车门玻璃升降扭矩与车身尺寸偏差关系分析

敬 园，程 铭，林永亮，叶 刚，仲路路，王 丰

车门玻璃升降扭矩与车身尺寸偏差关系分析

敬 园，程 铭，林永亮，叶 刚，仲路路，王 丰

（上海蔚来汽车有限公司，上海 201805）

论文研究flush door车门结构玻璃升降系统对于车门钣金公差的兼容性和敏感度，同时也为探索车门钣金公差的各个输入因子与玻璃升降力矩和面差之间的关系，以及极限公差下的力矩和面差值。基于试验设计中响应曲面的分析方法，在独立开发的夹具上调整输入因子的值和测量对应的输出数据，对相关的车门钣金尺寸因子和玻璃升降力矩之间的关系进行分析。得出结论，在该系统中，车门预弯量对玻璃升降力矩的影响较小，腰线开口的公差对玻璃升降力矩影响最大。同时也验证出适合于该系统的钣金公差范围，以及各个输入因子和输出结果之间的关系式，为后续同类结构的开发提供了理论基础。

试验设计；Flush door；可调夹具；车门预弯

1 实验背景

Flush door 车门结构（图1），由于具有外观简洁、低风阻、低能耗的优势，在新开发车型中应用越来越广泛。

图1 车门外观对比

Flush door车门结构简图如图2所示，玻璃在A柱受2个方向的约束力，B柱受4个方向约束力。玻璃升降时由于A柱和B柱所受约束力不平衡，容易卡住。

图2 Flush door车门结构

传统车门结构简图如图3所示，玻璃在前后导轨都受3个方向的约束力，前后方向的约束力放开[1]。

图3 传统车门结构

同时由于flush door 结构与普通有框门结构（图3）对玻璃前后导轨的约束不对称，玻璃升降对车身的尺寸精度比较敏感，尺寸偏差大时玻璃可能在运动中被卡住[2-3]。

试验设计（Design of Experiment, DOE）方法是优化多因子相关的复杂设计的科学方法。本文采用响应曲面法（Response Surface Method, RSM）DOE方法，通过对Flush door车门结构中玻璃升降系统的分析发现，向的尺寸变动对玻璃升降影响最显著，选取了4个相关性最大的车门钣金尺寸因子，包括：1）车门门框预弯量（图4），下文用1表示，DOE测试范围：-1～2 mm；2）玻璃导轨安装面（图5），下文用2表示，DOE测试范围：-2.0～2 mm；3）玻璃上亮条安装面（图6），下文用3表示，DOE测试范围：-1.5～1.5 mm；4）内外水切夹持面宽度（图7），下文用4表示，DOE测试范围：-3.0～3.0 mm[4]。

图4 车门门框预弯量

图5 玻璃导轨安装面

图6 玻璃上亮条安装面

图7 内外水切夹持面宽度

图8 可调的车门钣金夹具

根据选取的车身尺寸因子，开发可调的车门钣金夹具（图8），用于玻璃升降的DOE试验。

2 实验计划

2.1 实验目的

本实验目的是通过对车身尺寸因子的精准控制，测量每种因子极限状态的排列组合下玻璃上升扭矩的峰值，同时检测玻璃到外饰件的平均面差。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都满足各自公差范围的条件下，求出各个车身尺寸因子的公差范围。

2.2 实验方法

1.玻璃上升扭矩峰值测量

实验通过扭力扳手手动控制玻璃升降器的齿轮，为玻璃升降提供动力，同时读出玻璃在上升过程中的扭力峰值。

2.玻璃周边面差测量

用数字显示的面差表测量玻璃到前三角窗和到B柱外饰板的面差，共8个点，如图9所示，测量后取绝对值的平均值作为面差的整体表现。

图9 前门面差测点

3.车门钣金状态的调整

车门钣金的不同状态是通过调整可调夹具来实现的。1调整是通过可调夹具绕某一给定的轴线旋转，并控制某一指定点的向移动量来实现。2、3和4的向调整，都通过可调夹具在安装面加装不同厚度的垫片来实现按指定的尺寸偏差来调整。

2.3 DOE实验方案

如前述分析，DOE实验里有4个因子，每个因子有2个level，每种组合对应2个响应。全因子实验有24组合，对应16组实验。通过对玻璃升降系统的分析，有可能在某些因子的2个level的中间值出现极值，即出现弯曲[5-6]。故再增加4个中心点，以检测弯曲。另外升降系统中还存在密封条老化的问题，故再增加一轮重复的实验，这样按顺序测量每种组合都能测到两个数值，即老化前后的数值，以尽量降低老化的影响[7-8]。

综合上述分析，初步的实验方案是测量（16+ 4）×2=40组实验。对40组实验结果分析，扭矩峰值和面差这两个响应都存在弯曲。因此，实验中引入RSM方法，考虑序贯性，可调夹具可测量范围对应的成本，采用中心复合表面设计（Central Composite Face-centered Design, CCF）的方法安排实验，共计60组实验[9-10]。实验和测量结果如表１所示。

表1 实验和测量结果

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 实验结果

3.1 实验结果分析

3.1.1峰值扭矩结果分析

分析结果表明，4个影响因子中对1影响显著的是2、3和4这3个因子。每2个因子在另一个因子取中值时与1的关系如图10－图12所示。

关系式：

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

0.0342-0.0434（1）

则标准误差=0.105，-sq=71.6%，-sq(adj)= 68.4%。

考虑DOE实验中所测量的尺寸偏差范围远大于现实中可以实现的公差，因此，不必在实验中爬坡找到“顶”或“底”。目前实验测量范围可以满足指导工程设置公差的需要。因为目前门钣金总成公差要求已经小于实验测量范围；另外根据以往项目公差经验数据来看，DOE测量范围已经大于所有项目总成公差。

图10 Y1与因子f3和f4关系图像

图11 Y1与因子f2和f4关系图像

图12 Y1与因子f2和f3关系图像

3.1.2玻璃面差结果分析

分析结果表明，4个影响因子中对2影响显著的是2，3和4这3个因子。每2个因子在另一个因子取中值时与2的关系如图13－图15所示。

图13 Y2与因子f3和f4关系图像

图14 Y2与因子f2和f4关系图像

图15 Y2与因子f2和f3关系图像

关系式：

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

0.00442-0.00732（2）

则标准误差=0.017，-sq=87.5%，-sq(adj)= 83.9%。

与峰值扭矩同理，目前实验测量范围可以满足指导工程设置公差的需要。

3.2 实验结果验证

利用上述公式，在DOE模型中预测一些典型的1和2值，和这些值对应的2、3、4因子的状态。在可调夹具上调出各个因子的状态，再测量各因子组合状态下1和2值，最后与预测值比较来验证DOE模型的准确性。验证结果如表2所示。

表2 DOE分析值验证

序号f4/mmf3/mmf2/mm实测值预测值 Y1/(Nm)Y2/mm 13–1.504.9 Y1最小值4.79 Nm，置信区间(4.58,4.99)，预测区间(4.08,5.49) 2–3–1.5–2 0.47Y2最小值0.45 mm，置信区间(0.41,0.48)，预测区间(0.36,0.53) 33–1.5–1.55.00.54同时优化Y1和Y2，都取最小值。Y1最小值4.94 Nm，置信区间(4.71,5.16)，预测区间(4.23,5.65)；Y2最小值0.54 mm，置信区间(0.52,0.57)，预测区间(0.46,0.63)

所有实测值都在置信区间的范围内，说明DOE模型的公式是可以比较准确的预测1和2的值。

3.3 实验结果应用

根据DOE模型中的公式，验证1和2在临界值时，2、3和4允许的最大尺寸偏差，进而逐步缩小车身尺寸的公差范围。可初步确定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，观察随着尺寸偏差的变化，1和2的变化趋势，同时验证1和2是否超出临界值。以0.1 mm为步距，逐渐增加2、3和4的公差值，形成15×15×21=4 725种排列组合，并计算每种排列下1和2的值，如图16所示。

筛选所有数值，1最大值5.71 Nm，2最大值0.63 mm，都没有超出要求的范围。公式中1的（σ）=0.105 ，预留单边3σ的余量后刚好约等于6 Nm，即在上述给定的2、3和4的公差下，1先达到临界值，上述公差为允许的最大公差。

3.4 实验结论

通过观察图16的每张图片里左上角和右下角的深色区域的随着玻璃导轨安装面，玻璃上亮条安装面和内外水切夹持面宽度的公差变化可以发现玻璃上升扭矩的峰值和玻璃平均面差的分布规律。

玻璃上升扭矩的峰值受内外水切夹持面宽度的影响最显著，影响趋势为内外水切夹持面宽度越大，玻璃上亮条安装面越偏车外方向，玻璃导轨安装面越偏车内方向，玻璃上升扭矩的峰值越小，且按上述方向调整出较小的玻璃上升扭矩的峰值的概率越大。

图16 Y1与Y2分布图

玻璃平均面差受玻璃导轨安装面的影响最显著，影响趋势为玻璃导轨安装面越偏车外方向，玻璃上亮条安装面越偏车内方向，内外水切夹持面宽度越小，玻璃平均面差越小，且按上述方向调整出较小的玻璃平均面差的概率越大。

车门门框预弯量在-1～2 mm之间时对玻璃上升扭矩的峰值和玻璃平均面差的影响不显著，可以忽略。设计上可以接受2 mm以内的预弯。

4 结束语

本文通过对车身新结构的分析，找出系统中可能存在问题的关键参数，并确定与其相关的输入因子。筛选并确定可控的因子数量和水平，基于DOE响应曲面的方法制定实验计划，并为验证独立开发可调夹具。最终通过实验结果分析确定了车身尺寸的公差范围，以及关键参数的分布规律，为后续项目应用提供理论基础。

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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

敬园（1982－），男，高级工程师，研究方向为车身开闭件，E-mail:randy.jing@nio.com。