車門內(nèi)水切共振異響分析和優(yōu)化

徐慧

摘 要：文章主要針對玻璃升降過程中由內(nèi)水切造成的異響問題進行分析研究，介紹了內(nèi)水切異響類型和相關(guān)設計要點。結(jié)合物理模型和振動微分方程分析其異響機理，總結(jié)出異響控制的3種方式。最后運用DFSS方法識別異響機會，根據(jù)客戶要求定義工程指標，通過優(yōu)化自身變量確定控制因子和噪音因子，利用有限元分析得到水切拔出力，分析其信噪比找到消除異響的穩(wěn)健設計方案，并通過實車驗證其方案有效。關(guān)鍵詞：DFSS;內(nèi)水切;性噪比;振動異響;拔出力中圖分類號：U463.83+5 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）01-148-04

Abstract： In this paper， Mainly Study and analysis on vibration squeak during side door glass lifting process， introduce influence factors and design key points about inner belt sealing strip. Combining the physical model and the vibration differential equation to analyze the vibration squeak mechanism， and summarizing the three ways of abnormal sound control. Finally， the DFSS method is used to identify the opportunity of resolving the vibration squeak， and the engineering metrics are defined according to customers requirements， the control factor and noise factor are determined by optimizing the self-variable， the Pull-out force of inner Belt Sealing strip is obtained by finite element analysis， and the signal-to-noise ratio is analyzed to find a robust design scheme for eliminating vibration squeak. And verify the effectiveness of the program through the actual vehicles.Keywords： DFSS; Inner Belt Sealing Strip; Signal-To-Noise Ratio; Vibration Squeak; Pullout ForceCLC NO.： U463.83+5 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）01-148-04

引言

車門內(nèi)水切是汽車玻璃升降系統(tǒng)的重要零部件之一，具有降噪、裝飾，支撐玻璃平穩(wěn)升降等功能。隨著近年來消費者對整車舒適性要求的提升，玻璃升降品質(zhì)的提升至關(guān)重要。近幾年由水切造成的升降異響問題頻發(fā)亟待解決 [1-2]。能夠在設計前期對裝配問題進行預判，指導工程師對內(nèi)水切結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，可以有效的規(guī)避由于設計不合理造成的異響問題。

1 內(nèi)水切異響分類及機理

1.1 內(nèi)水切常見的異響類型

玻璃升降過程中，由內(nèi)水切導致的異響主要分為兩種 [3-4]，一種是玻璃與內(nèi)水切絨毛之間摩擦發(fā)出的“吱吱”或“唧唧”異響，其在升降過程均會出現(xiàn);另一種是在玻璃下降過程中內(nèi)水切唇邊根部不穩(wěn)定，與周邊件敲擊產(chǎn)生的“咕嚕咕?！碑愴懀憩F(xiàn)為水切唇邊與玻璃之間產(chǎn)生頓挫運動導致其與鈑金發(fā)生敲擊，或者水切安裝后不穩(wěn)定，在卡接止口出現(xiàn)上下串動導致異響。圖1是一種典型內(nèi)水切安裝斷面示意圖，由側(cè)門護板、卡簧、車門鈑金止口、玻璃、內(nèi)水切組成。

1.2 異響產(chǎn)生機理

在運動中內(nèi)水切和玻璃之間的關(guān)系可以簡化為圖2所示的結(jié)構(gòu)，在這個頻繁往復的過程中，由于相對位置的變化產(chǎn)生了共振而導致異響產(chǎn)生[5]。

Fn—玻璃施加給水切披風的壓縮力（CLD：單位為N/100mm）;

ft—玻璃運動時，水切披風受到的滑動阻力;

F1—內(nèi)水切所受抗拔出力;

V0—玻璃下降運動速度;

V1—玻璃上升運動速度。

如圖a所示，玻璃沿V0方向運動，水切和玻璃之間開始發(fā)生力值變化。在玻璃運動作用下，水切受到滑動阻力ft，在ft作用下水切披風產(chǎn)生沿變形點旋轉(zhuǎn)的彈性變形儲存能量，當變形點位置結(jié)構(gòu)或者唇邊角度設計不合理時，導致其彈性勢能產(chǎn)生的沿玻璃運動方向的回彈力大于滑動阻力ft，水切唇邊就會沿玻璃運動方向產(chǎn)生上下串動釋放能量，如此反復便形成了玻璃與披風之間的：粘-滑-粘-滑現(xiàn)象。其中ft與Fn成正比，這種由于壓縮力Fn的變化導致產(chǎn)生的粘住-滑動運動也被稱為自鎖-滑動[6]。粘滑過程即是能量產(chǎn)生到釋放的過程。披風在玻璃的帶動下，會產(chǎn)生高頻震動，即釋放能量，當披風與玻璃之間在單位位移內(nèi)產(chǎn)生的頻次在人耳聽力抱怨范圍內(nèi)時，便形成了水切唇邊敲擊玻璃的異響。

如圖b所示，玻璃沿V1方向運動，當ft>F1，水切本體與鈑金產(chǎn)生玻璃運動方向的上下串動，導致水切唇邊與玻璃之間失穩(wěn)產(chǎn)生低頻震動異響或者本體與鈑金止口翻轉(zhuǎn)導致敲擊異響。

可以將內(nèi)水切簡化成只有一個摩擦副的簡單模型[7-8]，該摩擦副為一個剛性平面和一個質(zhì)量為m的運動快，用一個剛度為c的彈簧來表示系統(tǒng)的總彈性如圖3所示，用彈簧-阻尼系統(tǒng)來拖動滑塊，以速度V0（玻璃的運動速度） 在剛性平面運動，為內(nèi)水切的運動速度。大量研究表明，即使法向力Fn不變，滑動速度為0，靜摩擦力還是會隨著時間變化，對于彈性體而言，是黏度導致了延遲反應。對單個情況來說，可以通過增加內(nèi)部變量θ來描述此現(xiàn)象，內(nèi)部變量最初是由A.Ruina用于地震動力學[9]，比如溫度等都可以作為內(nèi)部變量。假設接觸面的摩擦力被定義為所有滑動速度和內(nèi)部變量的函數(shù)，滑塊的運動方程為：

以上可以得到速度-剛度對于摩擦系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響。當剛度小于cc，滑動是不穩(wěn)定的;剛度>cc或速度v0>vc時，運動是穩(wěn)定的，任何擾動經(jīng)過一段時間后都會衰減。

控制異響最根本的方法就是控制振動體本身，由以上系統(tǒng)穩(wěn)定性可知，從水切自身入手的控制異響的方式有：

（1）盡可能降低摩擦系數(shù)，使系統(tǒng)保持c-cc>0，通過選擇合理的絨毛和涂層;

（2）通過優(yōu)化水切唇邊結(jié)構(gòu)增加其剛度，調(diào)整壓縮負荷、水切唇邊壓縮量、攻擊角到合理范圍值;

（3）減少水切基體部分運動過程中的位移量，即增加拔出力，從而提升穩(wěn)定性降低異響可能性。

2 DFSS設計

DFSS致力于前期設計質(zhì)量的穩(wěn)健性，通過調(diào)整可控設計變量，改善產(chǎn)品質(zhì)量;滿足產(chǎn)品性能同時需保證低成本。李玉強等介紹了DMADOV流程的六西格瑪穩(wěn)健設計[10]，本文采用的是DFSS的IDOV穩(wěn)健設計方法[11-12]。

2.1 識別機會

某車型出現(xiàn)比例為2%的玻璃上升異響，經(jīng)排查是因為此車門結(jié)構(gòu)內(nèi)板位置通過卡簧固定門護板，內(nèi)水切有效卡接區(qū)域并不是整個內(nèi)板區(qū)域，在玻璃升降過程中玻璃帶動內(nèi)水切發(fā)生偏轉(zhuǎn)導致振動異響。故本優(yōu)化的研究范圍是內(nèi)水切安裝穩(wěn)定性，從自身骨架，夾持齒優(yōu)化出發(fā)。DFSS交付物為內(nèi)水切拔出力滿足要求，即裝車后位移變化量小，在不影響升降功能和安裝方便性前提下無異響。

2.2 定義要求

對工廠操作工等內(nèi)部客戶而言，他們希望水切安裝方便即安裝力小;對售后維修而言希望水切易拆裝，安裝后牢固可靠;對質(zhì)保和購車用戶則是希望玻璃升降平順無異響，客戶要求對應的工程指標見表1。

2.3 優(yōu)化設計

將表1列舉的客戶要求和工程指標作為優(yōu)化設計的參考標準，可知主要從內(nèi)水切基體出發(fā)設計開發(fā)一款內(nèi)水切，要求其插拔力滿足工程指標，且達到無異響的最終性能。對標市場主流車型，目前內(nèi)水切安裝定位齒大部分為一側(cè)3個，夾持唇邊一側(cè)2個，且為鋼骨架加TPV結(jié)構(gòu)形式，基于這些參數(shù)已定前提下可以從水切基體內(nèi)部夾持結(jié)構(gòu)出發(fā)設定四個控制因子：①A-夾持唇邊角度②I-唇邊干涉量 ③T-唇邊厚度 ④H-材料硬度，一個噪音因子：內(nèi)水切卡接鈑金厚度E;如圖4所示：

每個控制因子3個水平，噪音因子也是3個水平，±0.6mm是鈑金止口的面輪廓度公差，如表2所示：

利用有限元分析軟件對水切拔出力進行分析，分析時認為鈑金是剛體，幾何模型如圖5所示：

選取L9-3-4正交列表，可以得到9種設計方案，通過仿真計算出在三個水平噪音因子影響下的拔出力，得到表3所示的結(jié)果：

DFSS方法用信噪比評價系統(tǒng)的穩(wěn)健性，信噪比越大越好。

β-拔出力的最佳斜率;

σ-拔出力相對于最佳斜率的平均方差。

拔出力越大的設計，異響越不敏感也越不容易發(fā)生。但是其特性值不是越大越好，拔出力不得超過容易拆卸的工程要求，且拔出力過大必然會導致插入力相應增大，所以在確認最優(yōu)設計后還要對插入力做校核計算。由式（8）可以得到每個方案計算所得信噪比（S/N）和拔出力平均值如表4所示：

由表4結(jié)果得到信噪比點圖6和拔出力均值點圖7， 可知控制因子T、H是影響設計穩(wěn)定性的顯著因子，其最優(yōu)設計是A-1，I-3，T-3，H-3，即為方案3。

最優(yōu)設計的信噪比為：S/N=38.6+（0.5+0.5+1.2+1.4）=42.2

最優(yōu)設計的拔出力為：Mean=87.2+（6.7+5.6+12.1+14.6）= 126.2

因為最優(yōu)化設計方案剛好在選擇的9個方案之內(nèi)，所以只需對其插入力做校核分析即可，計算所得插入力為31.3N/ 100mm，符合插入力小于50N/100mm的設計要求。

2.4 確認

針對已經(jīng)出現(xiàn)的異響，如果通過盲目優(yōu)化設計變量生產(chǎn)樣件將造成資金和能源浪費，且其周期和有效性均不可控。本文通過DFSS工具，得到方案3在各工況下的拔出力均值最高且在設計要求范圍內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)健性也最好，最終可通過只生產(chǎn)方案3的產(chǎn)品用于驗證方案有效性，極大提高效率同時降低成本。最后挑選批次異響車門，在失效車門上安裝方案3的樣件，反復升降玻璃，最終異響消失，進一步驗證方案3滿足DFSS項目指標解決了異響問題。

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