車門玻璃升降扭矩與車身尺寸偏差關系分析

敬 園，程 銘，林永亮，葉 剛，仲路路，王 豐

車門玻璃升降扭矩與車身尺寸偏差關系分析

敬 園，程 銘，林永亮，葉 剛，仲路路，王 豐

（上海蔚來汽車有限公司，上海 201805）

論文研究flush door車門結構玻璃升降系統(tǒng)對于車門鈑金公差的兼容性和敏感度，同時也為探索車門鈑金公差的各個輸入因子與玻璃升降力矩和面差之間的關系，以及極限公差下的力矩和面差值。基于試驗設計中響應曲面的分析方法，在獨立開發(fā)的夾具上調整輸入因子的值和測量對應的輸出數(shù)據(jù)，對相關的車門鈑金尺寸因子和玻璃升降力矩之間的關系進行分析。得出結論，在該系統(tǒng)中，車門預彎量對玻璃升降力矩的影響較小，腰線開口的公差對玻璃升降力矩影響最大。同時也驗證出適合于該系統(tǒng)的鈑金公差范圍，以及各個輸入因子和輸出結果之間的關系式，為后續(xù)同類結構的開發(fā)提供了理論基礎。

試驗設計；Flush door；可調夾具；車門預彎

1 實驗背景

Flush door 車門結構（圖1），由于具有外觀簡潔、低風阻、低能耗的優(yōu)勢，在新開發(fā)車型中應用越來越廣泛。

圖1 車門外觀對比

Flush door車門結構簡圖如圖2所示，玻璃在A柱受2個方向的約束力，B柱受4個方向約束力。玻璃升降時由于A柱和B柱所受約束力不平衡，容易卡住。

圖2 Flush door車門結構

傳統(tǒng)車門結構簡圖如圖3所示，玻璃在前后導軌都受3個方向的約束力，前后方向的約束力放開[1]。

圖3 傳統(tǒng)車門結構

同時由于flush door 結構與普通有框門結構（圖3）對玻璃前后導軌的約束不對稱，玻璃升降對車身的尺寸精度比較敏感，尺寸偏差大時玻璃可能在運動中被卡住[2-3]。

試驗設計（Design of Experiment, DOE）方法是優(yōu)化多因子相關的復雜設計的科學方法。本文采用響應曲面法（Response Surface Method, RSM）DOE方法，通過對Flush door車門結構中玻璃升降系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)，向的尺寸變動對玻璃升降影響最顯著，選取了4個相關性最大的車門鈑金尺寸因子，包括：1）車門門框預彎量（圖4），下文用1表示，DOE測試范圍：-1～2 mm；2）玻璃導軌安裝面（圖5），下文用2表示，DOE測試范圍：-2.0～2 mm；3）玻璃上亮條安裝面（圖6），下文用3表示，DOE測試范圍：-1.5～1.5 mm；4）內外水切夾持面寬度（圖7），下文用4表示，DOE測試范圍：-3.0～3.0 mm[4]。

圖4 車門門框預彎量

圖5 玻璃導軌安裝面

圖6 玻璃上亮條安裝面

圖7 內外水切夾持面寬度

圖8 可調的車門鈑金夾具

根據(jù)選取的車身尺寸因子，開發(fā)可調的車門鈑金夾具（圖8），用于玻璃升降的DOE試驗。

2 實驗計劃

2.1 實驗目的

本實驗目的是通過對車身尺寸因子的精準控制，測量每種因子極限狀態(tài)的排列組合下玻璃上升扭矩的峰值，同時檢測玻璃到外飾件的平均面差。玻璃上升扭矩的峰值，下文用1表示，1≤6 Nm；玻璃平均面差，下文用2表示，-1 mm≤2≤1 mm。在1和2都滿足各自公差范圍的條件下，求出各個車身尺寸因子的公差范圍。

2.2 實驗方法

1.玻璃上升扭矩峰值測量

實驗通過扭力扳手手動控制玻璃升降器的齒輪，為玻璃升降提供動力，同時讀出玻璃在上升過程中的扭力峰值。

2.玻璃周邊面差測量

用數(shù)字顯示的面差表測量玻璃到前三角窗和到B柱外飾板的面差，共8個點，如圖9所示，測量后取絕對值的平均值作為面差的整體表現(xiàn)。

圖9 前門面差測點

3.車門鈑金狀態(tài)的調整

車門鈑金的不同狀態(tài)是通過調整可調夾具來實現(xiàn)的。1調整是通過可調夾具繞某一給定的軸線旋轉，并控制某一指定點的向移動量來實現(xiàn)。2、3和4的向調整，都通過可調夾具在安裝面加裝不同厚度的墊片來實現(xiàn)按指定的尺寸偏差來調整。

2.3 DOE實驗方案

如前述分析，DOE實驗里有4個因子，每個因子有2個level，每種組合對應2個響應。全因子實驗有24組合，對應16組實驗。通過對玻璃升降系統(tǒng)的分析，有可能在某些因子的2個level的中間值出現(xiàn)極值，即出現(xiàn)彎曲[5-6]。故再增加4個中心點，以檢測彎曲。另外升降系統(tǒng)中還存在密封條老化的問題，故再增加一輪重復的實驗，這樣按順序測量每種組合都能測到兩個數(shù)值，即老化前后的數(shù)值，以盡量降低老化的影響[7-8]。

綜合上述分析，初步的實驗方案是測量（16+ 4）×2=40組實驗。對40組實驗結果分析，扭矩峰值和面差這兩個響應都存在彎曲。因此，實驗中引入RSM方法，考慮序貫性，可調夾具可測量范圍對應的成本，采用中心復合表面設計（Central Composite Face-centered Design, CCF）的方法安排實驗，共計60組實驗[9-10]。實驗和測量結果如表１所示。

表1 實驗和測量結果

RunOrderf4/mmf3/mmf2/mmf1/mmY1/(Nm)Y2/mm 1-3-1.5-2-1.06.20.47 23-1.5-2-1.04.50.54 3-31.5-2-1.06.70.48 431.5-2-1.05.80.60 5-3-1.52-1.05.80.76 ………………… 5500.0-20.55.50.53 5600.020.55.20.83 5700.00-1.05.40.58 5800.002.05.50.49 5900.000.55.20.58 6000.000.55.40.58

3 實驗結果

3.1 實驗結果分析

3.1.1峰值扭矩結果分析

分析結果表明，4個影響因子中對1影響顯著的是2、3和4這3個因子。每2個因子在另一個因子取中值時與1的關系如圖10－圖12所示。

關系式：

1=5.32-0.154+0.063-0.172+0.0822+

0.0342-0.0434（1）

則標準誤差=0.105，-sq=71.6%，-sq(adj)= 68.4%。

考慮DOE實驗中所測量的尺寸偏差范圍遠大于現(xiàn)實中可以實現(xiàn)的公差，因此，不必在實驗中爬坡找到“頂”或“底”。目前實驗測量范圍可以滿足指導工程設置公差的需要。因為目前門鈑金總成公差要求已經小于實驗測量范圍；另外根據(jù)以往項目公差經驗數(shù)據(jù)來看，DOE測量范圍已經大于所有項目總成公差。

圖10 Y1與因子f3和f4關系圖像

圖11 Y1與因子f2和f4關系圖像

圖12 Y1與因子f2和f3關系圖像

3.1.2玻璃面差結果分析

分析結果表明，4個影響因子中對2影響顯著的是2，3和4這3個因子。每2個因子在另一個因子取中值時與2的關系如圖13－圖15所示。

圖13 Y2與因子f3和f4關系圖像

圖14 Y2與因子f2和f4關系圖像

圖15 Y2與因子f2和f3關系圖像

關系式：

2=0.57+0.0074-0.0073+0.062+0.0122-

0.00442-0.00732（2）

則標準誤差=0.017，-sq=87.5%，-sq(adj)= 83.9%。

與峰值扭矩同理，目前實驗測量范圍可以滿足指導工程設置公差的需要。

3.2 實驗結果驗證

利用上述公式，在DOE模型中預測一些典型的1和2值，和這些值對應的2、3、4因子的狀態(tài)。在可調夾具上調出各個因子的狀態(tài)，再測量各因子組合狀態(tài)下1和2值，最后與預測值比較來驗證DOE模型的準確性。驗證結果如表2所示。

表2 DOE分析值驗證

序號f4/mmf3/mmf2/mm實測值預測值 Y1/(Nm)Y2/mm 13–1.504.9 Y1最小值4.79 Nm，置信區(qū)間(4.58,4.99)，預測區(qū)間(4.08,5.49) 2–3–1.5–2 0.47Y2最小值0.45 mm，置信區(qū)間(0.41,0.48)，預測區(qū)間(0.36,0.53) 33–1.5–1.55.00.54同時優(yōu)化Y1和Y2，都取最小值。Y1最小值4.94 Nm，置信區(qū)間(4.71,5.16)，預測區(qū)間(4.23,5.65)；Y2最小值0.54 mm，置信區(qū)間(0.52,0.57)，預測區(qū)間(0.46,0.63)

所有實測值都在置信區(qū)間的范圍內，說明DOE模型的公式是可以比較準確的預測1和2的值。

3.3 實驗結果應用

根據(jù)DOE模型中的公式，驗證1和2在臨界值時，2、3和4允許的最大尺寸偏差，進而逐步縮小車身尺寸的公差范圍。可初步確定2的公差±0.7 mm，3的公差±0.7 mm，4的公差±1 mm。

把2、3和4的值反向代入DOE模型中的公式，觀察隨著尺寸偏差的變化，1和2的變化趨勢，同時驗證1和2是否超出臨界值。以0.1 mm為步距，逐漸增加2、3和4的公差值，形成15×15×21=4 725種排列組合，并計算每種排列下1和2的值，如圖16所示。

篩選所有數(shù)值，1最大值5.71 Nm，2最大值0.63 mm，都沒有超出要求的范圍。公式中1的（σ）=0.105 ，預留單邊3σ的余量后剛好約等于6 Nm，即在上述給定的2、3和4的公差下，1先達到臨界值，上述公差為允許的最大公差。

3.4 實驗結論

通過觀察圖16的每張圖片里左上角和右下角的深色區(qū)域的隨著玻璃導軌安裝面，玻璃上亮條安裝面和內外水切夾持面寬度的公差變化可以發(fā)現(xiàn)玻璃上升扭矩的峰值和玻璃平均面差的分布規(guī)律。

玻璃上升扭矩的峰值受內外水切夾持面寬度的影響最顯著，影響趨勢為內外水切夾持面寬度越大，玻璃上亮條安裝面越偏車外方向，玻璃導軌安裝面越偏車內方向，玻璃上升扭矩的峰值越小，且按上述方向調整出較小的玻璃上升扭矩的峰值的概率越大。

圖16 Y1與Y2分布圖

玻璃平均面差受玻璃導軌安裝面的影響最顯著，影響趨勢為玻璃導軌安裝面越偏車外方向，玻璃上亮條安裝面越偏車內方向，內外水切夾持面寬度越小，玻璃平均面差越小，且按上述方向調整出較小的玻璃平均面差的概率越大。

車門門框預彎量在-1～2 mm之間時對玻璃上升扭矩的峰值和玻璃平均面差的影響不顯著，可以忽略。設計上可以接受2 mm以內的預彎。

4 結束語

本文通過對車身新結構的分析，找出系統(tǒng)中可能存在問題的關鍵參數(shù)，并確定與其相關的輸入因子。篩選并確定可控的因子數(shù)量和水平，基于DOE響應曲面的方法制定實驗計劃，并為驗證獨立開發(fā)可調夾具。最終通過實驗結果分析確定了車身尺寸的公差范圍，以及關鍵參數(shù)的分布規(guī)律，為后續(xù)項目應用提供理論基礎。

[1] 黃金陵.汽車車身設計[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2021.

[2] 湯瑩編.車門系統(tǒng)零部件設計及系統(tǒng)集成[M].北京:機械工業(yè)出版社,2017.

[3] 朱文峰.車身密封系統(tǒng)設計優(yōu)化[M].上海:上海科學技術出版社, 2017.

[4] 胡本峰,張嬌娜.基于DOE的公差穩(wěn)健設計方法研究[J].農業(yè)裝備與車輛工程,2007(3):29-32.

[5] 賈俊平.統(tǒng)計學[M].6版.北京:中國人民大學出版社, 2016.

[6] 江家輝,徐源,吳松.DOE在電機容差設計中的應用[J].中國科技信息,2017(16):92-93.

[7] 馬逢時,周暐,劉傳冰.六西格瑪管理統(tǒng)計指南:MIN- ITAB使用指導[M].北京:中國人民大學出版社,2013.

[8] 文放懷.新產品開發(fā)管理體系DOE工具應用指南[M].深圳:海天出版社,2011.

[9] 閔亞能.實驗設計(DOE)應用指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[10] 趙玲玲,樊樹海,呂慶文,等.基于MINITAB/TURN- 5DOE的試驗設計在質量管理的應用[J].機床與液壓, 2021,49(13):25-28.

Analysis of the Relationship between Lifting Torque of Flush Door Glass and Body Dimensions Deflection

JING Yuan, CHENG Ming, LIN Yongliang, YE Gang, ZHONG Lulu, WANG Feng

( NIO Company Limited, Shanghai 201805, China )

The purpose of this article is to study the compatibility and sensitivity of the flush door glass lifting system with the door sheet metal tolerances, as well as to explore the relationship between various input factors of the door sheet metal tolerances and the glass lifting torque and flushness difference, and the torque and flushness difference values under the limit tolerances. Based on the response surface analysis method in the design of experiment test design, the input factor values are adjusted and the corresponding output data are measured on the independently developed fixture, and the relationship between the relevant door sheet metal dimension factors and the glass lifting torque is analyzed. The conclusion is that in this system, the door cheat has smallest impact on the glass lifting torque, and the tolerance of the waistline opening has the greatest impact on the glass lifting torque. At the same time, the suitable sheet metal tolerance range for this system and the relationship between each input factor and output result are also verified, providing a theoretical basis for the development of subsequent similar structures.

Design of experiment; Flush door; Adjustable cubing; Door cheat

U461.99

A

1671-7988(2023)17-106-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.019

敬園（1982－），男，高級工程師，研究方向為車身開閉件，E-mail:randy.jing@nio.com。