隱藏式外開手柄聲音品質提升研究

羅勝東　亓歡寧　謝崇早

關鍵詞：隱藏式外開手柄；聲音品質；異響

中圖分類號： U463.85+4 文獻標識碼：A

0 引言

作為汽車智能化和電動化的重要標志，隱藏式外開手柄集機械化和電氣化控制于一身，造型新穎，結構精巧，為新能源車帶來耳目一新的外觀視覺感受。外開手柄在車輛行駛時自動收縮隱藏，降低了整車風阻，同時為提高整車續(xù)航能力提供了可能；車輛停止車門解鎖時手柄自動伸出，為用戶抓握手柄和開啟車門提供了便利。

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及人們對汽車品質和舒適性的要求不斷提高，汽車噪聲水平的高低與聲音品質的優(yōu)劣，將直接影響人們對汽車的購買選擇。外開手柄是人們進入駕駛艙前首先操作的汽車零部件，也是車門上使用頻率最高、用戶感受最多的一個零部件[1]。因此，隱藏式外開手柄操作舒適性的優(yōu)劣，直接影響到人們對汽車的整體感受。

本文根據(jù)隱藏式外開手柄的結構及工作原理，從3 個方面對外開手柄進行結構分析及優(yōu)化，結合最終實際效果進行論述。該研究為提升隱藏式外開手柄聲音品質提供了參考依據(jù)。

1 隱藏式外開手柄工作原理及聲學解析

1.1 隱藏式外開手柄工作原理

平推式隱藏外開手柄由執(zhí)行器、四連桿機構及外手柄組成。系統(tǒng)通過執(zhí)行器驅動，配合四連桿運動機構，把手柄體從隱藏位置推出到與門鈑金平行位置。該運動模型共定義了5 個連桿、6個運動副和2 個約束（圖1）。當操作外開手柄時，系統(tǒng)通過執(zhí)行器伸出的滑塊運動，推動連桿1 直線運動，連桿1 推動連桿2 運動。連桿2 分別與連桿3 和連桿4 連接，實現(xiàn)旋轉運動，各連接處為旋轉副；連桿5 分別與連桿3 和連桿4 連接，各連接處為旋轉副。

連桿3 的右端與殼體通過滑槽進行約束。

當外開手柄工作時，執(zhí)行器電機高速轉動，內部齒輪運轉，連桿各連接處旋轉副旋轉摩擦，手柄回位對殼體緩沖墊的沖擊，以及四連桿與上下外殼摩擦運動，這些運動過程中產生的聲音，共同構成并影響隱藏式外開手柄運行的聲音品質。

1.2 聲學相關解析

要提升外開手柄聲音品質，首先要了解聲學的基礎知識。聲音信號是包含許多頻率的諧波所組成的一種復合音，它的頻率范圍從16 Hz 到20 000 Hz。人耳的聽覺系統(tǒng)對于復音的察覺非常敏感，因此具備出色的頻率分辨能力。2 個頻率相差懸殊的聲音同時播放時，人耳是可以將它們區(qū)別開的。聲音的物理屬性一般采用音調、音色以及聲音強度來衡量，同樣，也可以選擇相應的參數(shù)來描述聲音給人帶來的主觀感受。

對聲音，常用到的評價參數(shù)有響度（Loudness）、粗糙度（Roughness）以及尖銳度（Sharpness）等。響度指的是聲音的大小、強弱，它是人對聲音大小的一個主觀感覺量。粗糙度是用于描述調制頻率在20 ～ 300 Hz 的聲音。尖銳度是指聲音中的高頻成分給人的感受值，和噪聲頻譜的結構有直接關系。使人產生不愉快的影響因素里，尖銳度是最主要的因素。尖銳度描述的是與聲音頻率成分有關但與聲音響度無關的感覺，它反映的是聲音尖銳、頻率高以及讓人不舒服的感覺程度，它是聲音中的高頻能量與總能量之比。

聲音品質的好壞需要經過評價將其具體量化，評價方法主要有主觀評價和客觀評價。主觀評價以人為主體，配合聽審團評價的方式進行。常用的評價方法有排序法、評分法、 成對比較法和語義細分法。此外，日本大阪大學提出的選擇描述法在聲音品質的評價中也有應用。在實際應用中，又通常將這幾種方法結合起來使用。無論是從聲學還是從聽覺感知的角度來看，聲音都具有多維度特點，而且不是所有可能的維度都有物理的或心理的特征描繪。

另外，人的主觀因素也會對人耳感知聲音的過程產生影響，人的心理、生理狀態(tài)不同，產生的反應也會有所差別。

客觀評價方法，即利用客觀物理量作為評價的依據(jù)，使用儀器進行評價，主要方法有時頻分析技術、客觀參數(shù)回歸分析技術和神經網絡技術。盡管聲音品質的客觀評價方法獲得長足的發(fā)展，評價的效率得以提高，但聲音品質的客觀評價仍然不能完全代替主觀評價，主觀評價的結果才是對聲音品質的真實反映。

但主觀評價也存在很多缺點。受主觀因素影響，其一致性和重復性較差，成本和時間的代價較高。有時主觀評價數(shù)據(jù)對于故障的診斷和解決沒有任何直接的益處，進而失去其評價的意義。因此，主觀評價和客觀評價應相互結合，基于主觀評價結果提出實用性強的客觀評價方法，并利用主觀評價對客觀評價結果的準確性進行充分驗證，才是最科學和有效的方法。

1.3 何為異響

異響是指在外力的作用下，兩個或多個相鄰部件之間表面產生了摩擦或者撞擊而引起的聲音。影響異響的因素包括材料特征和結構特征。材料特征有摩擦特性、受沖擊特性、溫度和濕度特性等。結構特征包括發(fā)生異響部件的結構動態(tài)特征、接觸點的動剛度、沖擊力或摩擦力等特征。因此異響不僅是聲學問題，還是非常復雜的非線性動力學問題。在汽車領域，各系統(tǒng)振動敲擊所發(fā)出的聲音統(tǒng)稱為異響。

2 隱藏式外開手柄聲音品質影響因素

隱藏式外開手柄聲音品質的好壞與驅動執(zhí)行器、手柄回位力和運動摩擦等方面有緊密聯(lián)系。

2.1 執(zhí)行器運行異響

驅動執(zhí)行器是整個隱藏式外開手柄運行的動力來源，為主要核心部件。在執(zhí)行器滑塊推出的過程中，執(zhí)行器內部齒輪高速運轉，電機運行過程中噪聲及振動異響直接影響了整個手柄的聲音品質。因此，驅動執(zhí)行器運行聲音品質對手柄功能實現(xiàn)過程的聲音品質貢獻值較大。

要控制好隱藏式外開手柄聲音品質，首先要從執(zhí)行器電機和內部傳動齒輪選型及其之間的匹配參數(shù)著手開發(fā)設計。

2.2 手柄回位異響

手柄展開后，回位彈簧初始力與開啟位置力之間的差值大，是導致手柄回位異響的最主要因素?；匚粡椈沙跏剂εc開啟位置力差值大時，手柄復位加速度大，手柄回位時對殼體緩沖墊的沖擊越大[2]，產生的聲音就越大。因此，在滿足設計要求條件下，有效減少回位彈簧初始力與開啟位置力之間的差值，可降低手柄回位異響，提升聲音品質。

2.3 摩擦異響

隱藏式外開手柄由隱藏位置推出到開啟位置過程中，四連桿與上下外殼存在滑動摩擦運動，易產生摩擦異響。同時，四連桿的運動穩(wěn)定性也是關鍵因素。由于制造及裝配誤差，連桿機構在運動時并非與上下外殼完全平行，運動中與理想狀態(tài)存在偏差導致與外殼產生摩擦異響。

3 聲音品質提升解決方案

3.1 執(zhí)行器異響解決方案

3.1.1 執(zhí)行器傳動系設計

執(zhí)行器滑塊要獲得足夠大的動力輸出，取決于齒輪傳動輸入與輸出的傳動比。執(zhí)行器傳動機構如考慮用齒輪傳動，每一級傳動比通常設計在1 ：3 左右。同時，因為需要多級齒輪并行，每級齒輪都會存在一定的回差，多級傳動意味著回差也逐級加大，因此齒輪間傳遞動力的過程中，產生的撞擊摩擦也會相應增多。渦輪蝸桿傳動一般每級傳動比可達到1：20 以上，考慮空間布置，兩級渦輪蝸桿傳動即可滿足要求。渦輪蝸桿傳動空間結構緊湊，在傳遞動力過程中產生的撞擊摩擦也會相應較少，對整體機構的噪聲控制有一定優(yōu)勢[3]。

3.1.2 渦輪蝸桿機構品質提升優(yōu)化

執(zhí)行器通過渦輪蝸桿機構將電機旋轉運動轉化為推動手柄開啟的直線運動，渦輪蝸桿之間的傳動噪聲控制是重點關注對象。經前期造車驗證，執(zhí)行器內部渦輪蝸桿表面粗糙度及潤滑油脂的選用對聲音品質控制有顯著影響，執(zhí)行器在底座上的安裝牢固度也有一定影響。對執(zhí)行器齒輪模具進行鏡面拋光，同時選用粘度系數(shù)高、降噪效果好的潤滑油脂，并且在執(zhí)行器與底座周圈匹配增加吸音材料后，最高降噪可達34%（圖2）。

3.2 回位異響解決方案

3.2.1 影響敲擊異響的因素及分析

產生敲擊異響的因素與結構設計有重要關聯(lián)。結構設計包括車身的整體剛度和模態(tài)、部件的局部剛度和模態(tài)以及部件的變形量控制等。當整體剛度和局部剛度不足時，整個部件結構容易被激勵而產生敲擊異響。部件碰撞是否會產生異響，同時還與部件間材料的差異有關。堅硬物體與堅硬物體之間碰撞會發(fā)出敲擊聲，但是堅硬物體與柔軟的橡膠件之間碰撞可能沒有聲音。因此，部件之間的材料類別匹配對于撞擊異響的控制非常關鍵。

3.2.2 手柄連桿及相關機構優(yōu)化

手動拉動和釋放手柄回位的過程中，依靠的是連桿3 帶動拉線轉臂相對運動。扭簧設計在拉線轉臂的內部，扭矩既保證開啟力在設計要求范圍內，同時也保證手柄克服摩擦力正常回位。在手柄開啟到最大位置和初始位置均設計有緩沖結構，以減小碰撞聲音。連桿2 和連桿4 之間設計有阻尼器（圖3），可減小拉動和釋放手柄的速度，降低回位聲響。

3.3 摩擦異響解決方案

2 個相互接觸的物體在外力作用下，從靜止狀態(tài)到相對運動狀態(tài)，會經歷3 個階段，期間都會產生較尖銳的聲音。第一階段是在靜止狀態(tài)下，兩個接觸表面存在摩擦黏滑（slip-stick） 效應，從而產生較尖銳的聲音；第二階段是物體產生相対運動而發(fā)生自激振動并產生聲音；第三階段是當運動部件的2 個或多個固有頻率接近時，摩擦力能激起部件的耦合振動，從而發(fā)出更為尖銳的復合音[4]。

手柄機構在運動過程中，部件之間的接觸摩擦而產生的聲音尤為突出。對此，通常的措施是在部件之間增加潤滑，采用液態(tài)潤滑油或糕狀潤滑脂在摩擦表面間形成各種油膜。按不同的摩擦表面，可采用不同的潤滑油，都可獲得不同的摩擦系數(shù)[5]。相比之下各部件間的摩擦系數(shù)都會有較大程度的降低，對噪聲的控制有巨大的幫助。

執(zhí)行器通過連桿1 推動連桿2 旋轉位移，連桿2 設有扭簧，在手柄頂出和回位過程中逐漸壓縮和釋放扭簧，始終保持連桿1的滑塊與連桿2 緊密滑動。連桿2 與外殼實施面接觸，在接觸面設置有儲油槽（圖4），可長效實現(xiàn)潤滑。同時設定滑塊和油槽表面粗糙度小于Ra1.6，可以減小頂出和回位過程中產生的噪聲。

4 結束語

本文通過對隱藏式外開手柄聲音品質影響因素的深入研究，分析出產品產生異響音源的執(zhí)行器、手柄回位機構和摩擦三大因素，并有針對性地提出產品開發(fā)時的優(yōu)化結構設計方案，將異響問題規(guī)避。經過多輪實車造車驗證，隱藏式外開手柄結構優(yōu)化后聲音品質改善明顯，手柄耐久度及強度均無影響，操作聲音品質感與對標車基本持平。整體聲音品質提升措施對后續(xù)車型隱藏式外開手柄開發(fā)有一定的借鑒及指導意義。

作者簡介：

羅勝東，本科，工程師，研究方向為車門附件。

亓歡寧，本科，高級工程師，研究方向為車門附件。

謝崇早，本科，工程師，研究方向為車門附件。