 2017 年到 2020 年每年平均将有 58 款新车推出。国内方面,我国汽车生产商多于美国,并且竞争更加激烈。国内市场最近五年,每年平均推出 150 款左右全新车型,加上每年改款、垂直换代的车型,每年有近 500 款左右的新车推出。

  2012 年至 2017 年分类别车型更新数量趋势 (单位:款)数据来源:公开资料整理

  2012 年至今,从新上市新车的车型来看, SUV 车型呈爆发增长的态势,国内各自主汽车品牌厂商纷纷进入 SUV 车型生产的行列;自从二胎政策全面放开后,许多汽车生产厂商又将目光投向了“7 座”(SUV、 MPV)、家庭旅行车等车型。由此可以看出,车型更新换代的速度也随着消费者的需求变化而不断加快。一般来说,车型改款换代也与消费者换车周期保持一致,约为 5 至 8 年。国际上主流车型改款换代周期为 3 至 7 年,美系和德系车型换代时间较长,平均6.6 年,而日系和韩系车改款换代时间较短,大约 3 至 4 年6。但随着年轻一代消费者,特别是年轻女性消费者成为汽车消费市场的主流,他/她们会更频繁的要求车型更新换代。汽车厂商为了适应客户需求,必须降低开发成本、缩短开发周期、提高产品质量,不断增加产品品种以满足不同需求的消费者。从国内汽车主机厂层面来看,国内获得汽车生产许可牌照的企业达一百多家,其中骨干企业有十几家,如上汽集团、一汽集团、东风集团、长安集团、北汽集团、广汽集团等企业旗下的合资品牌。按每个集团下知名品牌平均 4-6 个,每家汽车厂每年出 1-2 款新车型计算,再加上几十家国产汽车品牌,每年至少会有 150 款以上的全新车型出现。此外,一个车型在上市两三年后○▲-•■□通常会进行小幅升级,目的是为了改善用户体验,保持产品竞争力。例如,小规模的变更保险杠、格栅、车灯等部分,这部分的修改也需要汽车检具来进行检测。由此可见,汽车车型更新换代速度加快以及新车上市后的持续升级需求, 奠定了汽车检具市场未来巨大的发展空间。

  2014 以来,我国新能源汽车的销量增长率连续两年超过 300%,呈爆发的增长态势; 2016 年,新能源汽车总销量达到 50.7 万辆,相比 2014 年的总销量增长了近 6 倍。 2017 年新能源汽车总销量达到 77.7 万辆,较上年同比增长 53.3%,预测 2018 年销量破百万8。为推进绿色消费,我国出台了一系列支持新能源汽车购置的优惠政策,例如对购买符合要求的新能源汽车免征车辆购置税、车船税,对购置新能源汽车者给予一次性补助等。 2015 年 5 月,国务院印发了《中国制造 2025》纲要,将新能源汽车列入十大重点突破发展领域之一; 2017 年 4 月,国家三部委发布了《汽车产业中长期发展规划》,提出要加大新能源汽车推广应用力度,逐步提高公共服务领域新能源汽车的使用比例。 2018 年 3 月,《2018年国务院政府工作报告》提出推动集成电路、第五代移动通信、飞机发动机、新能源汽车、新材料等产业发展,创建“中国制造 2025”示范区。长期▲=○▼来看,我国新能源汽车发展空间广阔。

  检具除了用在上述乘用车市场外,还能运用在飞机制造、军工装备制造、高端装备制造、卡车制造等方面。一方面,高端装备制造的发展需要检具行业的同步配套发展。如飞机制造,目前国内客运飞机制造的技术还不够成熟,多数飞机零部件不在国内生产,因此飞机零部件检具在国内市场仍基本处于空白阶段。另一方面,现有装备产品质量的提升有赖于检具行业★◇▽▼•的发展。以卡车为例,国内卡车的质量与国外卡车的质量有较大的差距,无论从外型设计、安全性、舒适性方面都存在差距。出现这种差距的原因除了部分核心的生产技术未掌握以外,国内卡车生产的主机厂运用汽车检具的程度较低, 导致国内卡车生产的精密程度难以把控。随着国内检具应用门类的不断拓展,我国卡车等装备市场也将更广泛地使用检具检测部件装配的精密度,有助于我国装备制造产品质量的提升,同时也将为检具行业带来巨大的市场机会。从国家政策角度来看, 2015 年 5 月公布的《中国制造 2025》规划,明确了成为制造强国的目标; 2016 年 8 月发布的《装备制造业标准化和质量提升规划》,主要是为了对接《中国制造 2025》,该规划指出到 2020 年,工业基础、智能制造、绿色制造等标准体系基本完善,质量安全标准与国际标准加快接轨,从而提升中国制造的国际•☆■▲影响力。由此可见,质量安全标准是决定中国制造国际影响力的重要因素之一,而检具正是质量控制△▪▲□△不可或缺的检测工具。上述飞机制造、高端装备制造等行业未来将逐步从国外进口转到由国内企业自主生产, 为了达到质量标准,检具将是制造企业必不可少的投入。因此,检具是汽车等高端精密制造行业发展的基石,在飞机制造、汽车发动机制造、军工装备制造等精密制造领域的应用还有巨大发展空间。检具行业助力中国制造的品质革命。汽车检具方面,无论是新车型的出现还是旧车型的更新换代,都离不开汽车检具。随着汽车工业的发展,新车型开发周期将大幅缩短。消费者对汽车的需求更加多样化、个性化,促使汽车更新换代的速度继续加快。面对中国庞大的汽车市场需求以及◆▼日益提高的整车装配技术和零部件生产技术,未来世界汽车制造企业将继续在中国增设新款的汽车生产线,汽车检具行业的市场容量也将持续扩大。在检具其他的应用领域,随着中国制造的理念逐渐深入人心,以政府工作报告弘扬的“工匠精神”为内在动力,制造业已全面开展质量提升行动,推进与国际先进水平对标达标。因此,制造行业对质量要求的不断提高,检具行业未来的发展空间巨大。

  随着我国汽车工业的发展,车型更新换代速度越来越快,开发周期▲●…△大幅度缩短。作为控制零件尺寸的检具,特别是总成检具,其开发周期也需要缩短。

  虽然每家检具公司都有检具标准件库,为设计者提供了便利,但还是无法跟上检具的开发节奏,特别是一些紧急的项目,无法压缩设计周期和节约制造成本。

  现提出新的设计思路,在检具零件标准化基础上,针对相似的汽车零部件分类,提出检具标准化设计构想,并在汽车外饰保险杠总成检具上创新应用。

  每辆汽车都是由成千上万个零部件组装而成,现代化大批量生产的出现,要求在装车过程中,零部件之间的匹配都能满足设计要求(尺寸、功能),具备互换性,同时还应满足整车性能、外观的要求。

  检具是用来测量和评价零件尺寸是否合格的专用设备,将零件准确地定位在检具上,通过目视或借助百分表、传感器、卡尺和位置销、面差规、塞尺等检验工具对零件孔位、型面、周边进◆●△▼●行检验,满足特定检测要求而专门制造的测量工具,并兼顾测量支架的功能。

  检具一般依据几何尺寸和公差(GD&T)或者定位点系统(RPS)或零件公差表(PCP)来设计制造。

  本体模块:一般为底板、支架、支座、翻板、滑移结构、线性导轨、基准与起吊装置。

  定位夹紧模块:满足3-2-1原则(约束零件6个空间自由度)的定位系统、非刚性零件的辅助基准与夹紧结构。

  测量模块:检测块、模拟块、测量销、卡板、EDC(电子数◆■据采集装置)、百分表、传感器。

  为了加快设计进度、减少制造成本、缩短制造周期,各检具供应商都采用自己公司开发或借鉴市面上的标准件,并建立标准件库,以方便设计时调用,提高设计效率、减少设计错误。

  检具的标准件主要有:底板、销、哈弗结构组件、通止规、夹紧器、直线导轨、伸缩线、基准块、I型支▪▲□◁架、L支架、翻板等,其中以SAICGM(上汽通用)公司颁布的检具标准件为主流。

  汽车外饰零件以前后保险杠总成为例,与前保险杠匹配的零件有:引擎盖、前大灯、翼子板、下导流板或塑料支架安装钣金;与后保险杠匹配的零件有:行李箱盖、后尾灯、侧围外板、下导流板或塑料支架安装钣金,如图1和图2所示。

  这些相对简单的匹配关系是保险杠总成检具设计的切入点,即匹配区域的相似性为保险杠类检具设计的标准化提供可行性;随着新车型开发加速,家族化脸谱成为主机厂设计主流,特别是前后保险杠总成,这也给检具设计的标准化奠定了良好的基础。

  针对保险杠结构特点,结合图纸和车身设计公差规范(DTS)要求,将前后保险杠总成检具(见图3)的基本结构划分为五大模块。

  前保险杠检具:引擎盖模拟块、前大灯模拟块、翼子板、定位紧固、轮口模拟块;后保险杠检具:行李箱盖模拟块、后尾灯模拟块、侧围、定位▷•●紧固、轮口模拟块,并将其模块标准化。

  中间模拟块组件标准化是针对前保险杠匹配的引擎盖或后保险杠匹配的行李箱盖模拟块采用翻转结构设计,通过模拟块(SAICGM还有测量块可互换)用塑料塞尺测量引擎盖与前保险杠之间的间隙或行李箱盖与后保险杠之间的间隙,同时也通过打表点的设置(依据产品测量计划布置位置)方便数据采集,计算是否符合尺寸要求,如图4所示。

  基本机构如图5所示,设计该处机构时可采用模块化设计,只是针对不同产品更新模拟块和调整打表位置与配重块质量,其他无需重新设计,设计二维图纸时无需重新出图。

  车灯模拟块组件标准化是针对前大灯和后尾灯模拟块设计,主要有以下几个标准结构:

  一般用在保险杠有大仰角的情况,通过导轨移动模拟块至理论位置,实现测量功能;

  闭合翻转臂,拧紧螺钉,实现测量功能;松开螺钉,打开翻转臂,实现模拟块非测量状态。扭簧可以平衡模拟块质量,防止翻转时模拟块撞击影响尺寸,同时也减轻翻转力,符合人机工程中的操作便利性。

  通过导轨滑移至理论位置,旋钮柱塞自动进入限位套内定位,实现准确定位模拟块(工作状态);拔出旋钮柱塞,在拉簧作用下向上滑移至另一个理论位置处,旋钮柱塞自动进入限位套内定位,确保模拟块不会因为自重滑落(非工作状态),如图9所示。

  工作和非工作状态之间距离设计为120mm,目的是方便拆装零件。针对不同的保险杠,该区域通常更换不同的测量块或模拟块;考虑相邻大灯处模拟块运动时与之不能有先后顺序,可调整导轨运动方向,但基本结构不变。

  使用时,翻下翻板,插入定位销即可实现模拟块定位;拔出定位销,翻开翻板,使之处于非工作状态,如图10所示;该组件功能是监控产品长度方向是否满足图纸要求。

  当图纸要求的定位孔是先测量后定位,同时客户不同意模拟装车压紧产品,通常采用图11所示结构。保险杠安装在检具上,X向推动压板,夹紧器通过转接板和压板压紧产品。

  保险杠底部的导流板比较低,装车时车身采用吊装,借用扭矩枪从下夹紧产品。但检具上无法实现吊装产品夹紧,通常用手拧定位销也不方便,故将定位销连接在夹紧器上,头部先插入定位座内导向,在导向销向上运动过程定位产品,其端面压紧产品。该结构适用于保险杠底部导流板定位或测量(见图12)。

  紧螺钉通常分三段:端头是螺纹,中间是导向,第三段是定位或测量部分并带尼龙垫片(目的是压紧产品时不会弄伤产品)。工作时螺钉起拉紧产品的作用,导向确保产品中心位置,定位或测量部分满足图纸要求。

  该结构适用于前保险杠仰角、轮口、尾灯下定位和测量(见图13),可以模拟线

  检具设计时一定要考虑带三坐标测量支架功能,因为前期开发时客户要求提交三坐标测量报告,而不是手工测量●报告,故在检具上还会设计压板来压紧产品,方便三坐标测量。一种方式是压板上装有导套,导柱固定在安装座上与之配合,压板在弹簧的作用下上下浮动,通过压紧螺母拧紧或拧松来压紧或放开产品。

  一般情况下,工作状态时,压紧面与产品面过盈0.1mm,确保完全压紧(见图14(a));另外一种方式是压板安装在导轨上,通过滑动导轨实现压紧或放开产品,方便拆装产品。一般◁☆●•○△△▪▲□△情况下,工作状态时,压紧面模拟塑料支架面(见图14(b))。

  目前检具零部件标准化发展良好,在SAICGM(上汽通用)大力推广下,各检具公司积极响应,并结合自身特点建立了特有的标准件库,但检具设计标准化尚处于初级阶段,有待于检具同仁的共同努力,未来检具自动化安装和测量、柔性化、模块化(机电一体化)、无线传输、红外线非接触式扫描、接触式传感器等智能化测量手段也将成为一种趋势。

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