基于故障樹分析一種微車的后排座椅異響問題的研究與解決

蘇臻

摘 要：對于微型汽車來說，由于車內(nèi)空間不大，只能布置座椅靠背兩側(cè)上端使用鎖的形式，此形式由于是鎖和車身接觸，容易產(chǎn)生異響。一旦后排座椅產(chǎn)生異響問題，將會困擾到乘客，進而影響汽車的銷售。采用故障樹分析法對汽車后排座椅異響現(xiàn)象進行全面深入的分析。構(gòu)建座椅異響故障樹，并對其進行定性分析，得出座椅異響的故障原因，最終提出有效的維修建議和防止措施方案。

關(guān)鍵詞： 汽車；座椅；異響；故障樹分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.235

1 引言

隨著我國汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，汽車不僅僅成為人們出行的常用工具之一，還是消費者生活方式的一種表現(xiàn)方式。汽車的種類的豐富讓人們有更多的選擇，其中人們?nèi)粘３鲂泻瓦\輸使用較多的就是微車。微車是微型車的簡稱，比如小型轎車和小型面包車，一般指軸距在2米左右的車型，這類車的排量通常不超過1.6L [1]。

汽車技術(shù)隨著人們對乘車需求的不斷提高而在不斷地進步。因此如何以顧客為中心對汽車進行改善，提高人們乘車體驗，增加行業(yè)競爭力是汽車設(shè)計行業(yè)面臨的問題之一[2， 3]。座椅是汽車乘坐的地方，因此對長時間乘坐有很高的要求，同時還將影響到行車的安全問題。作為一直困擾著汽車行業(yè)的問題之一，汽車的座椅異響問題則直接影響著乘客駕駛安全和舒適體驗。

異響屬于噪音振動粗糙度（NVH，Noise Vibration Harshness）問題，用來描述汽車非正常響聲和振動。汽車的異響極易降低乘車質(zhì)量，進而影響乘客對整車質(zhì)量的評價[4]。作為異響的主要來源，座椅異響問題則是內(nèi)飾系統(tǒng)異響的關(guān)鍵部位。加上座椅與人體直接接觸，所以乘客的異響感受也更加直觀，因此研究座椅異響問題對提高乘車質(zhì)量顯得十分必要。

通過試驗方法對異響問題進行研究和解決是常用的手段，能夠有效地降低整車由于異響造成的質(zhì)量缺陷[5， 6]。然而試驗作為研究的基礎(chǔ)階段，一般很難從全面的角度分析故障發(fā)生的原因。因而也就無法給出一個綜合的有效解決方案。作為安全系統(tǒng)工程中最重要的分析方法，故障樹分析法又稱事故樹分析（Fault Tree Analysis， 簡稱 FTA 法）是一種需要整體、綜合、定量或定性地考慮系統(tǒng)異常行為的方法。 故障樹分析方法可對系統(tǒng)或機器的故障進行預(yù)測和診斷，通過分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)找出可能故障原因，從而幫助系統(tǒng)或機器實現(xiàn)最優(yōu)化[7， 8]。故障樹提供的是系統(tǒng)或機器與其他子系統(tǒng)或部件發(fā)生故障的邏輯結(jié)構(gòu)， 通過這種結(jié)構(gòu)對可以系統(tǒng)或機器故障形成原因做出從總體到部分的逐漸地細化，因而也更為綜合和直觀。故障樹分析法曾被用于汽車發(fā)動機的異響分析上[9]，然而將故障樹分析法用于座椅異響問題分析還未見報道。

本文以微車座椅常見異響故障為例，建立座椅異響故障樹，利用故障樹最小故障割集分析法對故障割集進行定性分析，并給出導(dǎo)致座椅異響的主要故障原因和相應(yīng)的解決辦法。

2 微車后排座椅異響失效情況介紹

本研究以某車企路試的微車為例進行座椅異響的具體研究。處于路試階段的某車企的后排座椅60側(cè)靠背在1萬4千公里的時候發(fā)生了后排異響。這與該車企的要求相差較大，即3萬2千公里座椅無損壞，無異響。

3 后排座椅異響故障樹的建造

作為汽車制作一個組成元素，汽車內(nèi)飾是綜合美觀、功能、實用等一系列性能的重要部分。內(nèi)飾的質(zhì)量無意將對整車的市場銷售起到一定的影響作用。汽車內(nèi)飾一般可以分為兩個層次，如座椅、儀表、中控、車門等的第一層次，而進一步細化，則構(gòu)成了第二層次，比如儀表分類可以儀表盤、刻度、顯示窗口、指針等。而作為汽車內(nèi)飾系統(tǒng)的主要部分，座椅是最能夠體現(xiàn)車輛舒適性能的主要指標[3]。

采用故障樹的分析方式對微車座椅進行研究是快速解決車企反饋失效問題的重要途徑。

從結(jié)構(gòu)上來說，座椅由頭枕、坐墊骨架及發(fā)泡、靠背骨架及發(fā)泡、面套和飾板構(gòu)成。按照異響部位來分，可以將座椅異響分為頭枕異響、靠背異響、坐墊異響和手柄異響等。而異響產(chǎn)生的主要原因可以分為座椅構(gòu)件的摩擦和撞擊以及座椅與其他物品的摩擦和撞擊兩類[10]。根據(jù)實際車企反饋失效情況，研究方向?qū)⒓性诳勘成稀？勘成系牧慵校^枕，發(fā)泡，面套，塑料件，骨架，鎖。各種零件都有可能產(chǎn)生異響，同時需要考慮與車身件配合。以這幾種異響故障構(gòu)建的故障樹如圖1所示。

4 后排座椅異響故障樹的分析

對于簡易快速排除異響的方法可以如圖2所示采用敲擊法：手握拳，在車內(nèi)部分區(qū)域敲擊，當敲擊到某個部位響聲出現(xiàn)時，就近確定整個部位周圍都有什么東西，逐一拿出或固定，再敲打確認，如果響聲消失了，就說明拿出來或固定住的東西就是異響源。

根據(jù)座椅靠背異響故障樹分析的底事件問題運用敲擊法結(jié)合質(zhì)量檢查進行逐一排查：

（1）去除頭枕后異響任然存在。

（2）去除發(fā)泡面套后異響任然存在。

（3）去除塑料件后異響任然存在。

（4）翻倒靠背時候，無異響。

（5）無脫焊。

（6）鈑金尺寸報告全部合格。

（7）同類型骨架無異響產(chǎn)生，所以并非骨架剛性問題。

所以失效問題點集中于鎖的區(qū)域。故進一步的研究方向?qū)⒓信c鎖方向上。

5 鎖異響故障樹的分析

鎖由彈簧，鎖舌，鎖輪，鎖外殼，橡膠塊和車身striker組成，如圖3所示。

根據(jù)鎖的構(gòu)成零件，構(gòu)建的鎖異響故障樹如圖4所示。

根據(jù)鎖異響故障樹分析的底事件問題運用貼毛氈布結(jié)合質(zhì)量檢查進行逐一排查：

（1）鎖內(nèi)部機構(gòu)尺寸合格。

（2）鎖外殼尺寸合格。

（3）如圖5，striker上貼毛氈布，結(jié)果異響任然存在。排除striker敲擊原因。

（4）如圖5，在鎖外殼盒鎖內(nèi)部機構(gòu)貼毛氈布，結(jié)果異響任然存在。排除鎖外殼晃動原因。

（5）如圖5，在鎖舌，鎖輪上貼毛氈布，結(jié)果異響消失。由于所內(nèi)部機構(gòu)尺寸合格。故著重分析彈簧和橡膠塊預(yù)緊力如果不足是否是產(chǎn)生異響的原因。

如圖6所示，F(xiàn)' 是彈簧以及橡膠塊產(chǎn)生的預(yù)緊力。F''是座椅振動適合產(chǎn)生的內(nèi)部力。當預(yù)緊力不足，即F > F時，鎖輪會推動鎖舌動作，所以在區(qū)域a，座椅振動下會產(chǎn)生周期性開合的動作。所 以預(yù)測此為本座椅靠背產(chǎn)生異響的根本原因。

6 橡膠塊預(yù)緊力分析

如圖7所示根據(jù)實際情況計算靠背座椅振動適合產(chǎn)生的內(nèi)部力。

座椅實車激勵數(shù)據(jù)：

垂直加速度： 5.88m/s2 （0.6g）

水平加速度： 4m/s2 （0.4g）

重量： 13.2kg， L1： 180mm， L2： 348mm

拷貝角： 25°

計算：

Fx = 4 x 13.2 = 52.8 N

Fz = 5.88 x 13.2 = 77.6N

G = 13.2 x 9.8 = 129.4 N

F = （Fx*cos25° + Fz*sin25° + G*sin25°） * L1/L2 = 69.9N

如圖8所示，假設(shè)不修改彈簧的情況下，根據(jù)扭矩平衡原則，彈簧的預(yù)緊力計算如下：

mg*Lm + F*Ls + m g*Lm=Fa*La，

Mg*LM + Fa*La + F*LF=Ft*Lt

m-------鎖舌重量=0.021kg

Lm-----鎖舌重量到轉(zhuǎn)軸點a力臂=11.1mm

F-------彈簧回復(fù)力 =10.4N

Ls------F到轉(zhuǎn)軸點a力臂=28mm

m------解鎖手柄重量=0.021kg

Lm-----m'到轉(zhuǎn)軸點a力臂=27mm

Fa------鎖舌與鎖輪的推動力

La------Fa到轉(zhuǎn)軸點a力臂=23.2mm

M-------鎖輪重量=0.04kg

LM------鎖輪重量到轉(zhuǎn)軸點a力臂=8.4mm

La------ Fa到轉(zhuǎn)軸點b力臂 =9.9mm

LF------ F到轉(zhuǎn)軸點b力臂=13.5mm，

Ft-------彈簧預(yù)緊力

Lt------- Ft到轉(zhuǎn)軸點b力臂 =15.2mm

Ft=15.6N

根據(jù)前文，如果需要沒有異響必須F''< F' ，即F''< Fr（橡膠預(yù)緊力）+Ft（彈簧預(yù)緊力），所以Fr 要大于 F''-Ft=69.9-15.6= 54.3N

調(diào)查失效的橡膠塊，其硬度值為53.根據(jù)圖9，橡膠塊的預(yù)緊力F/S圖來看，在鎖位置的預(yù)緊力僅為35.3N。其值小于不產(chǎn)生異響的54.3N。

所以本次座椅靠背異響根本原因是橡膠塊和彈簧預(yù)緊力不足。

7 問題點對策分析

由于已經(jīng)確認出本次座椅靠背異響根本原因是橡膠塊和彈簧預(yù)緊力不足。所以可以考慮的對策為：

（1）增大橡膠塊硬度（橡膠塊預(yù)緊力）。

（2）增大彈簧預(yù)緊力。

由于增大彈簧預(yù)緊力需要更換彈簧，所以會造成成本上升，車企并未同意。而，橡膠塊硬度調(diào)整無需費用，所以最終對策為增大橡膠塊硬度至56-60左右。此外，為了防止改善方案的二次問題，我們還做了二次問題分析表，對增大橡膠塊硬度可能產(chǎn)生的一些二次問題進行具體分析。

根據(jù)表1分析，進行解鎖力計算，客戶要求解鎖力在165N以下：

靠背重量：13.2kg

L1：180mm

L2：348mm

L3：530mm

靠背角：25°

F'=Ft+Fr

Ft=18N（鎖止時候的彈簧預(yù)緊力）

Fr=251.8N（橡膠塊極限狀態(tài)值）

G=13.2*9.8=129.4N

Fe=（（Ft+Fr）* L2-G* L1*sin25°）/ L3=158.6N<客戶要求165

N

故選擇橡膠塊硬度60的產(chǎn)品既滿足了異響對策，又滿足了操作力需求。所以將其作為異響的最終改善對策。

8 實物對策確認

根據(jù)對策生產(chǎn)的座椅繳付車企再次路試，滿足3萬2千公里座椅無損壞，無異響。同時，座椅產(chǎn)品的操作力測試結(jié)果為平均120N，最大130N，滿足客戶需求。故驗證此對策有效。

9 結(jié)語

針對某企業(yè)路試階段微車的異響故障，采用故障樹分析法從座椅靠背大的方面開始，對座椅異響進行全面的分析。通過建立故障樹，得到故障割集發(fā)生的具體位置，并通過實驗對故障割集進行定點分析。同時，通過對二次進行鎖的故障樹進行分析，找出導(dǎo)致座椅異響的根本故障原因。總體來說，本次座椅異響故障產(chǎn)生的主要原因為彈簧和橡膠塊的預(yù)緊力不足。微車的靠背異響是常見的失效情況，本文為其他異響研究的分析拓展了思路。同時，也為解決靠背以及鎖有關(guān)異響提供了參考的研究方法。最后，本研究也對座椅設(shè)計時鎖彈簧以及橡膠塊的具體設(shè)計要求提出了指導(dǎo)性的意見。

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