沈雁東,趙宇馨,劉禹呈

(泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201206)

0 引言

車(chē)門(mén)限位器是保持車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)位置的重要零部件，車(chē)門(mén)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，經(jīng)常由于限位器發(fā)出的“嘎嘎”異響聲，使消費(fèi)者感到難受，極大地影響消費(fèi)者的感知。橡膠彈簧類(lèi)限位器因?yàn)槠滟|(zhì)量輕、成本低、力值感知小，偏受亞洲消費(fèi)者喜愛(ài)，但同時(shí)由于它對(duì)環(huán)境灰塵比較敏感，因此其異響問(wèn)題比其他形式的限位器發(fā)生概率更高。本文作者針對(duì)某車(chē)型此類(lèi)限位器的異響問(wèn)題，通過(guò)六西格瑪設(shè)計(jì)(Design For Six Sigma，DFSS)，尋找針對(duì)灰塵影響最穩(wěn)健的限位器產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

1 異響機(jī)制討論

摩擦噪聲是由接觸界面的滑動(dòng)摩擦而發(fā)出的一種頻率和聲壓級(jí)都不規(guī)則變化的聲音[1]。車(chē)門(mén)限位器的工作原理如圖1所示，滑塊在限位臂上滑動(dòng),滑塊會(huì)停留在限位器的凹坑中,使得車(chē)門(mén)能夠停留在某些設(shè)定的打開(kāi)角度上，因此需要特別注意滑塊與限位臂的滑動(dòng)摩擦，防止產(chǎn)生噪聲。在摩擦噪聲領(lǐng)域，普遍認(rèn)同噪聲產(chǎn)生的機(jī)制為摩擦力-相對(duì)滑動(dòng)速度關(guān)系負(fù)斜率機(jī)制。當(dāng)摩擦力-相對(duì)滑動(dòng)速度的負(fù)斜率大于系統(tǒng)的阻尼時(shí)，摩擦力將對(duì)摩擦系統(tǒng)作正功從而引起系統(tǒng)的自激振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲[2]。然而，大量的限位器異響案例表明，無(wú)論操作限位器滑塊滑動(dòng)多快，或者多慢，都會(huì)有異響產(chǎn)生，而異響往往集中于限位器的某個(gè)部位反復(fù)發(fā)生，因此其異響不可能是摩擦力-相對(duì)滑動(dòng)速度關(guān)系的負(fù)斜率引起的。

圖1 限位器的滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)分解圖

在滑動(dòng)摩擦的研究中，另一種研究觀點(diǎn)表明，摩擦噪聲是由摩擦振動(dòng)引起的，而摩擦系統(tǒng)間具有波動(dòng)性的摩擦力激發(fā)了摩擦系統(tǒng)的振動(dòng)從而發(fā)出了噪聲，摩擦噪聲較大的時(shí)候，其摩擦力存在臺(tái)階變化[1-2]。此摩擦噪聲機(jī)制比較符合限位器發(fā)生異響的現(xiàn)象，可以解釋限位器發(fā)生異響的原因。

橡膠彈簧限位器由于其力學(xué)特性，導(dǎo)致滑塊與限位臂之間容易積累灰塵，導(dǎo)致局部摩擦力變大，容易產(chǎn)生異響。在實(shí)際情況下，其發(fā)生摩擦力變化以及灰塵堆積又與限位器自身的多個(gè)結(jié)構(gòu)有關(guān)，如滑塊/限位臂自身的材料與結(jié)構(gòu)，限位器的油質(zhì)特性等。因此需要消除此異響是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要通過(guò)1個(gè)或多個(gè)六西格瑪設(shè)計(jì)尋找最優(yōu)方案，提高產(chǎn)品的穩(wěn)健性。

2 六西格瑪設(shè)計(jì)

DFSS的根源出自系統(tǒng)工程,強(qiáng)調(diào)管理方面必須達(dá)到客戶(hù)的期望，能將整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程中，相關(guān)工具、方法流程與客戶(hù)需求做一系統(tǒng)化整合?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整可控的設(shè)計(jì)變量的名義值與優(yōu)化容變量間的差異性來(lái)提升產(chǎn)品質(zhì)量、滿足客戶(hù)期望。

DFSS可以在不增加成本的前提下，在提高前期設(shè)計(jì)質(zhì)量和降低使用成本方面發(fā)揮巨大功效。其導(dǎo)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(shè)計(jì)在新能源汽車(chē)電子開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用，Y Q LI等[4]介紹了DMADOV流程六西格瑪穩(wěn)健設(shè)計(jì)。與以上穩(wěn)健設(shè)計(jì)優(yōu)化的流程有所不同，本文作者采用IDDOV流程六西格瑪穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法[5]。

2.1 識(shí)別機(jī)會(huì)

在對(duì)某車(chē)型的新車(chē)售后調(diào)研(售后3個(gè)月內(nèi))中，關(guān)于車(chē)門(mén)限位器開(kāi)啟關(guān)閉異響問(wèn)題在制造月11～2月間比例較高。

對(duì)新車(chē)質(zhì)量高發(fā)的時(shí)間進(jìn)行深入調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生的時(shí)間與中國(guó)風(fēng)沙天氣的發(fā)生概率有很高的相關(guān)性，并且走訪問(wèn)題客戶(hù)，發(fā)現(xiàn)其限位器上灰塵明顯(見(jiàn)表1)。

表1 北方某城市沙塵暴月份及季節(jié)分布(1961～2015年)

針對(duì)出現(xiàn)異響的車(chē)門(mén)，對(duì)異響限位器進(jìn)行逐一分析(見(jiàn)圖2)，發(fā)現(xiàn)超過(guò)68%的限位器是由于限位臂上積累過(guò)量灰塵，在開(kāi)門(mén)或者關(guān)門(mén)過(guò)程中滑塊與限位臂粗糙表面劇烈摩擦，進(jìn)而產(chǎn)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(lèi)占比圖

基于以上分析，文中主要研究橡膠彈簧限位器針對(duì)灰塵的抗異響能力，將研究范圍設(shè)定在防塵墊、限位臂、滑塊和二者間的潤(rùn)滑油脂，即限位器的滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)部分。并且保持車(chē)門(mén)系統(tǒng)的其他零件和限位器的其他部位不變。

該DFSS項(xiàng)目交付物為尋找橡膠彈簧限位器的灰塵異響影響參數(shù)，開(kāi)發(fā)出抗灰塵異響性能優(yōu)異的橡膠彈簧限位器，消除失效車(chē)上的異響，同時(shí)任何更改不能對(duì)車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)舒適性和駕乘人員出入車(chē)輛方便性有減弱或不利影響。

2.2 定義要求

針對(duì)車(chē)門(mén)限位器的潛在更改部位，在零件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主機(jī)廠希望成本增加盡量小，質(zhì)量無(wú)明顯增加；在售后市場(chǎng)，希望結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又穩(wěn)定可靠，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)質(zhì)量抱怨；汽車(chē)用戶(hù)希望開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)無(wú)異響、過(guò)擋力適中和擋位感清晰。

針對(duì)現(xiàn)有限位器產(chǎn)品進(jìn)行灰塵添加操作實(shí)驗(yàn)，與客戶(hù)新車(chē)調(diào)研數(shù)據(jù)配合，可以得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際表現(xiàn)的匹配情況(見(jiàn)圖3)。通常期望的客戶(hù)滿意度PPH抱怨小于1。因此根據(jù)多個(gè)車(chē)型的實(shí)驗(yàn)與調(diào)研情況,限位器抗灰塵耐久次數(shù)目標(biāo)設(shè)定為大于180次。

圖3 限位器異響導(dǎo)致客戶(hù)損失函數(shù)曲線

在工程操作層面，以上各客戶(hù)要求對(duì)應(yīng)表2所示的工程指標(biāo)，滿足工程指標(biāo)即能滿足客戶(hù)要求。設(shè)計(jì)方案需同時(shí)滿足成本和質(zhì)量無(wú)明顯增加、零件穩(wěn)定性、開(kāi)關(guān)門(mén)無(wú)異響等要求。

表2 客戶(hù)要求與工程指標(biāo)

2.3 開(kāi)發(fā)概念

此DFSS項(xiàng)目以表2列舉的客戶(hù)要求和工程指標(biāo)作為開(kāi)發(fā)概念的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，研究方案選擇必須依據(jù)表2所述工程標(biāo)準(zhǔn)，滿足其客戶(hù)要求。對(duì)目前汽車(chē)市場(chǎng)上主流品牌車(chē)型的限位器結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有橡膠彈簧限位器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、油脂牌號(hào)和用量以及是否采用防塵墊。

此DFSS項(xiàng)目在保留現(xiàn)有限位器結(jié)構(gòu)方案基礎(chǔ)上，滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以歸納為影響客戶(hù)要求和工程指標(biāo)的7個(gè)控制因子，即滑塊材料、滑塊結(jié)構(gòu)、限位臂結(jié)構(gòu)、限位臂材料、油脂牌號(hào)、油脂用量以及是否采用防塵墊。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在限位器成本和質(zhì)量無(wú)明顯變化的前提下，為了涵蓋此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)意圖和需求，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外汽車(chē)行業(yè)內(nèi)橡膠彈簧限位器的對(duì)標(biāo)分析，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和專(zhuān)家會(huì)議討論決定：針對(duì)前述的7個(gè)控制因子，每個(gè)控制因子各設(shè)定2個(gè)水平，如表3所示。選取L8列表，采用標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)元素形成如表4所示的8個(gè)方案。

表3 控制因子策略

表4 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)實(shí)際情況中車(chē)身安裝支架存在位置偏差，設(shè)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(jiàn)表5。

DFSS方法用信噪比(S/N)作為系統(tǒng)的穩(wěn)健性指標(biāo)。田口博世認(rèn)為，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)S/N越大，在該參數(shù)水平下的產(chǎn)品功能越穩(wěn)健；產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)越穩(wěn)健，異響越不容易發(fā)生，故屬于望大特性[6]。望大特性就是不取負(fù)值,以無(wú)限大為理想值的計(jì)量值質(zhì)量特性,如: 產(chǎn)品的強(qiáng)度、壽命、放大率、功率等均是望大特性值。望大特性響應(yīng)信噪比公式為

式中：yi為響應(yīng)符號(hào)，即耐久次數(shù)[7]。

表5 噪聲因子方案

信噪比與噪聲因子方案見(jiàn)表6，因子信噪比與平均值點(diǎn)圖見(jiàn)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(diǎn)圖

從圖4所示的信噪比與平均值點(diǎn)圖中，可以發(fā)現(xiàn)方案A2B2C2D1E2F1G2為最佳方案,但是考慮成本及實(shí)際可操作性影響,原始狀態(tài)方案A1B1C1D1E1F1G1中S/N=31，Mean=39次，優(yōu)化方案A2B2C2D2E2F1G1，預(yù)估試驗(yàn)次數(shù)S/N=51.1，Mean=380次。實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示,得到實(shí)際實(shí)驗(yàn)S/N=51.5，Mean=375次。

表7 優(yōu)化方案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

(1)從文中研究的橡膠彈簧限位器結(jié)構(gòu)出發(fā)，影響其灰塵異響耐久穩(wěn)健性的關(guān)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(guān)鍵影響因素。但從其摩擦異響機(jī)制出發(fā)，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(dòng)相關(guān)的零件，包括結(jié)構(gòu)、油質(zhì)等同樣對(duì)其灰塵異響耐久性能存在影響，但相應(yīng)的影響水平相對(duì)較小，可以綜合考慮質(zhì)量、成本對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行選擇；

(3)文中研究的主要對(duì)象為橡膠類(lèi)限位器，其研究結(jié)論不一定適用于金屬?gòu)椈深?lèi)限位器，從現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)考慮，金屬?gòu)椈深?lèi)限位器自身對(duì)于灰塵的抵抗能力較好，未發(fā)現(xiàn)有研究的必要性。