汽車內水切密封條振動異響研究

潘坡（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

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汽車內水切密封條振動異響研究

潘坡
（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

【摘要】為尋找內水切密封條異響的根源，結合物理模型及振動微分方程分析了異響機理，概括了控制異響的3種手段。運用DFSS方法，識別出解決異響的機會和鎖定研究對象，定義了客戶要求及對應的工程指標，并通過市場上主流品牌的設計對標歸納出異響的控制因子，考慮鈑金、內飾板和玻璃的制造偏差，利用FEA工具評估了系統在玻璃升降激勵下的位移變化量，找到了消除異響的穩健設計，經驗證證明，解決方案有效。

主題詞：六西格瑪設計內水切密封條異響摩擦振動穩健性

1　前言

隨著汽車工業的迅速發展和人們生活水平的提高，轎車用戶對產品的感知質量和使用舒適性要求越來越高，振動異響成為衡量汽車品質的一項重要指標［1］。異響是指非正常、不必要的聲音，這些聲音令乘客感到厭煩、不安或不愉悅［2］。

密封條系統是汽車不可缺少的組成部分，承擔著消除異響的功能。然而，各類與密封條相關的異響問題已成為主機廠及供應商需要共同面對且亟待解決的難題［3］。大量的異響發生在汽車制造和使用過程中，傳統的發現問題再解決的方式帶來了較大的返修費用和不良影響［4］。在設計開發的前期，從異響的根源出發，利用先進的設計方法、穩健的開發優化方案是攻克異響的關鍵。

2　異響機理討論

本文討論車門玻璃與內水切密封條之間的異響問題，玻璃升降過程中與密封條表面相互摩擦振動發出的吱吱聲屬于Squeak摩擦振動異響。Squeak異響是汽車內、外飾最常見的3種異響形式之一，是兩個零件或表面以粘-滑的方式相互摩擦振動而發出的吱吱聲［4，5］。

圖1是一種典型內水切密封系統的示意圖，該系統由車門玻璃、內水切密封條、門鈑金和內飾板組成，該系統可簡化為圖2所示的物理模型。

圖1　內水切密封系統組成示意

將內水切密封條視作受摩擦力作用的單自由度振動系統，門鈑金以及內飾板帶動密封條（等效質量m）相對玻璃作沿玻璃表面方向的運動，取密封條未發生彈性變形的位置作為坐標原點，x?為振體（內水切密封條）的運動速度，v為穩定滑動速度，（v-x?）為振體在與玻璃的接觸面上的相對運動速度，內水切唇邊的絨毛與玻璃的接觸面視作非光滑接觸面，F為玻璃對密封條的法向反力，等效于密封條的壓縮載荷，k、c分別為系統的等效剛度系數和等效阻尼系數，摩擦力與相對運動速度（v-x?）是非線性的，記作 f（v-x?），根據機械振動和噪聲學［6］，振動微分方程表達為：

根據泰勒級數展開，將f（v-x?）冪次展開得到：

由于振動為微幅振動，v＞x?，略去式（2）中二次以上的高階項，代入式（1）得：

考慮到自激振動與初始擾動無關，略去與自激振動相關的初始狀態項 f（v），式（3）可以寫成：

假設摩擦力特性曲線在某段內具有負斜率cμ，則式（4）可表示為：

當n2＜ω2時，其通解用三角函數形式展開為：

圖2　玻璃升降系統物理模型

國內外摩擦振動學術界比較一致的觀點是，摩擦振動是由摩擦力-相對滑動速度曲線的負斜率引起的［7～9］。玻璃升降過程中，滑動摩擦力隨相對速度的變化而變化，存在隨速度下降的摩擦特性曲線是產生摩擦異響的先決條件［10］。當摩擦力-滑動速度曲線具有下降趨勢時，（c-cμ）小于零，密封條振動系統的阻尼為負值，微小的擾動都會使得振體位移變化量越來越大，產生如式（7）的振動。但位移變化量不會一直增大，當位移量增大到一定程度時，密封條形變能量積累到足夠大，摩擦力的變化會使密封條產生滑移而釋放能量，粘-滑運動伴隨著能量的儲存與釋放，從而導致振動異響。反之，當（c-cμ）大于零時，系統是穩定的，任何擾動經過一定時間后都會衰減。

控制異響最根本的辦法是控制振動體本身，從密封條角度控制或減小異響的手段有：

a.改變摩擦特性以減少或避免摩擦力-滑動速度曲線出現負斜率。在實際問題解決過程中，在異響的摩擦面上涂潤滑油能夠消除異響，潤滑油可以作為臨時的抑制措施，長期正式措施需要選擇合理的絨毛或涂層做接觸部位（圖1中的密封條絨毛）。通過更改或優化摩擦表面，減少摩擦力-滑動速度曲線負斜率的出現，能夠消除異響。

b.改變慣性力、粘性阻尼、彈性力與滑動摩擦力的關系，從而改變密封條與玻璃之間的相互作用力和阻尼來控制自激振動。通過密封特征（圖1中的密封條唇邊）的設計優化，將壓縮載荷、唇邊與玻璃的干涉量及夾角和唇邊的形變空間等設計參數調整到合理范圍，文獻［3］就是通過唇邊優化解決異響問題的案例。

c.控制和減小水切基體部位（圖1中密封條骨架、夾持齒和內飾支撐結構）受到激勵后的位移變化量以減小振幅，從而減弱或消除異響。

實踐中發現，多數與內水切密封條相關的異響歸因于以上3個因素中的1個或多個，密封條摩擦表面的材料選擇不當、唇邊設計不合理或基體位移變化量大，任何一處設計不合理都有可能造成玻璃升降異響。消除異響是系統工程，往往需要1個或多個六西格瑪設計（design for six sigma，DFSS）項目尋找最優解，如此才能獲得客戶需要的穩健產品。

3　六西格瑪設計

DFSS方法聚焦在不增加成本的前提下通過調整可控的設計變量的名義值與優化容差性來改善產品質量、達到客戶期望，在提高前期設計質量和降低使用成本方面能夠發揮巨大功效。李玉強等介紹了DMADOV流程的六西格瑪穩健設計［11］，張代勝等利用Taguchi方法對汽車懸置系統進行穩健優化［12］，與以上穩健設計優化的流程有所不同，本文采用的是DFSS IDDOV穩健設計方法［13，14］。

3.1識別機會

在對某車型近400個樣本的檢查中發現，不足1%樣本數量的車門出現玻璃升降過程中與內水切的異響問題，針對出現異響的車門，經檢查發現其內水切位置不穩定，有旋轉現象發生，且在玻璃升降過程中內水切骨架部位有振動，故此將研究范圍設定在密封條骨架、夾持齒和內飾支撐結構，即密封條的基體部分，并保持系統的其他零件和密封條的其他部位不變。本DFSS項目交付物為尋找基體部分的位移變化量小的設計，消除失效車上的異響，同時任何更改不能對系統的密封和玻璃升降等其它功能有減弱或不利影響。

3.2定義要求

針對內水切密封條的潛在更改部位，在汽車制造過程中，操作人員希望安裝力小；維修過程中，應易拆卸、安裝；在售后市場，希望固定可靠，無松脫；用戶希望無異響。在工程操作層面，以上各客戶要求對應表1所示的工程指標，滿足工程指標即能滿足客戶要求。設計方案需同時滿足插入力、拔出力和位移變化量等要求。

表1　客戶要求與工程指標

3.3開發概念

將表1列舉的客戶要求和工程指標作為開發概念的指導標準，方案選擇必須從上述標準出發，并結合市場上主流品牌車型的設計對標進行。

經過對主流品牌車型的調研發現，近幾年內水切密封條的基體都較普遍地采用了不含金屬的輕量化塑料骨架。在材料選擇上，骨架采用主流設計普遍應用的聚丙烯塑料（PP）。

密封條支撐內飾的匹配特征有3種：泡泡狀、唇邊狀和內飾板直接壓在n型骨架上。鑒于客戶希望獲得更優的密封功能，支撐內飾板的匹配特征推薦采用泡泡狀或唇邊狀。

基體骨架內部的夾持特征：唇邊的數量一般每側為2個或3個，且比較普遍為一側唇邊長，適合提供較大的保持力，另一側唇邊短，適合提供精確定位。

集成主流品牌現有設計上的優勢，基體部分的設計可以歸納為影響客戶要求和工程指標的7個因素，見表2。

3.4優化設計

針對前述的7個因素，各設定2個水平，根據團隊頭腦風暴和專家會議討論以及與業內同類設計的對標分析，表2中每個控制因子的2個水平能夠涵蓋設計意圖和項目需求。

表2　控制因子策略

選取L8列表，采用標準的設計元素形成表3所示的8個方案，唇邊和絨毛部分都相同，其中方案3是有一定異響概率的設計。首先采用MSC.MARC工具進行各方案插拔力的有限元分析，并統一優化夾持特征，以滿足工程指標對插拔力的要求，為位移變化量的分析優化作準備。

表3　方案設計

針對內飾板的位置偏差，設定其與密封條的干涉量分別為2.5 mm和1.5 mm這2種水平。2種噪聲因子組合起來，最惡劣的噪聲組合為3.5 mm的翻邊厚度配合1.5 mm的內飾板干涉量，最優的噪聲組合為4.5 mm的翻邊厚度配合2.5 mm的內飾板干涉量。

玻璃的位置同樣存在偏差，其位置不同對密封條系統輸入的激勵也不同，設定玻璃位置在設計位置、設計位置偏向車外1 mm、設計位置偏向車內2 mm共3個水平。

組合以上噪聲因子，得到N1至N6共6種噪聲水平，見表4。

表4　噪聲因子組合方案　mm

該內水切密封條屬于小截面長型零件，接近于平面應變，單元尺寸選取0.5 mm，在二維分析中選用Herrmann單元，骨架為聚丙烯（PP）材料，彈性體硬度均為70 HSA，幾何模型如圖3所示。在分析時，認為鈑金、內飾件和玻璃是剛體，密封條與玻璃相互作用而沒有相互滲透。玻璃面與密封條唇邊之間相對運動，鈑金翻邊平行于玻璃面，用滑動摩擦模擬，摩擦系數采用0.8。分別計算8個方案、6種噪聲工況下點1的位移變化量，得到表5所示的結果。

圖3　密封條FEA分析幾何模型

DFSS方法用信噪比（S/N）作為系統的穩健性指標，信噪比越大，系統的變差越穩定。位移變化量越小的設計，異響對各偏差越不敏感，越不容易發生。位移變化量的質量特性服從正態分布，并且特性值越小越好，屬于望小特性。望小特性響應信噪比公式為：

式中，yi為響應符號，即位移變化量。

由式（8）可得信噪比及各工況下位移變化量的均值，見表6。

表5　位移變化量　mm

表6　信噪比和位移變化量均值

圖4為位移變化量的信噪比點圖，由圖4可知，控制因子X4、X5、X6、X7是影響設計穩健性和變差的顯著因子，對位移變化量最穩健的設計需要包含X42、X52、X62、X71。按照穩健性理論，顯著控制因子的增益可預測最優設計的信噪比，從點圖取值，最優設計的信噪比為S/N=6.3+5.5+2.3+9.9+3.9=27.9。

與方案3相比，方案2和方案6的信噪比和位移變化量的均值都有很大的改進，根據穩健性獲益計算公式

式中，σopt為優化后的系統輸出變差；σbase為優化前的系統變差；G為2個方案相比系統獲益的信噪比。

在信噪比上15.4 dB的提升相當于減少約83%的變差。從位移變化量的信噪比和位移變化量的均值來看，最優設計（X11-X21-X32-X42-X52-X62-X71）和方案2、方案6的位移變化量小，系統的響應對各噪聲工況穩健，

這3個設計方案都是可選的穩健設計。值得一提的是，最優設計不在8個方案的列表之內，應用該方案前需要確認各性能是否滿足表1的要求。

圖4　信噪比點圖

3.5確認

針對3個可選的穩健設計，零件供應商制造工藝評估認為，方案2內飾匹配唇邊比泡泡更易于制造，且尺寸穩定性高。在確認階段，選擇方案2進行物理臺架的插拔力測試，測得結果為插入力22 N/100 mm、拔出力106 N/100 mm，滿足表1的工程指標要求。

根據FEA測試的結果，方案2在各工況下的位移變化量0.1 mm在所有設計中最小，穩健性最高，將0.1 mm推薦為位移變化量的工程指標，用FEA工具探測，補充為表1中可量化的工程指標。內水切密封條異響為小振幅振動，由于測試條件限制，很難通過實物臺架測試測量到方案2在上述工況下的位移。方案2的產品在各失效車門上反復升降玻璃發現15 sone以上聲音來自玻璃升降系統的啟動和堵轉，原有與內水切密封條相關的刺耳的尖銳異響消失，表明方案2較方案3更為穩健，說明位移變化量的減小可提升異響穩健性，且方案2各項指標均滿足了客戶需求和DFSS項目指標的要求。

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（責任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年1月18日。

中圖分類號：U463.83

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）07-0036-05

Research on Vibration Squeak of Automotive Inner Belt Sealing Strip

Pan Po
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd.，Shanghai 201201）

【Abstract】To identify the source of vibration squeak of inner belt sealing strip，we analyze mechanism of squeak through physical model and oscillatory differential equation of frictional vibration and summarize three solutions of controlling door inner belt squeak.By using the method of DFSS，we identify the opportunity of resolving the squeak，define the customers’requirements and related engineering metrics，and induce the control factors through benchmarks of major brands on the market.With consideration of the manufacturing deviation of door sheet metal，interior trim panel and glass，the displacement of the system during window glass lifting is evaluated with FEA.A robustness design to eliminate squeak is found，which is proved effective by verification.

Key words:DFSS，Inner belt seal，Squeak，Frictional vibration，Robustness