汽車內(nèi)飾按壓異響研究

李東強(qiáng)，彭 云，洪尚杓

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

隨著汽車保有量的增加，汽車舒適性成為各汽車競爭的主要領(lǐng)域，尤其是隨著新能源車的增加，車內(nèi)異響問題逐步凸顯，如何有效解決汽車異響問題成為重要的研究課題。異響（BSR）是指受外部激勵的情況下相鄰零部件之間發(fā)生相對位移而產(chǎn)生的摩擦或敲擊噪音。異響按原理分為共振異響（Buzz）、摩擦異響（Squeak）、敲擊異響（Rattle）。根據(jù)異響激勵源不同，異響分為整車道路異響和靜態(tài)異響。道路異響是由路面激勵所引起的異響，靜態(tài)異響是指整車未行駛狀態(tài)操作功能件及按壓內(nèi)飾件產(chǎn)生的異響[1]。崔曉鵬[2]以某SUV 車門系統(tǒng)異響開發(fā)為例，通過數(shù)模檢查、異響CAE 分析、異響試驗結(jié)合的方法提出一套比較完整的異響控制方法與流程。段文君等人[3]從汽車內(nèi)飾件異響類型及原因分析，介紹了常見異響問題排除診斷方法，并給出優(yōu)化建議。Martin Trapp[4]系統(tǒng)介紹了異響機(jī)理、材料副摩擦試驗、異響CAE方法等內(nèi)容。劉二敏[5]和蔡金水[6]針對門飾板BSR 問題，總結(jié)BSR 影響因素和設(shè)計要點。

按壓異響問題在所有異響問題中較為突出，如何系統(tǒng)有效解決按壓異響問題是本文的主要研究內(nèi)容。

1 按壓異響成因與影響要素分析

按壓異響指通過手指、手掌、手肘等部位按壓內(nèi)飾件表面使得相鄰零件發(fā)生相對位移產(chǎn)生的噪音，主要屬于摩擦類異響。按壓異響是不同材料零件匹配摩擦產(chǎn)生粘滑效應(yīng)（Stick-Slip）發(fā)生的異響，如圖1 所示。

圖1 典型粘滑效應(yīng)模型

根據(jù)粘滑效應(yīng)物理模型建立力學(xué)模型如下：

式中：m1和m2分別相鄰零件質(zhì)量，x為按壓相對位移量，為m1加速度，k為零件1 剛度，F(xiàn)為按壓力，F(xiàn)f為摩擦力，μd為動摩擦因數(shù)，μj為靜摩擦因數(shù)，F(xiàn)N為作用在m1上的正壓力。

根據(jù)公式（1）知按壓異響與零件結(jié)構(gòu)剛度、摩擦特性相關(guān)。從式（2）和式（3）可知，相互接觸的零件在外按壓力作用下，從靜止到運(yùn)動過程，發(fā)生接觸粘滑效應(yīng)，但并不是所有粘滑效應(yīng)都會發(fā)生異響，它與接觸表面特征有關(guān)，與材料特性相關(guān)。按壓異響同時受系統(tǒng)靈敏度影響。系統(tǒng)靈敏度主要指零件整體剛度和局部剛度和安裝定位，表面特性主要指表面摩擦系數(shù)和材料兼容性。此外，內(nèi)飾件受環(huán)境溫度、濕度影響，尺寸及表面特性變化較大，圖2 為按壓異響影響因素。

圖2 按壓異響影響因素

研究表明，內(nèi)飾異響中80%是由于設(shè)計缺陷導(dǎo)致[7]。針對按壓異響的影響因素，可從以下幾個方面解決按壓異響問題：

1.1 材料匹配兼容性

不同材料間摩擦粘滑效應(yīng)產(chǎn)生異響的風(fēng)險不同，通過材料摩擦試驗得到不同材料匹配異響風(fēng)險等級。圖3 為材料兼容性試驗機(jī)，通過試驗可以得到不同溫濕度、正壓力、摩擦速率下的材料異響等級及脈沖率（Impulse Rate）[8]，式（4）、式（5）為脈沖率計算公式。

圖3 材料兼容性試驗機(jī)

式中：△d為△T時間內(nèi)發(fā)生粘滑效應(yīng)的位移，N為△T時間內(nèi)發(fā)生粘滑效應(yīng)的次數(shù)，△p為單位粘滑效應(yīng)的位移（relative displacement per pulse），Impulse Rate 為脈沖率。

圖4 為某車型ABS 與TPO 表皮材料兼容性試驗結(jié)果。其中Grade 表示異響風(fēng)險等級，1～3 級表明兩種材料間不會聽到Squeak；4～5 級表明兩種材料的匹配狀況處在邊界上不能排除發(fā)出Squeak 聲音的情況；6～10 級表明兩種材料匹配情況較差，能明顯聽到Squeak。

圖4 某車型ABS 與TPO 表皮材料兼容性試驗結(jié)果

汽車在生命周期內(nèi)，會面臨在不同路況上多種駕駛情況，因此，判斷材料摩擦副的兼容性有必要測試不同溫度、不同濕度、不同作用力、不同滑動速度等情況，表1 為某車型PVC表皮與ABS 電鍍件材料兼容性部分試驗結(jié)果。

表1 某車型PVC 表皮與ABS 電鍍件材料兼容性結(jié)果

在整車概念設(shè)計階段，合理選擇異響兼容性好的材料與表面處理，可以降低按壓異響風(fēng)險。如將兼容性差的ABS與ABS 材料對改為兼容性好的ABS 與PP 材料對，將PVC表皮與ABS 材料對改為PVC 表皮與PP 材料對，將ABS 噴涂或電鍍件改為PP 普通蝕紋等。表2 為內(nèi)飾件典型材料對異響兼容性。

表2 內(nèi)飾件典型材料異響兼容性

1.2 零件分件及匹配形式

在造型設(shè)計階段，零件分件形式及配合形式對按壓異響影響較大。合理的零件分件線布置，可以減少異響兼容性差的材料對配合區(qū)域，降低按壓異響發(fā)生風(fēng)險。如減少零件構(gòu)成數(shù)量，可降低尺寸鏈構(gòu)成數(shù)量，減少配合間隙公差。減少材料不兼容配合分件區(qū)域，可以降低異響風(fēng)險。如圖5 為某車型門飾板開關(guān)面板與扶手配合示意圖，開關(guān)面板為ABS材料，扶手PVC 包覆，如將PVC 包覆扶手做短，將ABS 與PVC 包覆調(diào)整為ABS 與PP+EPDM-TD20 配合，可以降低異響風(fēng)險，同時降低整車成本。

圖5 不同開關(guān)面板與扶手分件形式

考慮內(nèi)飾件按壓方向，針對材料異響兼容性差的匹配，將與按壓方向平行的配合分縫改為垂直按壓方向，可以降低零件相互摩擦力，降低異響風(fēng)險，圖6 所示為IP 包覆件與裝飾條配合，按壓包覆件及裝飾條表面，壓接形式較對接形式更有利于降低異響風(fēng)險。

圖6 裝飾條對接與壓接配合形式

1.3 零件整體剛度和局部剛度

零件的整體剛度和局部剛度主要考察的是內(nèi)飾件在按壓工況下整體和局部抵抗變形的能力。整體剛度和局部剛度不足容易引起相鄰零件在按壓工況下同時發(fā)生相對位移，導(dǎo)致相鄰零件間隙變小或相互摩擦產(chǎn)生粘滑效應(yīng)而出現(xiàn)異響。整體剛度和局部剛度主要與安裝點、加強(qiáng)筋、支撐筋、限位結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)聯(lián)較大。安裝點布置主要包含安裝點間距、安裝點到邊界距離。加強(qiáng)筋主要考慮按壓區(qū)域零件背部是否布置筋條，筋條布置的間距及高度需結(jié)合CAE 分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計。支撐筋設(shè)計主要分為兩種，一種是相鄰零件配合邊支撐，避免按壓位置發(fā)生相對位移，另一種針對整體按壓偏軟的零件，局部增加支撐柱作用鈑金或其他剛度高的零件。限位結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為兩種，一種是零件的整體安裝定位策略，合理的限位結(jié)構(gòu)能夠有效地管理累積公差，控制間隙。另一種是零件配合的局部限位，通過合理的限位結(jié)構(gòu)布置，能夠有效避免按壓位置因缺少限位導(dǎo)致的相對滑動。圖7 為某車型IP 裝飾條整體剛度和局部剛度優(yōu)化前后對比。

圖7 零件整體剛度與局部剛度優(yōu)化

1.4 零件容差性設(shè)計

汽車內(nèi)飾件大量運(yùn)用塑料材料，受熱脹冷縮和生產(chǎn)制造裝配公差影響較大，合理的容差性設(shè)計能夠有效控制間隙，降低因公差或溫度影響導(dǎo)致的按壓異響。壓接配合容差性比對接配合好，如長條型ABS 電鍍飾條與PVC 表皮配合，電鍍飾條在長度方向公差累積較大，采用電鍍飾條壓接PVC 表皮，一方面飾條邊界的公差累積不影響外觀，另一方面按壓方向支撐較好，不容易發(fā)生相對位移。包覆件拐角因表皮堆積，需做避讓設(shè)計，避免因表皮頂起懸空按壓異響。相鄰零件配合尺寸鏈盡量短，避免累積公差過大導(dǎo)致間隙管理不佳。

2 按壓異響評價方法

為模擬乘員在車內(nèi)操作功能件或擦拭內(nèi)飾或玻璃場景，根據(jù)按壓方式不同分為三類：第一類為單指按壓，第二類為三指或手掌按壓，第三類為或手肘、腿部擠壓。若手指按壓、腿部靠壓力度不超過50 N；肘部按壓力度不超過250 N。圖8 為某車型座艙各區(qū)域按壓異響評價示意圖。

圖8 某車型座艙按壓異響評價

按十點評價法評分，7 分或以上無異響；6.5 分很輕微異響，可接受；6 分輕微異響，勉強(qiáng)接受；5.5 分或以下較明顯異響，無法接受。如表3 所示。

表3 按壓異響主觀評價評分方法

在概念設(shè)計階段，通過對標(biāo)競品車按壓異響水平，結(jié)合不同車型級別的異響目標(biāo)。完成按壓異響評價清單，并制定按壓異響開發(fā)目標(biāo)，指導(dǎo)各系統(tǒng)零部件設(shè)計，如表4 所示。

表4 某車型儀表板系統(tǒng)和門飾板部分按壓異響評估工況

3 按壓異響正向開發(fā)流程及設(shè)計優(yōu)化

汽車內(nèi)飾件開發(fā)主要包含概念設(shè)計階段、詳細(xì)設(shè)計階段、零部件及樣車驗證階段、生產(chǎn)階段。在每個開發(fā)階段運(yùn)用不同控制方法，能夠?qū)愴憜栴}提前在設(shè)計階段解決，減少后期成本，圖9 為汽車內(nèi)飾件按壓異響正向開發(fā)流程。

圖9 汽車內(nèi)飾件按壓異響正向開發(fā)流程

在概念設(shè)計階段，通過以往車型材料庫完成材料對摩擦 異響測試，完成材料兼容性數(shù)據(jù)庫，可用于指導(dǎo)造型表面屬性定義。同時，對競品車型做靜態(tài)異響評價和拆解對標(biāo)，建立開發(fā)車型的按壓異響目標(biāo)。針對以外車型異響問題庫，建立防再發(fā)問題管理清單，制定各系統(tǒng)防按壓異響開發(fā)策略。

在詳細(xì)設(shè)計階段，針對各系統(tǒng)防按壓異響技術(shù)方案，完成主斷面制作及安裝定位策略。對CNC 數(shù)據(jù)和PT 數(shù)據(jù)完成多輪接觸點檢查，結(jié)合CAE 分析制定優(yōu)化方案。

在零部件及整車驗證階段，在零部件總成臺架、整車靜態(tài)評價中評估按壓異響，制定優(yōu)化方案。

在生產(chǎn)一致性階段，針對關(guān)鍵零部件配合間隙、關(guān)鍵零部件力矩做生產(chǎn)管控，保證制造裝配精度。

在按壓異響正向開發(fā)流程中，通過典型斷面設(shè)計、安裝點及限位結(jié)構(gòu)布置、3D 數(shù)據(jù)檢查及CAE 手段能夠在產(chǎn)品凍結(jié)前預(yù)防，減少后續(xù)設(shè)變費用。下面簡單介紹幾種按壓異響控制辦法。

3.1 典型斷面設(shè)計

以某車型門飾板裝飾條開發(fā)為例，在主斷面階段，對于材料對不兼容的配合，合理布置安裝點、支撐筋等結(jié)構(gòu)能極大提升剛度，避免按壓發(fā)生相對位移，如圖10 所示。合理布置安裝點，安裝點間距均勻，安裝點盡量靠近邊界，避免懸臂結(jié)構(gòu)，配合邊緣通過支撐筋和焊點支撐提升局部剛度，中間區(qū)域可通過支撐鈑金提升整體剛度。通過制作典型斷面庫，能夠總結(jié)以往經(jīng)驗，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。

圖10 門飾板裝飾條典型斷面

3.2 安裝點及限位結(jié)構(gòu)布置

合理布置內(nèi)飾件安裝點及限位結(jié)構(gòu)能夠有效提升零件剛度的同時，減少相鄰零件發(fā)生相對位移，降低按壓異響風(fēng)險。圖11 為某車型門飾板ABS 與ABS 裝飾條匹配安裝定位，其中MP 為安裝點間距，ME 為安裝點到邊界距離，XP 為支撐筋、限位筋間距。通過建立安裝定位對標(biāo)數(shù)據(jù)庫，不斷完善安裝定位設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，能有效指導(dǎo)零部件的設(shè)計。

圖11 某車型門飾板ABS 與ABS 裝飾條匹配安裝定位

3.3 接觸點檢查

在詳細(xì)設(shè)計階段，針對內(nèi)飾件CNC 數(shù)據(jù)和PT 數(shù)據(jù)，首先篩選材料對異響不兼容的零件接觸區(qū)域，通過逐條接觸點檢查，制定優(yōu)化方案，圖12 為某門飾板裝飾條按壓異響接觸點檢查分析。

圖12 某車型門飾板接觸點檢查

3.4 按壓異響CAE 分析

結(jié)合上文的材料對摩擦異響試驗結(jié)果，將脈沖率（Impu-lse Rate）換算成發(fā)生粘滑效應(yīng)的最小位移量Δp作為按壓異響CAE 分析的目標(biāo)值，按壓力50 N 工況下，相互接觸的零件相對位移量小于Δp，則無按壓異響風(fēng)險，大于則存在按壓異響風(fēng)險，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在CAE 分析模型中，單指采用ф20 的平面加載，三指、手掌采用ф50 的平面，手肘、腿部采用ф80 的球加載。從上文材料對異響摩擦試驗得到PVC表皮與ABS 的脈沖率，然后換算為Δp作為按壓異響CAE 分析目標(biāo)值，通過判斷相接觸零件相對位移是否小于Δp作為判斷按壓異響風(fēng)險的基準(zhǔn)。圖13 為某車型門飾板裝飾條按壓異響分析工況。

圖13 某車型門板裝飾條按壓異響CAE 分析

3.5 防異響材料

大部分按壓異響問題均可在詳細(xì)設(shè)計階段解決，少部分異響問題可在零部件及整車驗證階段，可以使用一些輔助材料隔離（如毛氈、海綿墊塊、潤滑劑、潤滑脂等）或防異響材料（防異響ABS、PC/ABS 材料）解決。毛氈耐磨但不防水，適用于干涉位置。海綿墊塊彈性好，支撐力強(qiáng)，耐久性好適用于剛度不足的位置。潤滑劑、潤滑脂通過涂刷到零件表面，迅速形成涂層膜，提升潤滑性，適用于干涉位置。防異響材料是通過提高阻尼性能，將擠壓摩擦產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，從而減少發(fā)聲量。

4 總結(jié)

本文從汽車內(nèi)飾件按壓異響機(jī)理分析，總結(jié)按壓異響的影響因素與解決方法，提出了一套防按壓異響正向開發(fā)流程，通過在詳細(xì)設(shè)計階段的優(yōu)化設(shè)計，提前規(guī)避異響問題，減少零部件及整車驗證階段的設(shè)計變更，為異響問題提供了解決思路，該方法同樣可適用于路面激勵引起的摩擦與敲擊異響問題。