隐藏式外开手柄声音品质提升研究

罗胜东、亓欢宁、谢崇早

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

作为汽车智能化和电动化的重要标志，隐藏式外开手柄集机械化和电气化控制于一身，造型新颖，结构精巧，为新能源车带来耳目一新的外观视觉感受。外开手柄在车辆行驶时自动收缩隐藏，降低了整车风阻，同时为提高整车续航能力提供了可能；车辆停止车门解锁时手柄自动伸出，为用户抓握手柄和开启车门提供了便利。

随着汽车工业的快速发展以及人们对汽车品质和舒适性的要求不断提高，汽车噪声水平的高低与声音品质的优劣，将直接影响人们对汽车的购买选择。外开手柄是人们进入驾驶舱前首先操作的汽车零部件，也是车门上使用频率最高、用户感受最多的一个零部件[1]。因此，隐藏式外开手柄操作舒适性的优劣，直接影响到人们对汽车的整体感受。

本文根据隐藏式外开手柄的结构及工作原理，从3 个方面对外开手柄进行结构分析及优化，结合最终实际效果进行论述。该研究为提升隐藏式外开手柄声音品质提供了参考依据。

1 隐藏式外开手柄工作原理及声学解析

1.1 隐藏式外开手柄工作原理

平推式隐藏外开手柄由执行器、四连杆机构及外手柄组成。系统通过执行器驱动，配合四连杆运动机构，把手柄体从隐藏位置推出到与门钣金平行位置。该运动模型共定义了5 个连杆、6个运动副和2 个约束（图1）。当操作外开手柄时，系统通过执行器伸出的滑块运动，推动连杆1 直线运动，连杆1 推动连杆2 运动。连杆2 分别与连杆3 和连杆4 连接，实现旋转运动，各连接处为旋转副；连杆5 分别与连杆3 和连杆4 连接，各连接处为旋转副。连杆3 的右端与壳体通过滑槽进行约束。

图1 平推式隐藏外开手柄工作原理模型

当外开手柄工作时，执行器电机高速转动，内部齿轮运转，连杆各连接处旋转副旋转摩擦，手柄回位对壳体缓冲垫的冲击，以及四连杆与上下外壳摩擦运动，这些运动过程中产生的声音，共同构成并影响隐藏式外开手柄运行的声音品质。

1.2 声学相关解析

要提升外开手柄声音品质，首先要了解声学的基础知识。声音信号是包含许多频率的谐波所组成的一种复合音，它的频率范围从16 Hz 到20 000 Hz。人耳的听觉系统对于复音的察觉非常敏感，因此具备出色的频率分辨能力。2 个频率相差悬殊的声音同时播放时，人耳是可以将它们区别开的。声音的物理属性一般采用音调、音色以及声音强度来衡量，同样，也可以选择相应的参数来描述声音给人带来的主观感受。

对声音，常用到的评价参数有响度（Loudness）、粗糙度（Roughness）以及尖锐度（Sharpness）等。响度指的是声音的大小、强弱，它是人对声音大小的一个主观感觉量。粗糙度是用于描述调制频率在20 ～300 Hz 的声音。尖锐度是指声音中的高频成分给人的感受值，和噪声频谱的结构有直接关系。使人产生不愉快的影响因素里，尖锐度是最主要的因素。尖锐度描述的是与声音频率成分有关但与声音响度无关的感觉，它反映的是声音尖锐、频率高以及让人不舒服的感觉程度，它是声音中的高频能量与总能量之比。

声音品质的好坏需要经过评价将其具体量化，评价方法主要有主观评价和客观评价。主观评价以人为主体，配合听审团评价的方式进行。常用的评价方法有排序法、评分法、 成对比较法和语义细分法。此外，日本大阪大学提出的选择描述法在声音品质的评价中也有应用。在实际应用中，又通常将这几种方法结合起来使用。无论是从声学还是从听觉感知的角度来看，声音都具有多维度特点，而且不是所有可能的维度都有物理的或心理的特征描绘。

另外，人的主观因素也会对人耳感知声音的过程产生影响，人的心理、生理状态不同，产生的反应也会有所差别。

客观评价方法，即利用客观物理量作为评价的依据，使用仪器进行评价，主要方法有时频分析技术、客观参数回归分析技术和神经网络技术。尽管声音品质的客观评价方法获得长足的发展，评价的效率得以提高，但声音品质的客观评价仍然不能完全代替主观评价，主观评价的结果才是对声音品质的真实反映。

但主观评价也存在很多缺点。受主观因素影响，其一致性和重复性较差，成本和时间的代价较高。有时主观评价数据对于故障的诊断和解决没有任何直接的益处，进而失去其评价的意义。因此，主观评价和客观评价应相互结合，基于主观评价结果提出实用性强的客观评价方法，并利用主观评价对客观评价结果的准确性进行充分验证，才是最科学和有效的方法。

1.3 何为异响

异响是指在外力的作用下，两个或多个相邻部件之间表面产生了摩擦或者撞击而引起的声音。影响异响的因素包括材料特征和结构特征。材料特征有摩擦特性、受冲击特性、温度和湿度特性等。结构特征包括发生异响部件的结构动态特征、接触点的动刚度、冲击力或摩擦力等特征。因此异响不仅是声学问题，还是非常复杂的非线性动力学问题。在汽车领域，各系统振动敲击所发出的声音统称为异响。

2 隐藏式外开手柄声音品质影响因素

隐藏式外开手柄声音品质的好坏与驱动执行器、手柄回位力和运动摩擦等方面有紧密联系。

2.1 执行器运行异响

驱动执行器是整个隐藏式外开手柄运行的动力来源，为主要核心部件。在执行器滑块推出的过程中，执行器内部齿轮高速运转，电机运行过程中噪声及振动异响直接影响了整个手柄的声音品质。因此，驱动执行器运行声音品质对手柄功能实现过程的声音品质贡献值较大。

要控制好隐藏式外开手柄声音品质，首先要从执行器电机和内部传动齿轮选型及其之间的匹配参数着手开发设计。

2.2 手柄回位异响

手柄展开后，回位弹簧初始力与开启位置力之间的差值大，是导致手柄回位异响的最主要因素。回位弹簧初始力与开启位置力差值大时，手柄复位加速度大，手柄回位时对壳体缓冲垫的冲击越大[2]，产生的声音就越大。因此，在满足设计要求条件下，有效减少回位弹簧初始力与开启位置力之间的差值，可降低手柄回位异响，提升声音品质。

2.3 摩擦异响

隐藏式外开手柄由隐藏位置推出到开启位置过程中，四连杆与上下外壳存在滑动摩擦运动，易产生摩擦异响。同时，四连杆的运动稳定性也是关键因素。由于制造及装配误差，连杆机构在运动时并非与上下外壳完全平行，运动中与理想状态存在偏差导致与外壳产生摩擦异响。

3 声音品质提升解决方案

3.1 执行器异响解决方案

3.1.1 执行器传动系设计

执行器滑块要获得足够大的动力输出，取决于齿轮传动输入与输出的传动比。执行器传动机构如考虑用齿轮传动，每一级传动比通常设计在1：3 左右。同时，因为需要多级齿轮并行，每级齿轮都会存在一定的回差，多级传动意味着回差也逐级加大，因此齿轮间传递动力的过程中，产生的撞击摩擦也会相应增多。涡轮蜗杆传动一般每级传动比可达到1：20 以上，考虑空间布置，两级涡轮蜗杆传动即可满足要求。涡轮蜗杆传动空间结构紧凑，在传递动力过程中产生的撞击摩擦也会相应较少，对整体机构的噪声控制有一定优势[3]。

3.1.2 涡轮蜗杆机构品质提升优化

执行器通过涡轮蜗杆机构将电机旋转运动转化为推动手柄开启的直线运动，涡轮蜗杆之间的传动噪声控制是重点关注对象。经前期造车验证，执行器内部涡轮蜗杆表面粗糙度及润滑油脂的选用对声音品质控制有显著影响，执行器在底座上的安装牢固度也有一定影响。对执行器齿轮模具进行镜面抛光，同时选用粘度系数高、降噪效果好的润滑油脂，并且在执行器与底座周圈匹配增加吸音材料后，最高降噪可达34%（图2）。

图2 涡轮蜗杆机构品质提升优化

3.2 回位异响解决方案

3.2.1 影响敲击异响的因素及分析

产生敲击异响的因素与结构设计有重要关联。结构设计包括车身的整体刚度和模态、部件的局部刚度和模态以及部件的变形量控制等。当整体刚度和局部刚度不足时，整个部件结构容易被激励而产生敲击异响。部件碰撞是否会产生异响，同时还与部件间材料的差异有关。坚硬物体与坚硬物体之间碰撞会发出敲击声，但是坚硬物体与柔软的橡胶件之间碰撞可能没有声音。因此，部件之间的材料类别匹配对于撞击异响的控制非常关键。

3.2.2 手柄连杆及相关机构优化

手动拉动和释放手柄回位的过程中，依靠的是连杆3 带动拉线转臂相对运动。扭簧设计在拉线转臂的内部，扭矩既保证开启力在设计要求范围内，同时也保证手柄克服摩擦力正常回位。在手柄开启到最大位置和初始位置均设计有缓冲结构，以减小碰撞声音。连杆2 和连杆4 之间设计有阻尼器（图3），可减小拉动和释放手柄的速度，降低回位声响。

图3 连杆机构的优化

3.3 摩擦异响解决方案

2 个相互接触的物体在外力作用下，从静止状态到相对运动状态，会经历3 个阶段，期间都会产生较尖锐的声音。第一阶段是在静止状态下，两个接触表面存在摩擦黏滑（slip-stick) 效应，从而产生较尖锐的声音；第二阶段是物体产生相対运动而发生自激振动并产生声音；第三阶段是当运动部件的2 个或多个固有频率接近时，摩擦力能激起部件的耦合振动，从而发出更为尖锐的复合音[4]。

手柄机构在运动过程中，部件之间的接触摩擦而产生的声音尤为突出。对此，通常的措施是在部件之间增加润滑，采用液态润滑油或糕状润滑脂在摩擦表面间形成各种油膜。按不同的摩擦表面，可采用不同的润滑油，都可获得不同的摩擦系数[5]。相比之下各部件间的摩擦系数都会有较大程度的降低，对噪声的控制有巨大的帮助。

执行器通过连杆1 推动连杆2 旋转位移，连杆2 设有扭簧，在手柄顶出和回位过程中逐渐压缩和释放扭簧，始终保持连杆1的滑块与连杆2 紧密滑动。连杆2 与外壳实施面接触，在接触面设置有储油槽（图4），可长效实现润滑。同时设定滑块和油槽表面粗糙度小于Ra1.6，可以减小顶出和回位过程中产生的噪声。

4 结束语

本文通过对隐藏式外开手柄声音品质影响因素的深入研究，分析出产品产生异响音源的执行器、手柄回位机构和摩擦三大因素，并有针对性地提出产品开发时的优化结构设计方案，将异响问题规避。经过多轮实车造车验证，隐藏式外开手柄结构优化后声音品质改善明显，手柄耐久度及强度均无影响，操作声音品质感与对标车基本持平。整体声音品质提升措施对后续车型隐藏式外开手柄开发有一定的借鉴及指导意义。