車輛側門分縫線平順性的控制因子研究及正交優化設計

陳斌

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201210）

引言

汽車腰線是汽車側面設計的主要特征線，承擔了調整、襯托、分割、強調側面比例的作用[1]。現代汽車造型設計越發追求雕塑感，車身形態飽滿，線條硬朗，車身側面凹凸變化豐富的造型趨勢，給人以強有力的視覺沖擊。車身側面強有力的造型特征，成為眾多汽車用以實現設計意圖的得意之舉。強側面特征為汽車的總布置工作帶來了新的挑戰，由于側面的強特征及開關門不干涉的要求，致使前后門分縫線有較為明顯的扭曲。因此將如何在滿足車輛開關門不干涉的前提下，優化側門分縫線盡量的平順性，作為本文研究的目標。

1 側門分縫線swing設計

1.1 分縫線設計涉及的系統及關鍵概念

車門分縫線直接關系到車門的開閉運動，分縫線設計直接關系到車門的關閉運動，涉及的系統及關鍵概念[2]如圖1：

工程方面：鉸鏈布置與分縫線設計必須滿足鉸鏈的布置空間、車門開啟中與翼子板間隙、車門開啟后與側圍及相關零件間隙等要求。

造型方面：鉸鏈的布置與分縫線設計應盡量滿足造型大面、特征線、分縫線平順性的需求。

Inboard limit：保證已有hinge/grommet/impact beam與內鈑金的安裝及間隙要求，保證內外鈑金間隙要求，由內而外向車外疊加尺寸鏈得到門外鈑金的最靠內限制。限制了造型面最靠內（靠近鉸鏈）的位置。造型面太靠車內，將無法保證鉸鏈與車門內鈑的間隙要求。

Forward limit&Rearward limit：Forward limit限制了分縫線（GAP后分縫）最靠前的位置，避免車門開啟打側圍及相關零件；Rearward limit限制了分縫線最靠后的位置，避免前門開啟中打翼子板/后門開啟中打前門。對于前門與翼子板的分縫線，zone限制的是前門側的分縫線；對于后門與前門的分縫線，zone限制的是后門側的分縫線。

Outboard limit：限制了造型面最靠車外的位置，若造型面超出 outboard limit，那么Forward limit將在Rearward limit后方，而導致無法找到工程可行的分縫線方案。

1.2 門到翼子板工程斷面

圖2為門到翼子板工程斷面，圓圈標注尺寸的數值關系到車門在swing過程中打翼子板的風險大小；其中翼子板紅圈標注的尺寸在翼子板不同位置的翻邊數值會有所變化，例如翼子板下部翻邊角度更大，對swing的要求更為苛刻。

圖2 門到翼子板工程斷面

2 目標定義

以平順的分縫線作為優化目標，設定Δ值（分縫線前凸與反凹X向落差）做為分縫線平順性的評價指標。實物模型評估五條不同扭曲程度（Δ=8/6/4/2/0）分縫線，調研30個客戶樣本點對分縫線平順性的滿意程度（10分為很滿意，8分為較滿意，7分為可以接受，6分及以下為不滿意，0分極差），整理客戶損失函數如圖3（原始數據見圖5），其中橫坐標為Δ值，縱坐標為不滿意度（＜=6分），由圖可知：

圖3 分縫線平順性及客戶滿意度調查

（1）隨著Δ變大，客戶不滿意度變大；

（2）為將客戶損失控制在10%內，Δ需＜=1mm，因此將優化目標設定為Δ＜=1mm。

Gap大小是分縫線平順性重要的設計因素，GAP大，門更不容易打fender，forward limit的限制更為寬松，分縫線可以更平順。然而，較大的GAP會帶來外觀感知質量的損失。實物評估五個不同的GAP大小（GAP=3/3.5/4/4.5/5），調研30個客戶樣本點對分縫線平順性的滿意程度見圖5，整理客戶損失函數如圖4，橫坐標為GAP值，縱坐標為不滿意度（＜=6分），由圖可知：

（1）Gap小于3.5mm時，客戶對gap的不敏感，3.5mm與3.0mm gap均達到了100%的滿意度；

（2）Gap大于3.5mm時，隨著gap的增大，客戶不滿意度急劇上升；

因此，對客戶而言，Gap是一個理所應當質量，在分縫線優化過程中，Gap取3.5mm。

圖4 Gap大小及客戶滿意度調查

圖5 客戶滿意度調查原始數據

3 優化設計

DFSS是按照合理的設計流程，運用科學的方法準確理解和把握客戶需求，對新產品在低成本下實現6西格瑪質量水平，同時，使產品本身具有抵抗各種干擾能力，即使使用環境惡劣或操作不當，產品仍能滿足客戶需求[3]。本文采用DFSS的系統優化方法，圖6為本優化研究課題參數系統圖，在開門系統的優化中，控制因子為鉸鏈布置，噪音因子為GAP及flush的公差，潛在的癥狀為感知質量差、配合差、開門打翼子板易磨損，優化目標為消除癥狀的、分縫線平順的、穩健的系統。

圖6 車門分縫線參數系統圖

3.1 控制因子

圖7為本文研究的控制因子，基于某品牌三廂轎車的鉸鏈布置系統，建立以鉸鏈中心線為Z軸的坐標系：

X1為鉸鏈在前后方向上（X向）的布置位置，X1為正值時鉸鏈向后移動，X1為負值時鉸鏈向后移動，將鉸鏈前后各10mm移動作為該因子優化范圍；

X2為鉸鏈在內外方向上（Y向）的布置位置，X2為正值時鉸鏈向外側移動，X2為負值時鉸鏈向內側移動，將鉸里外各5mm移動量作為該因子優化范圍；

X3為鉸鏈在高度方向上（Z向）的布置位置，X3為正值時鉸鏈向上移動，X3為負值時鉸鏈向下移動，將鉸鏈上下各10mm移動量作為該因子優化范圍；

X4為鉸鏈前后方向傾角，是在側視圖上鉸鏈中心線與垂直方向的夾角，X4為正值時鉸鏈上端前傾，X4為負值時鉸鏈上端后傾，一般的，考慮開關門的便利性及下垂程度，鉸鏈的前后傾角各不超過5°，以此作為該因子優化范圍；

X5為鉸鏈里外方向傾角，是在前識圖上鉸鏈中心線與垂直方向的夾角，X5為正值時鉸鏈上端內傾，X5為負值時鉸鏈上端外傾，一般的，考慮到開門時門不要有往下掉的趨勢，鉸鏈的設計應該為內傾，因此將0到+5°作為該因子的優化范圍。

圖7 鉸鏈布置控制因子

3.2 噪音因子

噪音因子是系統在正常的工作期間變化的因子，而且我們不能夠控制這些因子；或者說我們寧愿不控制他們，因為這么做代價很昂貴。穩健性設計是DFSS的關鍵支撐技術，是考慮到設計參數公差控制成本，并減小設計系統對其響應損失的優化設計[4]。對于開門系統，門與翼子板之間GAP和Flush的公差是噪音因子，他們的上下偏差為±0.75，這個是由工藝水平決定的，不可避免，或者說改善這個公差需要花費非常高的代價。對于該系統，GAP及flush的下偏差，對于門的開閉是惡劣的情況，如圖8。本課題優化的其中一個目的，是設計一個穩健的系統，在不同的噪音因子水平情況下都能得到良好的相應輸出。

圖8 車門分縫線設計噪音因子

3.3 參數化模型

建立圖9車門分縫線設計參數化模型，位置1（強特征處）是在車門打開的時候分縫線最靠前的拐點，位于rearward limit位置；位置2（強特征消失處）是分縫線彎曲的消失點，位于frontward limit位置。當：

（1）rearward limit位于frontward limit前時，將生成彎曲分縫線；

（2）rearward limit位于frontward limit后時，可生成光順分縫線；

取rearward limit在frontward limit后30mm為響應值0點；rearward越靠后，響應值越小，越容易生成光順的分縫線。

圖9 車門分縫線設計參數化模型

3.4 正交優化

建立五個因子，三個水平的L18*望小正交列表，通過參數化模型分析Δ值，并計算S/N及Mean結果如圖10。

圖10 L18*正交列表

Mean為望小屬性，Mean越小，分縫線越平順；S/N為望大屬性，S/N越大，系統越穩健。整理各設計因子對系統影響如圖11：

圖11 各設計因子Mean及S/N分析

由圖11可得到如下推論：

（1）X1、X3：鉸鏈X、Z向位置對分縫線彎曲無較大影響，為不顯著因子；

（2）X2：鉸鏈Y向位置對分縫線彎曲影響較大，鉸鏈越靠外，分縫線越容易平順；

（3）X4：鉸鏈上端前傾越小，分縫線越容易平順；

（4）X5：鉸鏈上端內傾越小，分縫線越容易平順；

（5）最優化設計方案為：X2=10，X4=-5，X5=0，計算優化方案Δ值為-5.7mm。

圖12為優化前后的分縫線平順性對比，圖13左通過數模驗證了優化方案車門開啟過程中不打車身及相關結構，圖13右驗證了優化方案車門開啟過程中不打fender，優化方案為有效方案。

圖12 優化前后分縫線平順性對比

圖13 優化方案數模驗證

3.5 靈敏度分析

進一步的分析各因子對分縫線平順性的靈敏度如圖？得到結論如下：

（1）X1、X3鉸鏈前后及上下方向的位置對分縫線平順性的影響較小，不作為優化鉸鏈平順性的主要設計因子；

（2）X2鉸鏈中心線在里外方向的位置對分縫線平順性的影響較大，鉸鏈每向外移動1mm，分縫線平順性約可改善1.1mm；

（3）X4鉸鏈中心線上端向后傾1°，分縫線平順性改善約0.4mm；

（4）X5鉸鏈中心線向外傾1°，改善約1.5mm。

圖14 各設計因子對平順性靈敏度

4 結論

（1）通過優化鉸鏈布置，得到了滿足某三廂車強特征造型的車門開閉集成優化設計方案，該方案利用較低的開發成本及開發時間，得到了平順的分縫線，同時具備了較高的客戶感知質量。

（2）通過本文研究，得到了各設計因子對分縫線平順性影響因子如下：

1）鉸鏈前后及上下方向的位置對分縫線平順性的影響較小，不作為主要優化因子；

2）鉸鏈中心線在車輛里外方向的位置對分縫線平順性的影響較大，鉸鏈每向外移動1mm，分縫線平順性約可改善1.1mm；

3）鉸鏈中心線前后傾角對分縫線平順性影響較大，中心線上端向后傾1°，分縫線平順性改善約0.4mm；

4）鉸鏈中心線內外傾角對分縫線平順性影響較大，鉸鏈中心線向外傾1°，改善約1.5mm。