车门内水切共振异响分析和优化

徐慧

摘 要：文章主要针对玻璃升降过程中由内水切造成的异响问题进行分析研究，介绍了内水切异响类型和相关设计要点。结合物理模型和振动微分方程分析其异响机理，总结出异响控制的3种方式。最后运用DFSS方法识别异响机会，根据客户要求定义工程指标，通过优化自身变量确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异响的稳健设计方案，并通过实车验证其方案有效。关键词：DFSS;内水切;性噪比;振动异响;拔出力中图分类号：U463.83+5  文献标识码：A  文章编号：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

車门内水切是汽车玻璃升降系统的重要零部件之一，具有降噪、装饰，支撑玻璃平稳升降等功能。随着近年来消费者对整车舒适性要求的提升，玻璃升降品质的提升至关重要。近几年由水切造成的升降异响问题频发亟待解决 [1-2]。能够在设计前期对装配问题进行预判，指导工程师对内水切结构进行优化设计，可以有效的规避由于设计不合理造成的异响问题。

1 内水切异响分类及机理

1.1 内水切常见的异响类型

玻璃升降过程中，由内水切导致的异响主要分为两种 [3-4]，一种是玻璃与内水切绒毛之间摩擦发出的“吱吱”或“唧唧”异响，其在升降过程均会出现;另一种是在玻璃下降过程中内水切唇边根部不稳定，与周边件敲击产生的“咕噜咕噜”异响，表现为水切唇边与玻璃之间产生顿挫运动导致其与钣金发生敲击，或者水切安装后不稳定，在卡接止口出现上下串动导致异响。图1是一种典型内水切安装断面示意图，由侧门护板、卡簧、车门钣金止口、玻璃、内水切组成。

1.2 异响产生机理

在运动中内水切和玻璃之间的关系可以简化为图2所示的结构，在这个频繁往复的过程中，由于相对位置的变化产生了共振而导致异响产生[5]。

Fn—玻璃施加给水切披风的压缩力（CLD：单位为N/100mm）;

ft—玻璃运动时，水切披风受到的滑动阻力;

F1—内水切所受抗拔出力;

V0—玻璃下降运动速度;

V1—玻璃上升运动速度。

如图a所示，玻璃沿V0方向运动，水切和玻璃之间开始发生力值变化。在玻璃运动作用下，水切受到滑动阻力ft，在ft作用下水切披风产生沿变形点旋转的弹性变形储存能量，当变形点位置结构或者唇边角度设计不合理时，导致其弹性势能产生的沿玻璃运动方向的回弹力大于滑动阻力ft，水切唇边就会沿玻璃运动方向产生上下串动释放能量，如此反复便形成了玻璃与披风之间的：粘-滑-粘-滑现象。其中ft与Fn成正比，这种由于压缩力Fn的变化导致产生的粘住-滑动运动也被称为自锁-滑动[6]。粘滑过程即是能量产生到释放的过程。披风在玻璃的带动下，会产生高频震动，即释放能量，当披风与玻璃之间在单位位移内产生的频次在人耳听力抱怨范围内时，便形成了水切唇边敲击玻璃的异响。

如图b所示，玻璃沿V1方向运动，当ft>F1，水切本体与钣金产生玻璃运动方向的上下串动，导致水切唇边与玻璃之间失稳产生低频震动异响或者本体与钣金止口翻转导致敲击异响。

可以将内水切简化成只有一个摩擦副的简单模型[7-8]，该摩擦副为一个刚性平面和一个质量为m的运动快，用一个刚度为c的弹簧来表示系统的总弹性如图3所示，用弹簧-阻尼系统来拖动滑块，以速度V0（玻璃的运动速度） 在刚性平面运动，為内水切的运动速度。大量研究表明，即使法向力Fn不变，滑动速度为0，静摩擦力还是会随着时间变化，对于弹性体而言，是黏度导致了延迟反应。对单个情况来说，可以通过增加内部变量θ来描述此现象，内部变量最初是由A.Ruina用于地震动力学[9]，比如温度等都可以作为内部变量。假设接触面的摩擦力被定义为所有滑动速度和内部变量的函数，滑块的运动方程为：

以上可以得到速度-刚度对于摩擦系统的稳定性的影响。当刚度小于cc，滑动是不稳定的;刚度>cc或速度v0>vc时，运动是稳定的，任何扰动经过一段时间后都会衰减。

控制异响最根本的方法就是控制振动体本身，由以上系统稳定性可知，从水切自身入手的控制异响的方式有：

（1）尽可能降低摩擦系数，使系统保持c-cc>0，通过选择合理的绒毛和涂层;

（2）通过优化水切唇边结构增加其刚度，调整压缩负荷、水切唇边压缩量、攻击角到合理范围值;

（3）减少水切基体部分运动过程中的位移量，即增加拔出力，从而提升稳定性降低异响可能性。

2 DFSS设计

DFSS致力于前期设计质量的稳健性，通过调整可控设计变量，改善产品质量;满足产品性能同时需保证低成本。李玉强等介绍了DMADOV流程的六西格玛稳健设计[10]，本文采用的是DFSS的IDOV稳健设计方法[11-12]。

2.1 识别机会

某车型出现比例为2%的玻璃上升异响，经排查是因为此车门结构内板位置通过卡簧固定门护板，内水切有效卡接区域并不是整个内板区域，在玻璃升降过程中玻璃带动内水切发生偏转导致振动异响。故本优化的研究范围是内水切安装稳定性，从自身骨架，夹持齿优化出发。DFSS交付物为内水切拔出力满足要求，即装车后位移变化量小，在不影响升降功能和安装方便性前提下无异响。

2.2 定义要求

对工厂操作工等内部客户而言，他们希望水切安装方便即安装力小;对售后维修而言希望水切易拆装，安装后牢固可靠;对质保和购车用户则是希望玻璃升降平顺无异响，客户要求对应的工程指标见表1。

2.3 优化设计

将表1列举的客户要求和工程指标作为优化设计的参考标准，可知主要从内水切基体出发设计开发一款内水切，要求其插拔力满足工程指标，且达到无异响的最终性能。对标市场主流车型，目前内水切安装定位齿大部分为一侧3个，夹持唇边一侧2个，且为钢骨架加TPV结构形式，基于这些参数已定前提下可以从水切基体内部夹持结构出发设定四个控制因子：①A-夹持唇边角度②I-唇边干涉量 ③T-唇边厚度 ④H-材料硬度，一个噪音因子：内水切卡接钣金厚度E;如图4所示：

每个控制因子3个水平，噪音因子也是3个水平，±0.6mm是钣金止口的面轮廓度公差，如表2所示：

利用有限元分析软件对水切拔出力进行分析，分析时认为钣金是刚体，几何模型如图5所示：

选取L9-3-4正交列表，可以得到9种设计方案，通过仿真计算出在三个水平噪音因子影响下的拔出力，得到表3所示的结果：

DFSS方法用信噪比评价系统的稳健性，信噪比越大越好。

β-拔出力的最佳斜率;

σ-拔出力相对于最佳斜率的平均方差。

拔出力越大的设计，异响越不敏感也越不容易发生。但是其特性值不是越大越好，拔出力不得超过容易拆卸的工程要求，且拔出力过大必然会导致插入力相应增大，所以在确认最优设计后还要对插入力做校核计算。由式（8）可以得到每个方案计算所得信噪比（S/N）和拔出力平均值如表4所示：

由表4结果得到信噪比点图6和拔出力均值点图7， 可知控制因子T、H是影响设计稳定性的显著因子，其最优设计是A-1，I-3，T-3，H-3，即为方案3。

最优设计的信噪比为：S/N=38.6+（0.5+0.5+1.2+1.4）=42.2

最优设计的拔出力为：Mean=87.2+（6.7+5.6+12.1+14.6）= 126.2

因为最优化设计方案刚好在选择的9个方案之内，所以只需对其插入力做校核分析即可，计算所得插入力为31.3N/ 100mm，符合插入力小于50N/100mm的设计要求。

2.4 确认

针对已经出现的异响，如果通过盲目优化设计变量生产样件将造成资金和能源浪费，且其周期和有效性均不可控。本文通过DFSS工具，得到方案3在各工况下的拔出力均值最高且在设计要求范围内系统稳健性也最好，最终可通过只生产方案3的产品用于验证方案有效性，极大提高效率同时降低成本。最后挑选批次异响车门，在失效车门上安装方案3的样件，反复升降玻璃，最终异响消失，进一步验证方案3满足DFSS项目指标解决了异响问题。

参考文献

[1] 陈宗好，时西芳，潘英.车门内水切异响影响因素及设计要点[J].汽车实用技术，2015（06）：1-3.

[2] 秦伟昌.某型汽车电动玻璃升降器异响分析及结构改进[J].汽车零部件，2013（10）：42-43.

[3] KAVARANA F，REDIERS B.Squeak and rattle-state of the art and beyond[J].SAE Technical Paper，1999.

[4] GOSAVI SS. Automotive buzz，squeak and rattle（BSR）detection and prevention[J].SAE Technical Paper，2005.

[5] 陳光雄，周仲荣，谢友柏.摩擦噪声研究的现状和进展[J].摩擦学学报，2000（06）：478-481.

[6] 瓦伦丁 L，波波夫.接触力学与摩擦学的原理及其应用.北京：清华大学出版社[M]，2011（1）：147—148.

[7] 洪兵，胡小仙.玻璃升降运动数学模型的建立和分析[J].长安科技， 2006（12）.

[8] 徐永谦.轿车门玻璃升降过程受力特性研究[D].江西理工大学， 2014.

[9] RUINA A.Slip instability and state variable friction laws[J].Journal of Geophysical Research.1983，88，N.B12，10359-10370.

[10] YUQIANG L，ZHENSHAN C，DONGJIAN Z，et a1.Six sigma opti -mization in sheet metal forming based on dual response SUY facemodel[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2006. 19（2）：251-255.

[11] CHOWDHURY S.The power of design for six sigma[M].Chicago： Dearborn Trade，2002.

[12] GREMYR I.Exploring design for Six Sigma from the viewpoint of Robust Design Methodology[J].International Journalof Six Sigma and Competitive Advantage，2005，1（3）：295-306.