汽車鉸鏈側門開關門力感知質量設計研究

朱建華，劉晶，蒙永種

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545000)

0 引言

隨著社會經濟的發展、人民生活水平的提高，消費者對汽車的要求越來越高；同時，由于國內主機廠數量眾多，市場漸趨于飽和，汽車市場的競爭越來越激烈。所以，各主機廠越來越重視提高汽車產品的質量和性能，進而提高汽車產品的競爭力。感知質量是汽車質量和性能的重要方面，現階段被越來越多的主機廠重視。而鉸鏈側門作為汽車上經常被顧客使用的重要的運動部件，其感知質量的好壞，很容易被顧客感受到，從而影響顧客對汽車品牌的印象。開關門力的感知質量是鉸鏈側門感知質量的關鍵部分，目前國產車的開關門力感知質量普遍較差，主要表現在開啟瞬間力大、擋位不清晰不順滑、擋位力不舒適、開關過程卡滯、關門速度大、車門難關等，無論從單一門的感知質量，還是整車四門感知質量一致性，都與國外大品牌車有較大差距，既缺乏評價標準，也缺乏設計方法。

通過對多個車型開關門力感知質量差問題的分析，本文作者定義了開關門力感知質量的研究范圍，開展了顧客感知質量調研，進行了影響因素分析，制定了開關門力感知質量的設計標準，提供了具體設計方案的建議等，為鉸鏈側門開關門力感知質量的設計提供了參考。

1 開關門力感知質量的研究范圍

文中所述的鉸鏈側門開關門力感知質量，是指顧客從拉動外開把手、側門被完全解鎖后開始、到將側門打開到最大、再將側門完全關閉的整個過程中力的感知質量，但不包括鎖系統的感知質量，如外開把手抓握感知質量、外開把手解鎖力感知質量等，也不包括聲品質感知質量，如關門聲品質感知質量、鎖系統聲品質感知質量等。

為準確把握顧客的感知質量要求，便于將顧客感知質量轉化為工程語言進行分析，本文作者將顧客開關門過程中，側門處于整車狀態下的位置重新定義，如圖1所示。

圖1 車門開啟位置示意

(1)車門全關位置，是指車門被完全關閉、門鎖處于二級時的位置。

(2)車門關閉瞬間位置，是指靠近鎖扣處，車門外板最外邊緣開啟55 mm的位置，如圖2所示，此位置的定義與關門速度測量儀結構有關(圖3所示為關門速度測量儀示意圖)，目的是與質量部的評價標準統一，此時車門開啟角度約2.7°。

圖2 關門速度測量方法示意

圖3 關門速度測量儀

(3)車門次一擋位置，是指車門開啟到達一擋位置之前，車門限位器滑塊處于拉桿的坡峰位置，從限位器力矩曲線圖上看，此時力矩接近0，如圖4所示，此時車門開啟角度約18°。

圖4 限位器次一擋位置示意

(4)車門全開位置，是指車門開啟到最大角度的位置，此時限位器處于最大擋限位位置。

根據上文車門位置定義，同時結合顧客反饋的開關門力感知質量問題，將研究分成三部分：從車門全關位置，打開到車門全開位置，再關閉到車門次一擋位置，作為擋位力感知質量研究范圍；從車門次一擋位置關閉到車門全關位置，作為關閉力感知質量研究范圍；從車門關閉瞬間位置關閉到車門全關位置，作為關門速度感知質量研究范圍。擋位力感知質量用于描述外開把手處的力的感知質量，包括擋位是否清晰、是否順滑、是否卡滯、力值是否合適等，主機廠有用過擋位的力來描述的，也有用外開把手處力曲線來描述的。前者指標簡單，不能完全描述這個過程的感知質量，本文作者采用后者。關閉力感知質量用于描述車門在即將關閉時，是否好關閉的感知質量，本文作者采用顧客施加的能量來描述。關門速度感知質量用關門速度來描述，但它并不直接描述顧客的感知質量，主要代表了側門系統在關門瞬間的耗能，但由于關門速度測量方便，所以質量部將此作為日常質量監控的指標，甚至有主機廠將它寫入整車技術參數，所以本文作者保留了這個參數。

2 開關門力感知質量的設計方法和設計標準

2.1 顧客感知質量調研

顧客的主觀感受是開關門力感知質量研究的最根本目的和最高評價指標，所以直面顧客的感知質量調研就非常有必要[1]。顧客感知質量調研是一個復雜的系統工程，考慮到現實可行性，本文作者制訂了一種簡化的顧客感知質量調研：

(1)調研對象的選擇。從身邊的同事中挑選，至少應該考慮到男女性別差異、身高體重差異、年齡差異等。

(2)調研車型的選擇。從市場上主流且公認質量好的車型中挑選，至少應該考慮到車型類型差異、車型定位差異等。

(3)調研過程的制訂。為提高調研數據的準確性，需要做多輪調研并做復現性分析，并對顧客進行簡單培訓，使他們對開關門感知質量有基本認識。

根據上文的原則，編制《開關門感知質量調研表》，包知顧客基本信息、總分值、提示性選項和主觀感受描述等。通過顧客感知質量調研，按車型的類型、目標顧客群劃分，將顧客評分和滿意度較高的車型作為目標車型，再測量這些車型的外開把手處力曲線、關門速度，可將兩者作為開關門感知質量設計的目標值(設計時，具體車型可做微調)。

圖5為某目標車型的外開把手處力曲線(3個擋位)。

圖5 某目標車型的外開把手處力曲線

對這些目標車型進行對比分析，結合實際造車經驗，得出如下設計標準：

開門過程：

(1)開啟3°以內，外開把手處力值不大于20 N；

(2)外開把手處，一擋過擋力為(38±5) N、二擋過擋力為(40±5) N、三擋過擋力為(40±5) N；

(3)過擋能量(從限位器滑塊開始進入限位器拉桿的坡谷開始，到滑塊剛到達坡峰結束，人手在外開把手處施的能量)不大于1.5 J。

關門過程：

(1)外開把手處，一擋過擋力為(40±5) N、二擋過擋力為(40±5) N、三擋過擋力為(38±5) N；

(2)過擋能量不大于1.0 J。

2.2 影響因素分析及設計標準

擋位力感知質量影響因素包括限位器力矩曲線、由側門鉸鏈傾角引起的重力矩曲線，此二者的疊加，等于外開把手處的力矩曲線。所以，通過顧客調研或對標，獲得想要的外開把手處的力矩曲線，側門結構數模出來后，獲得重力矩曲線，最后可求得限位器力矩曲線。

限位器力矩曲線可通過設計拉桿形狀來獲得，且與限位器的形式有關(彈簧形式、滑塊與拉桿配合形式、滑塊和拉桿的材料)。重力矩曲線與鉸鏈內傾角α、鉸鏈后傾角β、車門質心旋轉半徑R、車門質心初始特性角δ、質量m有關。

如圖6所示，重力矩Tr的計算方法如下：

Tr(θ)=sin(θ+δ)×R×sin[arccos(cosα×cosβ)]×m×g

其中：θ為車門開啟角度。

圖6 重力矩計算方法參考

對擋位力感知質量而言，車門的設計(鉸鏈傾角等)無需作特殊要求。

圖7為某車型的重力矩Tr曲線，其中α=3°，β=0，δ=97.13°，R=487.26 mm，m=34.75 kg。

通過圖5所示的外開把手處力矩曲線和圖7所示的重力矩曲線，求得某車型的限位器力矩Tc曲線，如圖8所示。

限位器的設計，一般要求如下：

(1)各擋過擋力與重力矩疊加后，應符合外開把手處的過擋力要求；

(2)車門次一擋位置儲能不小于1.5 J；

(3)滑塊和拉桿包塑應具有自潤滑性；

(4)優先考慮金屬彈簧，其次考慮橡膠彈簧；

(5)優先考慮塑料球頭滑塊，其次考慮塑料線性滑塊和金屬球頭滑塊。

圖7 某車型重力矩曲線

圖8 某車型限位器力矩曲線

綜上，外開把手處力操作力F的計算公式如下：

F=[Tr(θ)+Tc(θ)]/L

其中：L為鉸鏈軸線到外開把手施力點的距離。

關門力和關門速度感知質量的影響因素包括整車氣阻能量Eab、主密封條能量Ep、次密封條能量Es、密封間氣阻能量Esa、車門重力能量Er、限位器能量Ec、鉸鏈能量Eh、鎖系統能量Ela(數值為正代表耗能，數據為負代表助能)。各部分能量占比如表1、表2所示。

表1 各部分能量占比(一) %

表2 各部分能量占比(二) %

通過表1—表2可知：在關門瞬間，整車氣阻和主密封條能量占比很高，是主要影響因素，同時，系統的助能很少，所以它基本代表了側門系統的耗能，所以測量關門速度，可反映側門系統的耗能值，同時，增加車門重力儲能和限位器儲能，對降低關門速度意義不大；在次一擋位置時，車門重力和限位器的助能占比較多，所以可以通過增加車門重力儲能和限位器儲能，來降低顧客的關門施加能量。

在前期設計時，可通過計算各部分的能量值[2-3]，來計算顧客施加能量值和關門速度，計算公式如下：

Ek=Eab+Ep+Es+Esa+Er+Ec+Eh+Ela

其中：Ek為顧客關門時的施加能量；Er、Ec、Eh為關門次一擋位置的能量值。

Et=Eab+Ep+Es+Esa+Er+Ec+Eh+Ela

其中：Et為總能量值；Er、Ec、Eh為關門瞬間位置的能量值;v為關門速度；J為車門總成的轉動慣量；L為關門速度測量點到鉸鏈的距離。

結合顧客感知質量調研的結果和以往車型開發經驗：

(1)當Ek≤1 J時，顧客非常滿意；當1 J

(2)當Et≤3 J時，系統耗能狀態好；當3 J

(3)當v≤0.9 m/s時，顧客滿意；當0.9 m/s

關門能量的影響因素[4-5]詳細分析和一般設計標準如下：

(1)整車氣阻能量的影響因素包括：整車氣體泄漏量、車門迎風面積、整車容積和關門速度；其中車門迎風面積和整車容積難以改變，一般由造型決定；關門速度越大，整車氣阻耗能越大，它們相互影響。整車氣體泄漏量包括可控泄漏量和不可控泄漏量，其中不可控泄漏量由白車身的制造精度決定，可控泄漏量由設計決定，通過改變泄壓閥的泄漏面積實現。為保證整車氣阻能量在一個合理范圍，一般要求整車氣體泄漏量不小于7.079 2 m3/min(此值可作為質量的日常監控項)，此時，泄壓閥的泄漏面積一般不小于2 300 mm2。

(2)密封膠條能量的影響因素包括：壓縮負荷CLD、壓縮量、長度、漏氣孔分布和壓縮空間。CLD的一般要求為H0:2.0～4.0 N/100 mm，可通過調整膠條的材料、壁厚和減力槽而改變。壓縮量一般要求：門側膠條5.0～6.0 mm，車身側膠條1.5～3.0 mm。漏氣孔一般要求(φ3.0±0.5) mm、間距100 mm均布。壓縮空間需要進行CAE分析，保證整個膠條變形過程具有足夠的空間。

(3)車門重力能量的影響因素包括：門總質量、質心抬升量和質心半徑。其中門總質量和質心半徑難以改變；質心抬升量由鉸鏈傾角決定，一般設計要求鉸鏈內傾角0～3.0°、鉸鏈后傾角為±3.0°。

(4)限位器能量主要由限位器的拉桿形狀決定，一般金屬彈簧限位器次一擋儲能可達1.8 J，橡膠彈簧限位器次一擋儲能幾乎為0，設計時可根據需要選型。

(5)鉸鏈能量由鉸鏈的轉動扭矩決定，一般設計要求轉動扭矩0.5～1.0 N·m。

(6)門鎖的能量由入鎖力決定，一般設計要求一級入鎖力小于25 N、二級入鎖力小于65 N。

3 實施及驗證

以圖5所示外開把手處力矩曲線為目標，以圖8求得的限位器力矩曲線輸出給供應商設計，以表2所述標準設計相關結構。

在項目造車階段：

(1)嚴格監控白車身制造精度(特別是內間隙)、密封膠條截面尺寸和CLD、整車空氣泄漏量。

(2)在整車狀態比較穩定時，測量5臺車的外開把手處的力曲線，并與目標曲線對比，計算差值，最后以計算的差值為基準，調整限位器力矩曲線，一般需要調整1～2輪。

量產后的測量結果：

(1)測量5臺車的四門外開把手處力曲線，與目標曲線相比，精度可達到±5 N。

(2)測量和計算關門能量，得到在車門次一擋位置，顧客關門施加的平均能量為0.57 J。

(3)測量10臺車的四門關門速度，平均速度為：左前門0.71 m/s、右前門0.79 m/s、左后門0.85 m/s、右后門0.89 m/s。

4 總結

(1)通過顧客感知質量調研、參考車相關數據測量，結合以往車型開發的設計經驗和相關文獻資料，提出了一種開關門力感知質量的設計方法，包括具體的設計參數和標準。

(2)目前關門能量的計算精度不高，特別是整車氣阻的能量，導致顧客次一擋關門能量計算和關門速度預測精度差，是未來需要改進的地方。

(3)對于外開把手處力曲線，應根據不同車型、不同顧客群制定不同的標準，并建立數據庫。