汽車開關(guān)門品質(zhì)優(yōu)化

萬婷婷，徐澤輝

(廣汽埃安新能源汽車有限公司技術(shù)中心,廣東廣州 510000)

0 引言

汽車車門開閉是直觀影響客戶對(duì)汽車品質(zhì)印象的關(guān)鍵因素之一，開關(guān)的流暢性、聲音的品質(zhì)、力度的大小、開度的大小等則會(huì)直接影響用車體驗(yàn)。因此主機(jī)廠會(huì)將車門開閉感作為車型量產(chǎn)前必須評(píng)價(jià)及定義的一項(xiàng)內(nèi)容，在車門開閉感中占據(jù)重要地位的一個(gè)關(guān)鍵零件叫做車門限位器，它主要參與調(diào)節(jié)車門的過擋力、控制車門開度以及車門開閉的聲音品質(zhì)。

1 車門限位器的工作原理

車門限位器是用以限制車門在車身傾斜的情況下車門自己打開或關(guān)閉，并限制車門的最大開度，同時(shí)起緩沖作用，防止發(fā)生金屬之間相碰產(chǎn)生異響。車門限位器的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)包含金屬?gòu)椈?、限位臂、限位盒、橡膠緩沖塊等組成，安裝支架和限位臂鉚接且能平穩(wěn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。

圖1 車門限位器結(jié)構(gòu)示意

三擋車門限位器的工作原理如圖2所示，當(dāng)車門逐漸打開時(shí)，通過限位臂，兩滑塊之間的距離增大，鉸鏈產(chǎn)生角位移，扭轉(zhuǎn)到一定角度后，限位臂的凹槽卡入滑塊之間，這是第一擋限位；車門繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到某一位置時(shí)，臂的第二個(gè)凹槽卡入滑塊之間被定位，達(dá)到第二擋限位；車門繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到最大位置時(shí)，限位臂端頭的橡膠緩沖塊與限位盒相碰而使得門限值在最大開度，此為第三擋限位。

圖2 車門限位器的運(yùn)動(dòng)軌跡

2 車門開關(guān)品質(zhì)的評(píng)價(jià)方式及不良表現(xiàn)

車門開閉感是指車門在開關(guān)過程中的車門開關(guān)力和開關(guān)門聲音帶給人的主觀感受，車門正常拉開過程中，首先對(duì)門把手施加鉸鏈軸線切向力，當(dāng)力值達(dá)到門鎖解鎖力時(shí)，車門完成解鎖；繼續(xù)向外拉動(dòng)門把手，車門限位器將進(jìn)入爬坡過程，當(dāng)限位器到達(dá)一擋位置時(shí)，車門開啟也限制在一擋角度值，此時(shí)把手操作力也到達(dá)一擋位置峰值；持續(xù)拉動(dòng)把手，車門限位器將進(jìn)入二擋位置并到達(dá)二擋峰值位置，車門開啟進(jìn)入二擋位置；持續(xù)拉動(dòng)把手，車門限位器進(jìn)入三擋并到達(dá)三擋峰值位置，車門開啟至最大角度。限位器在三擋運(yùn)動(dòng)過程中，滑塊與限位臂凹槽間配合將會(huì)產(chǎn)生過擋聲，限位器罩殼內(nèi)添加油脂時(shí)，滑塊運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生油脂黏連聲。綜上，車門正常運(yùn)動(dòng)情況下，限位器一、二、三擋過擋力及限位器過擋聲和油脂黏連聲為車門開閉品質(zhì)評(píng)價(jià)要素。

車門在受到大力碰撞或零部件出現(xiàn)異常時(shí)，車門開閉品質(zhì)也會(huì)受到影響，產(chǎn)生異響、操作力過大、車門開閉等異常的情況。某車型在生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)開門四擋及車門開閉異響現(xiàn)象，經(jīng)過拆裝及解剖分析發(fā)現(xiàn)，限位器注塑頭部發(fā)生開裂，車門開啟至最大角度時(shí)，滑塊進(jìn)入止擋限位槽，從而車門開啟產(chǎn)生四擋；車門開閉異響則是由于限位器金屬蓋板變形及安裝支架變形，限位器拉動(dòng)過程中因擠壓及松動(dòng)而發(fā)出響聲。綜上可知，限位器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及品質(zhì)是影響車門開閉感的重要因素，需重點(diǎn)分析。

3 限位器品質(zhì)不良分析及對(duì)策

經(jīng)過對(duì)車門開閉過程力學(xué)分析及某車型車門開閉品質(zhì)分析，可知影響車門開關(guān)品質(zhì)的要素為車門把手操作力、限位器過擋聲、限位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3.1 車門把手操作力

車門把手的操作力決定了乘客開關(guān)門的手感品質(zhì)，這就對(duì)限位器有了一定的開關(guān)門擋位力矩的要求，要根據(jù)適合的手感，來調(diào)節(jié)主臂的形狀從而調(diào)節(jié)力矩大小。限位器的主臂設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于主臂的曲線形狀、主臂凹槽深度半徑的大小[2]。

主臂的曲線形狀主要由鉸鏈位置、限位器支架安裝位置及控制盒安裝位置決定，控制盒中心始終繞鉸鏈軸心旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)桿繞限位器轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)中，可以選取不同車門開度下對(duì)應(yīng)的控制盒中心線，以不同中心線交點(diǎn)為圓心，以交點(diǎn)與車門距離為半徑畫不同圓弧，順滑連接出的形狀即為主臂形狀[3]。

主臂的凹槽設(shè)計(jì)決定了過擋的力矩大小及過擋聲音品質(zhì)，凹槽兩端存在坡度，代表了車門入擋和出擋的狀態(tài)，設(shè)限位器的過擋力為F，設(shè)計(jì)公式為：

F=fkh0cos2θ+kh0sinθcosθ+fkxsinθcosθ+kxsin2θ

式中：F為限位器過擋力；f為摩擦因數(shù)；k為彈性元件彈性系數(shù)；h為彈性元件變形量；h0為彈性元件初始變形量；x為沿導(dǎo)桿水平方向位移；θ為坡度斜率直線的角度。

該公式曲線經(jīng)模擬仿真后，曲線最大值即為限位器過擋力。通過調(diào)整主臂形狀及彈簧參數(shù)從而可以調(diào)整過擋力。新車型在量產(chǎn)前，會(huì)不斷對(duì)車門開關(guān)力進(jìn)行調(diào)試來改善擋位感、助關(guān)效果、過擋力和過擋聲，直到達(dá)到評(píng)審要求[3]。

3.2 車門開關(guān)異響

在常見的車門開關(guān)異響類型中，有一類是限位器異響，經(jīng)拆解分析后發(fā)現(xiàn)，異響源來自于限位器罩殼蓋板變形。在限位器設(shè)計(jì)開發(fā)驗(yàn)證試驗(yàn)中，需要用臺(tái)架對(duì)限位器進(jìn)行沖擊性試驗(yàn)，在常溫下將限位器安裝在臺(tái)架上，給車門一個(gè)開啟方向的沖擊，使全開角度附近的開門速度為2.5 m/s，循環(huán)沖擊20次，驗(yàn)證限位器是否有損傷。但因試驗(yàn)樣本量不足，在大批量出車中發(fā)現(xiàn)，開關(guān)門沖擊力可能會(huì)造成限位器罩殼變形，蓋板變形與罩殼擠壓從而產(chǎn)生異響聲，分析結(jié)果見表1。由表1可知，限位器蓋板變形量在達(dá)到0.4 mm時(shí)，大概率會(huì)產(chǎn)生異響。

表1 限位器異響蓋板變形量分析

綜上，目前市面大多限位蓋板材料使用的是SPCE,t1.6，該種材料的抗拉強(qiáng)度不小于270 MPa，并不滿足極限情況下的沖擊需求；解決方案是采用SAPH440,t1.6,該材料的抗拉強(qiáng)度不小于440 MPa，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)后，蓋板變形量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，不再有異響產(chǎn)生，結(jié)果見表2。

表2 加強(qiáng)蓋板樣本變形量分析

3.3 車門開關(guān)不良

經(jīng)市場(chǎng)反饋及實(shí)車效果，開關(guān)不良主要有兩類:(1)使用出現(xiàn)卡滯難拉;(2)開關(guān)門擋位出現(xiàn)異常。

3.3.1 限位器卡滯改善

限位器一般在出廠時(shí)手感并不會(huì)有太大異常，基本會(huì)保持最終調(diào)試結(jié)果，但經(jīng)市場(chǎng)客戶反饋，有些車型在使用兩三個(gè)月之后，出現(xiàn)車門難開關(guān)，甚至無法開關(guān)的現(xiàn)象。原因是限位器在使用一段時(shí)間后力矩出現(xiàn)了上升，導(dǎo)致開關(guān)門操作力加大，這是限位器使用一段時(shí)間后才出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象的根本原因。限位器操作力矩主要是由滑塊與限位臂之間摩擦力產(chǎn)生，影響摩擦力大小有兩個(gè)因素：(1)彈簧的軸向壓縮力；(2)滑塊與限位臂的摩擦因數(shù)。

當(dāng)限位臂與滑塊使用一段時(shí)間后由于灰塵影響導(dǎo)致表面粗糙，摩擦因數(shù)將上升；其次降低彈簧的軸向壓縮力，在材料不變前提下，摩擦因數(shù)上升的情況下，也能優(yōu)化操作力值，提升操作手感。

從上述兩個(gè)方向著手：(1)降低摩擦因數(shù)可在限位臂與滑塊摩擦面之間添加油脂，確?；覊m進(jìn)入摩擦面后依舊保持原有的潤(rùn)滑性能。驗(yàn)證方法為：對(duì)限位臂表面涂抹油脂后再噴涂亞利桑那粉塵，粉塵需布滿限位臂上表面，開關(guān)30次，對(duì)比限位器力矩變化以及開關(guān)手感評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 開關(guān)門力矩變化

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，限位臂涂油后再噴涂粉塵，限位臂表面劃痕較未涂油樣件有明顯改善，擋位底部依舊會(huì)有粉塵堆積，但力矩增大不明顯，手感也無明顯卡滯現(xiàn)象。

(2)降低彈簧軸向壓縮力，對(duì)以下市場(chǎng)主流車型限位器的主流彈簧各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況見表4。

表4 限位器參數(shù)對(duì)比

在限位臂平直段厚度相同、彈簧自由長(zhǎng)度、預(yù)壓縮量相同的情況下，線徑2.4 mm的車型B限位臂平直段壓縮力遠(yuǎn)小于車型A，因此考慮優(yōu)化方向?yàn)闇p小彈簧線徑。其次，為了保證擋位感前提下減小卡滯，可適當(dāng)降低峰值力以外的平直段操作力，方式為保持限位臂最大厚度不變，降低限位臂槽底厚度R角大小。以某車型前門操作力為例，修改彈簧及限位臂前后曲線如圖3所示。

圖3 不同線徑彈簧限位器力矩曲線對(duì)比

由圖3可知，曲線1為2.7 mm線徑彈簧，曲線2為2.4 mm線徑彈簧，兩種彈簧設(shè)計(jì)峰值一致，除開一擋力值由30 N調(diào)整為28 N，為了改善開門手感，從各平直段可以觀察到曲線2比曲線1開門力值小2 N，開門段曲線，曲線2整體低于曲線1，說明2.4 mm彈簧限位器開門力值整體低于2.7 mm彈簧，對(duì)開門手感有一定提升，曲線2開關(guān)門間距明顯小于曲線1，摩擦力值損失明顯降低。曲線2關(guān)門能量值高于曲線1，關(guān)門能量值得到提升。在對(duì)限位器進(jìn)行耐久后，實(shí)測(cè)力矩曲線如圖4和圖5所示。

圖4 左前門不同彈簧1萬次耐久力矩對(duì)比

圖5 左前門不同彈簧2萬次耐久力矩對(duì)比

由圖可知，1萬次灰塵耐久后兩種彈簧的限位器均出現(xiàn)力矩上升情況；2萬次灰塵耐久后2.4 mm彈簧限位器明顯出現(xiàn)力矩衰減狀態(tài)，而2.7 mm彈簧限位器力矩還維持原狀；灰塵耐久后2.4 mm彈簧曲線整體低于曲線1，尤其是在平直段區(qū)域；平直段區(qū)域力矩大小是影響開關(guān)卡滯最重要的因素；前兩萬次車門開關(guān)最能反饋車輛使用過程車門手感。一萬和兩萬次耐久后評(píng)價(jià)手感，2.4 mm彈簧明顯優(yōu)于2.7 mm彈簧，2.7 mm彈簧卡滯感明顯。

3.3.2 開關(guān)門擋位異常

某車型設(shè)計(jì)開門擋位為三擋，而實(shí)際下線發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)四擋異常車輛，拆開車門后發(fā)現(xiàn)限位器頭部斷裂，導(dǎo)致推動(dòng)車門時(shí)滑塊會(huì)越過止擋坡進(jìn)一步壓縮頭部，出現(xiàn)第四擋的異?，F(xiàn)象。此車型所應(yīng)用頭部結(jié)構(gòu)為成熟結(jié)構(gòu)，過往應(yīng)用在多款車型上，未曾發(fā)現(xiàn)過批量頭部斷裂不良，但在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)開關(guān)門沖擊力大于500 N時(shí)(標(biāo)準(zhǔn)為590 N)且樣本量不小于100時(shí)，發(fā)現(xiàn)有破裂樣件。差異點(diǎn)在于車門傾角、車門質(zhì)量以及車門開度的不同，證明此頭部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足該車型的開閉要求。

原頭部結(jié)構(gòu)如圖6所示，改善后的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 限位器不良件頭部結(jié)構(gòu)

圖7 限位器頭部?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)

由圖可知，頭部結(jié)構(gòu)由鋼芯扭頭包塑形式更改為壓合止擋板包塑形式；更改后的頭部止擋為整個(gè)鋼材平面支撐，止擋面積大，抗沖擊性能強(qiáng)。經(jīng)過改善后，限位器頭部在690 N的沖擊力下，樣本量達(dá)到1 000時(shí)未發(fā)現(xiàn)有破裂現(xiàn)象，后續(xù)生產(chǎn)也未發(fā)現(xiàn)有異常。

4 結(jié)束語

文中從改善車門開閉感出發(fā)，分析了開門過擋力調(diào)整、開關(guān)門異響及開關(guān)門異常優(yōu)化，闡述了某車型限位器品質(zhì)優(yōu)化的過程及方法，并詳細(xì)介紹了優(yōu)化結(jié)構(gòu)及優(yōu)化前后性能對(duì)比，通過增加油脂減小摩擦力和減小限位器彈簧力可以達(dá)到優(yōu)化耐久后的車門開關(guān)操作力；加強(qiáng)金屬蓋板可以大幅減少蓋板變形，消除異響；將限位器頭部結(jié)構(gòu)改為壓合止擋板包塑，可以增強(qiáng)限位器抗沖擊性。以上改善均已完成耐久試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果與分析一致。以上分析為后續(xù)車型限位器的設(shè)計(jì)及加工提供了有效的優(yōu)化方法。