車門限位器抗異響設計優化研究

沈雁東,趙宇馨,劉禹呈

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201206)

0 引言

車門限位器是保持車門開關位置的重要零部件，車門在開關過程中，經常由于限位器發出的“嘎嘎”異響聲，使消費者感到難受，極大地影響消費者的感知。橡膠彈簧類限位器因為其質量輕、成本低、力值感知小，偏受亞洲消費者喜愛，但同時由于它對環境灰塵比較敏感，因此其異響問題比其他形式的限位器發生概率更高。本文作者針對某車型此類限位器的異響問題，通過六西格瑪設計(Design For Six Sigma，DFSS)，尋找針對灰塵影響最穩健的限位器產品設計方案。

1 異響機制討論

摩擦噪聲是由接觸界面的滑動摩擦而發出的一種頻率和聲壓級都不規則變化的聲音[1]。車門限位器的工作原理如圖1所示，滑塊在限位臂上滑動,滑塊會停留在限位器的凹坑中,使得車門能夠停留在某些設定的打開角度上，因此需要特別注意滑塊與限位臂的滑動摩擦，防止產生噪聲。在摩擦噪聲領域，普遍認同噪聲產生的機制為摩擦力-相對滑動速度關系負斜率機制。當摩擦力-相對滑動速度的負斜率大于系統的阻尼時，摩擦力將對摩擦系統作正功從而引起系統的自激振動，從而產生噪聲[2]。然而，大量的限位器異響案例表明，無論操作限位器滑塊滑動多快，或者多慢，都會有異響產生，而異響往往集中于限位器的某個部位反復發生，因此其異響不可能是摩擦力-相對滑動速度關系的負斜率引起的。

圖1 限位器的滑動摩擦機構分解圖

在滑動摩擦的研究中，另一種研究觀點表明，摩擦噪聲是由摩擦振動引起的，而摩擦系統間具有波動性的摩擦力激發了摩擦系統的振動從而發出了噪聲，摩擦噪聲較大的時候，其摩擦力存在臺階變化[1-2]。此摩擦噪聲機制比較符合限位器發生異響的現象，可以解釋限位器發生異響的原因。

橡膠彈簧限位器由于其力學特性，導致滑塊與限位臂之間容易積累灰塵，導致局部摩擦力變大，容易產生異響。在實際情況下，其發生摩擦力變化以及灰塵堆積又與限位器自身的多個結構有關，如滑塊/限位臂自身的材料與結構，限位器的油質特性等。因此需要消除此異響是一個系統工程，需要通過1個或多個六西格瑪設計尋找最優方案，提高產品的穩健性。

2 六西格瑪設計

DFSS的根源出自系統工程,強調管理方面必須達到客戶的期望，能將整個產品開發設計流程中，相關工具、方法流程與客戶需求做一系統化整合。可以通過調整可控的設計變量的名義值與優化容變量間的差異性來提升產品質量、滿足客戶期望。

DFSS可以在不增加成本的前提下，在提高前期設計質量和降低使用成本方面發揮巨大功效。其導入流程可以分為PICDOV、DMADOV、CDOV、IDOV和IDDOV等。

朱正禮等[3]闡述了PICDOV流程六西格瑪設計在新能源汽車電子開發中的應用，Y Q LI等[4]介紹了DMADOV流程六西格瑪穩健設計。與以上穩健設計優化的流程有所不同，本文作者采用IDDOV流程六西格瑪穩健設計方法[5]。

2.1 識別機會

在對某車型的新車售后調研(售后3個月內)中，關于車門限位器開啟關閉異響問題在制造月11～2月間比例較高。

對新車質量高發的時間進行深入調查，發現其發生的時間與中國風沙天氣的發生概率有很高的相關性，并且走訪問題客戶，發現其限位器上灰塵明顯(見表1)。

表1 北方某城市沙塵暴月份及季節分布(1961～2015年)

針對出現異響的車門，對異響限位器進行逐一分析(見圖2)，發現超過68%的限位器是由于限位臂上積累過量灰塵，在開門或者關門過程中滑塊與限位臂粗糙表面劇烈摩擦，進而產生尖銳的異響聲音，且在清除灰塵后異響消失。

圖2 限位器的異響分類占比圖

基于以上分析，文中主要研究橡膠彈簧限位器針對灰塵的抗異響能力，將研究范圍設定在防塵墊、限位臂、滑塊和二者間的潤滑油脂，即限位器的滑動摩擦機構部分。并且保持車門系統的其他零件和限位器的其他部位不變。

該DFSS項目交付物為尋找橡膠彈簧限位器的灰塵異響影響參數，開發出抗灰塵異響性能優異的橡膠彈簧限位器，消除失效車上的異響，同時任何更改不能對車門開關舒適性和駕乘人員出入車輛方便性有減弱或不利影響。

2.2 定義要求

針對車門限位器的潛在更改部位，在零件開發過程中，主機廠希望成本增加盡量小，質量無明顯增加；在售后市場，希望結構簡單又穩定可靠，長時間無質量抱怨；汽車用戶希望開關門時無異響、過擋力適中和擋位感清晰。

針對現有限位器產品進行灰塵添加操作實驗，與客戶新車調研數據配合，可以得到實驗數據與實際表現的匹配情況(見圖3)。通常期望的客戶滿意度PPH抱怨小于1。因此根據多個車型的實驗與調研情況,限位器抗灰塵耐久次數目標設定為大于180次。

圖3 限位器異響導致客戶損失函數曲線

在工程操作層面，以上各客戶要求對應表2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成本和質量無明顯增加、零件穩定性、開關門無異響等要求。

表2 客戶要求與工程指標

2.3 開發概念

此DFSS項目以表2列舉的客戶要求和工程指標作為開發概念的指導標準，研究方案選擇必須依據表2所述工程標準，滿足其客戶要求。對目前汽車市場上主流品牌車型的限位器結構進行調研，發現現有橡膠彈簧限位器的結構方案被廣泛接受和采用，而差異之處在于限位臂材料和形狀、滑塊材料和結構、油脂牌號和用量以及是否采用防塵墊。

此DFSS項目在保留現有限位器結構方案基礎上，滑動摩擦機構的設計可以歸納為影響客戶要求和工程指標的7個控制因子，即滑塊材料、滑塊結構、限位臂結構、限位臂材料、油脂牌號、油脂用量以及是否采用防塵墊。

2.4 優化設計

在限位器成本和質量無明顯變化的前提下，為了涵蓋此項目的設計意圖和需求，通過對國內外汽車行業內橡膠彈簧限位器的對標分析，設計團隊和專家會議討論決定：針對前述的7個控制因子，每個控制因子各設定2個水平，如表3所示。選取L8列表，采用標準的設計元素形成如表4所示的8個方案。

表3 控制因子策略

表4 方案設計

針對實際情況中車身安裝支架存在位置偏差，設定其與理論位置的位移量分別為0和2 mm這2種水平。故有兩種噪聲水平，見表5。

DFSS方法用信噪比(S/N)作為系統的穩健性指標。田口博世認為，在產品設計時S/N越大，在該參數水平下的產品功能越穩健；產品功能設計越穩健，異響越不容易發生，故屬于望大特性[6]。望大特性就是不取負值,以無限大為理想值的計量值質量特性,如: 產品的強度、壽命、放大率、功率等均是望大特性值。望大特性響應信噪比公式為

式中：yi為響應符號，即耐久次數[7]。

表5 噪聲因子方案

信噪比與噪聲因子方案見表6，因子信噪比與平均值點圖見圖4。

表6 信噪比與噪聲因子方案

圖4 因子信噪比與平均值點圖

從圖4所示的信噪比與平均值點圖中，可以發現方案A2B2C2D1E2F1G2為最佳方案,但是考慮成本及實際可操作性影響,原始狀態方案A1B1C1D1E1F1G1中S/N=31，Mean=39次，優化方案A2B2C2D2E2F1G1，預估試驗次數S/N=51.1，Mean=380次。實際實驗結果如表7所示,得到實際實驗S/N=51.5，Mean=375次。

表7 優化方案實驗數據

3 結論

(1)從文中研究的橡膠彈簧限位器結構出發，影響其灰塵異響耐久穩健性的關鍵零件為限位器滑塊與限位臂的材料,文中研究的限位臂材料為關鍵影響因素。但從其摩擦異響機制出發，主要考慮滑塊材料與限位臂材料之間摩擦性能的匹配；

(2)考慮限位器自身與滑動相關的零件，包括結構、油質等同樣對其灰塵異響耐久性能存在影響，但相應的影響水平相對較小，可以綜合考慮質量、成本對此類結構方案進行選擇；

(3)文中研究的主要對象為橡膠類限位器，其研究結論不一定適用于金屬彈簧類限位器，從現有經驗考慮，金屬彈簧類限位器自身對于灰塵的抵抗能力較好，未發現有研究的必要性。