汽車鉸鏈側(cè)門開關(guān)門力感知質(zhì)量設(shè)計研究

朱建華，劉晶，蒙永種

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，消費者對汽車的要求越來越高；同時，由于國內(nèi)主機(jī)廠數(shù)量眾多，市場漸趨于飽和，汽車市場的競爭越來越激烈。所以，各主機(jī)廠越來越重視提高汽車產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，進(jìn)而提高汽車產(chǎn)品的競爭力。感知質(zhì)量是汽車質(zhì)量和性能的重要方面，現(xiàn)階段被越來越多的主機(jī)廠重視。而鉸鏈側(cè)門作為汽車上經(jīng)常被顧客使用的重要的運動部件，其感知質(zhì)量的好壞，很容易被顧客感受到，從而影響顧客對汽車品牌的印象。開關(guān)門力的感知質(zhì)量是鉸鏈側(cè)門感知質(zhì)量的關(guān)鍵部分，目前國產(chǎn)車的開關(guān)門力感知質(zhì)量普遍較差，主要表現(xiàn)在開啟瞬間力大、擋位不清晰不順滑、擋位力不舒適、開關(guān)過程卡滯、關(guān)門速度大、車門難關(guān)等，無論從單一門的感知質(zhì)量，還是整車四門感知質(zhì)量一致性，都與國外大品牌車有較大差距，既缺乏評價標(biāo)準(zhǔn)，也缺乏設(shè)計方法。

通過對多個車型開關(guān)門力感知質(zhì)量差問題的分析，本文作者定義了開關(guān)門力感知質(zhì)量的研究范圍，開展了顧客感知質(zhì)量調(diào)研，進(jìn)行了影響因素分析，制定了開關(guān)門力感知質(zhì)量的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，提供了具體設(shè)計方案的建議等，為鉸鏈側(cè)門開關(guān)門力感知質(zhì)量的設(shè)計提供了參考。

1 開關(guān)門力感知質(zhì)量的研究范圍

文中所述的鉸鏈側(cè)門開關(guān)門力感知質(zhì)量，是指顧客從拉動外開把手、側(cè)門被完全解鎖后開始、到將側(cè)門打開到最大、再將側(cè)門完全關(guān)閉的整個過程中力的感知質(zhì)量，但不包括鎖系統(tǒng)的感知質(zhì)量，如外開把手抓握感知質(zhì)量、外開把手解鎖力感知質(zhì)量等，也不包括聲品質(zhì)感知質(zhì)量，如關(guān)門聲品質(zhì)感知質(zhì)量、鎖系統(tǒng)聲品質(zhì)感知質(zhì)量等。

為準(zhǔn)確把握顧客的感知質(zhì)量要求，便于將顧客感知質(zhì)量轉(zhuǎn)化為工程語言進(jìn)行分析，本文作者將顧客開關(guān)門過程中，側(cè)門處于整車狀態(tài)下的位置重新定義，如圖1所示。

圖1 車門開啟位置示意

(1)車門全關(guān)位置，是指車門被完全關(guān)閉、門鎖處于二級時的位置。

(2)車門關(guān)閉瞬間位置，是指靠近鎖扣處，車門外板最外邊緣開啟55 mm的位置，如圖2所示，此位置的定義與關(guān)門速度測量儀結(jié)構(gòu)有關(guān)(圖3所示為關(guān)門速度測量儀示意圖)，目的是與質(zhì)量部的評價標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，此時車門開啟角度約2.7°。

圖2 關(guān)門速度測量方法示意

圖3 關(guān)門速度測量儀

(3)車門次一擋位置，是指車門開啟到達(dá)一擋位置之前，車門限位器滑塊處于拉桿的坡峰位置，從限位器力矩曲線圖上看，此時力矩接近0，如圖4所示，此時車門開啟角度約18°。

圖4 限位器次一擋位置示意

(4)車門全開位置，是指車門開啟到最大角度的位置，此時限位器處于最大擋限位位置。

根據(jù)上文車門位置定義，同時結(jié)合顧客反饋的開關(guān)門力感知質(zhì)量問題，將研究分成三部分：從車門全關(guān)位置，打開到車門全開位置，再關(guān)閉到車門次一擋位置，作為擋位力感知質(zhì)量研究范圍；從車門次一擋位置關(guān)閉到車門全關(guān)位置，作為關(guān)閉力感知質(zhì)量研究范圍；從車門關(guān)閉瞬間位置關(guān)閉到車門全關(guān)位置，作為關(guān)門速度感知質(zhì)量研究范圍。擋位力感知質(zhì)量用于描述外開把手處的力的感知質(zhì)量，包括擋位是否清晰、是否順滑、是否卡滯、力值是否合適等，主機(jī)廠有用過擋位的力來描述的，也有用外開把手處力曲線來描述的。前者指標(biāo)簡單，不能完全描述這個過程的感知質(zhì)量，本文作者采用后者。關(guān)閉力感知質(zhì)量用于描述車門在即將關(guān)閉時，是否好關(guān)閉的感知質(zhì)量，本文作者采用顧客施加的能量來描述。關(guān)門速度感知質(zhì)量用關(guān)門速度來描述，但它并不直接描述顧客的感知質(zhì)量，主要代表了側(cè)門系統(tǒng)在關(guān)門瞬間的耗能，但由于關(guān)門速度測量方便，所以質(zhì)量部將此作為日常質(zhì)量監(jiān)控的指標(biāo)，甚至有主機(jī)廠將它寫入整車技術(shù)參數(shù)，所以本文作者保留了這個參數(shù)。

2 開關(guān)門力感知質(zhì)量的設(shè)計方法和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

2.1 顧客感知質(zhì)量調(diào)研

顧客的主觀感受是開關(guān)門力感知質(zhì)量研究的最根本目的和最高評價指標(biāo)，所以直面顧客的感知質(zhì)量調(diào)研就非常有必要[1]。顧客感知質(zhì)量調(diào)研是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，考慮到現(xiàn)實可行性，本文作者制訂了一種簡化的顧客感知質(zhì)量調(diào)研：

(1)調(diào)研對象的選擇。從身邊的同事中挑選，至少應(yīng)該考慮到男女性別差異、身高體重差異、年齡差異等。

(2)調(diào)研車型的選擇。從市場上主流且公認(rèn)質(zhì)量好的車型中挑選，至少應(yīng)該考慮到車型類型差異、車型定位差異等。

(3)調(diào)研過程的制訂。為提高調(diào)研數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要做多輪調(diào)研并做復(fù)現(xiàn)性分析，并對顧客進(jìn)行簡單培訓(xùn)，使他們對開關(guān)門感知質(zhì)量有基本認(rèn)識。

根據(jù)上文的原則，編制《開關(guān)門感知質(zhì)量調(diào)研表》，包知顧客基本信息、總分值、提示性選項和主觀感受描述等。通過顧客感知質(zhì)量調(diào)研，按車型的類型、目標(biāo)顧客群劃分，將顧客評分和滿意度較高的車型作為目標(biāo)車型，再測量這些車型的外開把手處力曲線、關(guān)門速度，可將兩者作為開關(guān)門感知質(zhì)量設(shè)計的目標(biāo)值(設(shè)計時，具體車型可做微調(diào))。

圖5為某目標(biāo)車型的外開把手處力曲線(3個擋位)。

圖5 某目標(biāo)車型的外開把手處力曲線

對這些目標(biāo)車型進(jìn)行對比分析，結(jié)合實際造車經(jīng)驗，得出如下設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：

開門過程：

(1)開啟3°以內(nèi)，外開把手處力值不大于20 N；

(2)外開把手處，一擋過擋力為(38±5) N、二擋過擋力為(40±5) N、三擋過擋力為(40±5) N；

(3)過擋能量(從限位器滑塊開始進(jìn)入限位器拉桿的坡谷開始，到滑塊剛到達(dá)坡峰結(jié)束，人手在外開把手處施的能量)不大于1.5 J。

關(guān)門過程：

(1)外開把手處，一擋過擋力為(40±5) N、二擋過擋力為(40±5) N、三擋過擋力為(38±5) N；

(2)過擋能量不大于1.0 J。

2.2 影響因素分析及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

擋位力感知質(zhì)量影響因素包括限位器力矩曲線、由側(cè)門鉸鏈傾角引起的重力矩曲線，此二者的疊加，等于外開把手處的力矩曲線。所以，通過顧客調(diào)研或?qū)?biāo)，獲得想要的外開把手處的力矩曲線，側(cè)門結(jié)構(gòu)數(shù)模出來后，獲得重力矩曲線，最后可求得限位器力矩曲線。

限位器力矩曲線可通過設(shè)計拉桿形狀來獲得，且與限位器的形式有關(guān)(彈簧形式、滑塊與拉桿配合形式、滑塊和拉桿的材料)。重力矩曲線與鉸鏈內(nèi)傾角α、鉸鏈后傾角β、車門質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑R、車門質(zhì)心初始特性角δ、質(zhì)量m有關(guān)。

如圖6所示，重力矩Tr的計算方法如下：

Tr(θ)=sin(θ+δ)×R×sin[arccos(cosα×cosβ)]×m×g

其中：θ為車門開啟角度。

圖6 重力矩計算方法參考

對擋位力感知質(zhì)量而言，車門的設(shè)計(鉸鏈傾角等)無需作特殊要求。

圖7為某車型的重力矩Tr曲線，其中α=3°，β=0，δ=97.13°，R=487.26 mm，m=34.75 kg。

通過圖5所示的外開把手處力矩曲線和圖7所示的重力矩曲線，求得某車型的限位器力矩Tc曲線，如圖8所示。

限位器的設(shè)計，一般要求如下：

(1)各擋過擋力與重力矩疊加后，應(yīng)符合外開把手處的過擋力要求；

(2)車門次一擋位置儲能不小于1.5 J；

(3)滑塊和拉桿包塑應(yīng)具有自潤滑性；

(4)優(yōu)先考慮金屬彈簧，其次考慮橡膠彈簧；

(5)優(yōu)先考慮塑料球頭滑塊，其次考慮塑料線性滑塊和金屬球頭滑塊。

圖7 某車型重力矩曲線

圖8 某車型限位器力矩曲線

綜上，外開把手處力操作力F的計算公式如下：

F=[Tr(θ)+Tc(θ)]/L

其中：L為鉸鏈軸線到外開把手施力點的距離。

關(guān)門力和關(guān)門速度感知質(zhì)量的影響因素包括整車氣阻能量Eab、主密封條能量Ep、次密封條能量Es、密封間氣阻能量Esa、車門重力能量Er、限位器能量Ec、鉸鏈能量Eh、鎖系統(tǒng)能量Ela(數(shù)值為正代表耗能，數(shù)據(jù)為負(fù)代表助能)。各部分能量占比如表1、表2所示。

表1 各部分能量占比(一) %

表2 各部分能量占比(二) %

通過表1—表2可知：在關(guān)門瞬間，整車氣阻和主密封條能量占比很高，是主要影響因素，同時，系統(tǒng)的助能很少，所以它基本代表了側(cè)門系統(tǒng)的耗能，所以測量關(guān)門速度，可反映側(cè)門系統(tǒng)的耗能值，同時，增加車門重力儲能和限位器儲能，對降低關(guān)門速度意義不大；在次一擋位置時，車門重力和限位器的助能占比較多，所以可以通過增加車門重力儲能和限位器儲能，來降低顧客的關(guān)門施加能量。

在前期設(shè)計時，可通過計算各部分的能量值[2-3]，來計算顧客施加能量值和關(guān)門速度，計算公式如下：

Ek=Eab+Ep+Es+Esa+Er+Ec+Eh+Ela

其中：Ek為顧客關(guān)門時的施加能量；Er、Ec、Eh為關(guān)門次一擋位置的能量值。

Et=Eab+Ep+Es+Esa+Er+Ec+Eh+Ela

其中：Et為總能量值；Er、Ec、Eh為關(guān)門瞬間位置的能量值;v為關(guān)門速度；J為車門總成的轉(zhuǎn)動慣量；L為關(guān)門速度測量點到鉸鏈的距離。

結(jié)合顧客感知質(zhì)量調(diào)研的結(jié)果和以往車型開發(fā)經(jīng)驗：

(1)當(dāng)Ek≤1 J時，顧客非常滿意；當(dāng)1 J

(2)當(dāng)Et≤3 J時，系統(tǒng)耗能狀態(tài)好；當(dāng)3 J

(3)當(dāng)v≤0.9 m/s時，顧客滿意；當(dāng)0.9 m/s

關(guān)門能量的影響因素[4-5]詳細(xì)分析和一般設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)整車氣阻能量的影響因素包括：整車氣體泄漏量、車門迎風(fēng)面積、整車容積和關(guān)門速度；其中車門迎風(fēng)面積和整車容積難以改變，一般由造型決定；關(guān)門速度越大，整車氣阻耗能越大，它們相互影響。整車氣體泄漏量包括可控泄漏量和不可控泄漏量，其中不可控泄漏量由白車身的制造精度決定，可控泄漏量由設(shè)計決定，通過改變泄壓閥的泄漏面積實現(xiàn)。為保證整車氣阻能量在一個合理范圍，一般要求整車氣體泄漏量不小于7.079 2 m3/min(此值可作為質(zhì)量的日常監(jiān)控項)，此時，泄壓閥的泄漏面積一般不小于2 300 mm2。

(2)密封膠條能量的影響因素包括：壓縮負(fù)荷CLD、壓縮量、長度、漏氣孔分布和壓縮空間。CLD的一般要求為H0:2.0～4.0 N/100 mm，可通過調(diào)整膠條的材料、壁厚和減力槽而改變。壓縮量一般要求：門側(cè)膠條5.0～6.0 mm，車身側(cè)膠條1.5～3.0 mm。漏氣孔一般要求(φ3.0±0.5) mm、間距100 mm均布。壓縮空間需要進(jìn)行CAE分析，保證整個膠條變形過程具有足夠的空間。

(3)車門重力能量的影響因素包括：門總質(zhì)量、質(zhì)心抬升量和質(zhì)心半徑。其中門總質(zhì)量和質(zhì)心半徑難以改變；質(zhì)心抬升量由鉸鏈傾角決定，一般設(shè)計要求鉸鏈內(nèi)傾角0～3.0°、鉸鏈后傾角為±3.0°。

(4)限位器能量主要由限位器的拉桿形狀決定，一般金屬彈簧限位器次一擋儲能可達(dá)1.8 J，橡膠彈簧限位器次一擋儲能幾乎為0，設(shè)計時可根據(jù)需要選型。

(5)鉸鏈能量由鉸鏈的轉(zhuǎn)動扭矩決定，一般設(shè)計要求轉(zhuǎn)動扭矩0.5～1.0 N·m。

(6)門鎖的能量由入鎖力決定，一般設(shè)計要求一級入鎖力小于25 N、二級入鎖力小于65 N。

3 實施及驗證

以圖5所示外開把手處力矩曲線為目標(biāo)，以圖8求得的限位器力矩曲線輸出給供應(yīng)商設(shè)計，以表2所述標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計相關(guān)結(jié)構(gòu)。

在項目造車階段：

(1)嚴(yán)格監(jiān)控白車身制造精度(特別是內(nèi)間隙)、密封膠條截面尺寸和CLD、整車空氣泄漏量。

(2)在整車狀態(tài)比較穩(wěn)定時，測量5臺車的外開把手處的力曲線，并與目標(biāo)曲線對比，計算差值，最后以計算的差值為基準(zhǔn)，調(diào)整限位器力矩曲線，一般需要調(diào)整1～2輪。

量產(chǎn)后的測量結(jié)果：

(1)測量5臺車的四門外開把手處力曲線，與目標(biāo)曲線相比，精度可達(dá)到±5 N。

(2)測量和計算關(guān)門能量，得到在車門次一擋位置，顧客關(guān)門施加的平均能量為0.57 J。

(3)測量10臺車的四門關(guān)門速度，平均速度為：左前門0.71 m/s、右前門0.79 m/s、左后門0.85 m/s、右后門0.89 m/s。

4 總結(jié)

(1)通過顧客感知質(zhì)量調(diào)研、參考車相關(guān)數(shù)據(jù)測量，結(jié)合以往車型開發(fā)的設(shè)計經(jīng)驗和相關(guān)文獻(xiàn)資料，提出了一種開關(guān)門力感知質(zhì)量的設(shè)計方法，包括具體的設(shè)計參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

(2)目前關(guān)門能量的計算精度不高，特別是整車氣阻的能量，導(dǎo)致顧客次一擋關(guān)門能量計算和關(guān)門速度預(yù)測精度差，是未來需要改進(jìn)的地方。

(3)對于外開把手處力曲線，應(yīng)根據(jù)不同車型、不同顧客群制定不同的標(biāo)準(zhǔn)，并建立數(shù)據(jù)庫。