轎車側(cè)門漏液孔尺寸最優(yōu)設(shè)計(jì)方法

胡 宏，馬保林，柴堅(jiān)堅(jiān)，周 偉

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241009）

轎車側(cè)門漏液孔尺寸最優(yōu)設(shè)計(jì)方法

胡 宏，馬保林，柴堅(jiān)堅(jiān)，周 偉

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241009）

根據(jù)流體力學(xué)中相關(guān)理論公式提出了轎車側(cè)門瀝液時(shí)間的計(jì)算方法，并利用可視化程序設(shè)計(jì)語言VB開發(fā)了轎車側(cè)門漏液孔尺寸計(jì)算程序，通過該程序可以在設(shè)計(jì)階段計(jì)算出該車型的最優(yōu)漏液孔尺寸，即滿足涂裝車間瀝液時(shí)間要求的最小漏液孔尺寸，避免出現(xiàn)前期漏液孔尺寸較大后期又由于NVH性能要求改小造成的模/檢具費(fèi)用浪費(fèi)。通過理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，該計(jì)算方法具有較好的精度，能較好的指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

漏液孔；VB；最優(yōu)設(shè)計(jì)

0 前言

目前關(guān)于轎車側(cè)門漏液孔尺寸的設(shè)計(jì)沒有相關(guān)文獻(xiàn)或論文可參考，各主機(jī)廠在開發(fā)新車型時(shí)主要根據(jù)Benchmark車型來決定漏液孔尺寸的大小，雖然車門尺寸相當(dāng)，但是內(nèi)外板間Y向的距離及內(nèi)板上揚(yáng)聲器安裝孔、門護(hù)板安裝孔、門框條安裝孔、緩沖塊安裝孔及其他孔的數(shù)量、高度、大小均不同，且各主機(jī)廠涂裝車間的生產(chǎn)節(jié)拍不同，所以無法在設(shè)計(jì)階段判斷參考Bench?mark車型漏液孔尺寸能否滿足涂裝車間瀝液時(shí)間要求。

經(jīng)過調(diào)查，目前自主品牌的側(cè)門漏液孔尺寸相對(duì)合資品牌大40%以上，尺寸大的漏液孔會(huì)引起整車氣密性差，對(duì)NVH性能提升不利。例如奇瑞某款轎車不實(shí)施任何改進(jìn)方案的整車漏氣量超過1.27×104L/min，其中四門鉸鏈及限位器處漏氣量為3.65×103L/min、四門周邊漏氣量為2.07× 103L/min、轉(zhuǎn)向護(hù)套處漏氣量為765 L/min、后背門漏液孔處漏氣量為48 L/min、側(cè)門漏液孔處漏氣量為736 L/min等，通過將最嚴(yán)重的9個(gè)點(diǎn)改進(jìn)后整車漏氣量降為9.06×103L/min?？梢钥闯?，雖然側(cè)門漏液孔處的漏氣量不算太大，但整車的NVH若要上一個(gè)臺(tái)階，各個(gè)環(huán)節(jié)都必須要達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

1 薄壁孔口自由出流流速計(jì)算公式

按結(jié)構(gòu)形式分為圖1所示三種，轎車側(cè)門內(nèi)板上的護(hù)板安裝孔、門框條安裝孔、緩沖塊安裝孔、漏液孔等均屬于圖1中所示的薄壁孔口。

圖1 孔口分類示意圖

如圖2所示，容器中液體從四面八方流向孔口，由于質(zhì)點(diǎn)慣性，當(dāng)繞過孔口邊緣時(shí)，流線不能成直角突然的改變方向，而只能以曲線繼續(xù)彎曲且向中心收縮，到達(dá)某一距離（大約d/2處），斷面C-C收縮達(dá)到最小。

圖2 薄壁孔口自由出流示意圖

以o-o為基準(zhǔn)線，列A-A與C-C兩斷面的伯努利方程，可得流速與流量計(jì)算公式：令ε=AC/A（ε為收縮系數(shù)；A為孔口面積）

其中φ為流速系數(shù)，一般φ=0.97～0.98；

ε=0.62～0.64；

其中 μ為流量系數(shù)，一般μ=0.6～0.62。

2 轎車側(cè)門瀝液時(shí)間理論計(jì)算

涂裝車間前處理-電泳工藝過程示意圖如圖3所示。

可以看出，電泳前處理各道工序間都有一平臺(tái)用于瀝液，如果瀝液不干凈，就會(huì)將上一槽液中的液體帶入下一槽液中，引起槽液工藝參數(shù)不合格及前處理效果變差，從而影響涂層的附著力。

工序間的瀝液時(shí)間應(yīng)達(dá)到不僅沒有水流，而且?guī)缀跻獰o滴水程度，一般為30 s左右，最長(zhǎng)不超過1 min，如果超過1 min還瀝不干凈，則應(yīng)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)上開工藝孔解決。

在設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品數(shù)據(jù)凍結(jié)后，門內(nèi)板上的門護(hù)板安裝孔、揚(yáng)聲器安裝孔、緩沖塊安裝孔等位置及尺寸都已確定，門內(nèi)外板空腔內(nèi)的最大容液量如圖4所示。

該液體體積可在CATIA中作出。

2.1 計(jì)算思路一

①已知每個(gè)孔中心離初始液面的距離，根據(jù)式（1）中流速計(jì)算公式可求得每個(gè)孔的初始流速，按液面下降5 mm計(jì)算得到另一流速，用這兩者平均值作為液面下降5 mm的平均流速；

②用與初始液面相切的XY平面沿-Z平移5 mm，用此平面切割實(shí)體，測(cè)量上面部分液體體積，計(jì)算漏完此液體體積需要的時(shí)間t1；

③重復(fù)步驟1與2，計(jì)算剩下的t2、t3、t4……，最后累積即得總的瀝液時(shí)間。

下面以某款車型的前門為例，該前門容液量及各孔的位置如圖5所示，計(jì)算如下（流速計(jì)算未考慮φ，流量計(jì)算考慮μ）。

圖3 前處理-工藝過程示意圖

圖4 內(nèi)外板空腔容液量示意圖

①孔1與孔2為門護(hù)板安裝孔，孔心與初始液面距離相同，為36.8 mm，單個(gè)孔面積為49 mm2，初始速度v護(hù)板安裝孔（12）1=(2gh)1/2=(2*9.8*36.8/1000)1/2= 0.85 m/s，液面下降5 mm后速度v護(hù)板安裝孔（12）2= (2gh)1/2=(2*9.8*31.8/1000)1/2=0.79 m/s，兩者平均速度為0.82 m/s。

②孔3為門框條安裝孔，孔心與初始液面距離為50.8 mm，單個(gè)孔面積為19.635 mm2，初始速度v門框條安裝孔（3）1=(2 gh)1/2=(2×9.8×50.8/1000)1/2= 1 m/s，液面下降5 mm后速度v門框條安裝孔（3）2=(2 gh)1/2= (2×9.8×45.8/1000)1/2=0.95 m/s，兩者平均速度為0.975 m/s。

③孔4、5、6、7、8、9為門框條安裝孔，孔心與初始液面距離相同為85 mm，單個(gè)孔面積為19.635 mm2，初始速度v門框條安裝孔（456789）1=(2 gh)1/2= (2*9.8*85/1000)1/2=1.29 m/s，液面下降5 mm后速度v門框條安裝孔（456789）2=(2 gh)1/2=(2×9.8×80/1000)1/2= 1.25 m/s，兩者平均速度為1.27 m/s。

圖5 某款車型前門液體實(shí)體模型示意圖

圖6 安裝孔等效面積計(jì)算示意圖

④孔10為門框條安裝孔，孔心與初始液面距離為56.2 mm，單個(gè)孔面積為19.635 mm2，初始速度v門框條安裝孔（10）1=(2gh)1/2=(2×9.8×56.2/1000)1/2= 1.05m/s，液面下降5 mm后速度v門框條安裝孔（10）2= (2gh)1/2=(2×9.8×51.2/1000)1/2=1 m/s，兩者平均速度為1.025 m/s。

⑤孔11為緩沖塊安裝孔，孔心與初始液面距離為69.6 mm，單個(gè)孔面積為44.18 mm2，初始速度v緩沖塊安裝孔（11）1=(2gh)1/2=(2×9.8×69.6/1000)1/2= 1.17m/s，液面下降5 mm后速度v緩沖塊安裝孔（11）2= (2gh)1/2=(2×9.8×64.6/1000)1/2=1.13 m/s，兩者平均速度為1.15 m/s。

⑥漏液孔孔心與初始液面距離為128 mm，單個(gè)漏液孔面積為180 mm2，初始速度v漏液孔1= (2gh)1/2=(2×9.8×128/1000)1/2=1.58 m/s，液面下降5 mm后速度v漏液孔2=(2gh)1/2=(2×9.8×123/1000)1/2= 1.55 m/s，兩者平均速度為1.565 m/s。

用與液面相切的XY平面沿-Z方向偏移5mm，用此平面切割圖5所示液體實(shí)體模型，保留上部，測(cè)得液體體積為493 006.2 mm3，則流完此部分液體需要的時(shí)間t1為（μ取0.6）：

t1=493 006.2/(1000μ×(0.82×49×2+0.975× 19.635×1+1.27×19.635×6+1.025×19.635×1+ 1.15×44.18×1+1.565×180×3)=493006.2/ 699093.345=0.705 s

同理可求得t2，t3，t4…，最后累積求得總瀝液時(shí)間。

此算法雖然可以在設(shè)計(jì)階段計(jì)算出理論的瀝液時(shí)間，但是當(dāng)某些孔的位置或尺寸改變后需要重新計(jì)算，比較繁瑣，也無法得出漏液孔的最優(yōu)設(shè)計(jì)尺寸。

2.2 計(jì)算思路二

①安裝孔等效面積的計(jì)算

假設(shè)漏液孔中心至液面的距離為H，某一安裝孔至液面的距離為h，安裝孔面積為a，假設(shè)此安裝孔等效到漏液孔處的面積為a'。

液面下降一微小體積Q通過此安裝孔瀝完的時(shí)間t1為：

液面下降同一微小體積Q通過漏液孔處等效面積瀝完的時(shí)間t2為：

等效條件為t1=t2，即

求得a'=a·(h/H)1/2

從上式可以看出：在液面下降過程中，h和H都是在減小的，等效面積a'也隨之變化。

②各等分液體瀝液時(shí)間計(jì)算

在初始液面高度下，將各個(gè)安裝孔按照上述等效原理分別等效到漏液孔處，漏液孔自身的總面積加上各個(gè)等效面積即得總的等效漏液面積。

還以上述車型t1計(jì)算為例。

將門護(hù)板安裝孔、門框條安裝孔、緩沖塊安裝孔等等效到漏液孔處，總的等效漏液面積為746.602 9 mm2，流速

v漏液孔=（2gH）1/2=（2×9.8×128/1000）1/2= 1.58 m/s(用此作為流完5 mm液面高度的流速是為了方便程序設(shè)計(jì))，5 mm液面高度的液體體積為493 006.2mm3，則瀝完此5 mm高度需要的時(shí)間t1為：

同理可求得t2，t3，t4…，最后求得總的瀝液時(shí)間。兩種算法中t1相差0.705-0.697=0.008 s，誤差很小。

該算法雖然也較復(fù)雜，但是可以較方便的在程序里實(shí)現(xiàn)，當(dāng)某一孔位置或面積改變時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算，可方便的得到漏液孔的最優(yōu)設(shè)計(jì)尺寸。

3 轎車側(cè)門瀝液時(shí)間程序設(shè)計(jì)

通過上述的計(jì)算思路二，利用可視化程序設(shè)計(jì)語言Visual Basic 6.0開發(fā)了側(cè)門瀝液時(shí)間計(jì)算程序，該程序的界面如圖7所示。

對(duì)于合同風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)以及防范來說，必須加強(qiáng)相關(guān)人員在這一方面的意識(shí)，這是企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)意識(shí)和法律意識(shí)的一種綜合體現(xiàn)：①提升項(xiàng)目管理人員的合同管理培訓(xùn)力度，提高其風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)能力；②要全面理解FIDIC的合同條件和發(fā)包方合同中制定的管理程序等，可以讓項(xiàng)目工作人員明確合同風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和防范的意義。

以上述車型前門為例，該車型在設(shè)計(jì)初期前門漏液孔的尺寸為20×9（mm2），數(shù)量3個(gè)，漏液孔中心至液面的距離為128 mm；門護(hù)板安裝孔的尺寸為7×7（mm2），數(shù)量2個(gè)，門護(hù)板安裝孔中心至液面的距離為36.8 mm；門框條安裝孔的尺寸為?5 mm，數(shù)量8個(gè)，其中6個(gè)安裝孔中心至液面的距離相同為85 mm，一個(gè)安裝孔中心至液面的距離為50.8 mm，另一個(gè)安裝孔中心至液面的距離為56.2 mm，緩沖塊安裝孔的尺寸為?7.5 mm，數(shù)量1個(gè)，孔心至液面的距離為69.6 mm；將以上數(shù)據(jù)及用5 mm間隔平面分割的液體實(shí)體體積輸入程序，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖7 程序界面示意圖

圖8 初始漏液孔尺寸計(jì)算結(jié)果示意圖

從圖8可以看出：當(dāng)單個(gè)漏液孔尺寸20× 9（mm2），漏液孔總面積為540 mm2時(shí)，理論瀝液時(shí)間19.97 s。

將單個(gè)漏液孔尺寸改成15×8（mm2），漏液孔總面積為360 mm2時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖9所示，從圖9可以看出：對(duì)應(yīng)漏液孔總面積為360 mm2時(shí)，理論瀝液時(shí)間為28.11 s。

生產(chǎn)該車型對(duì)應(yīng)的涂裝車間前處理工序中最短的瀝液時(shí)間為20 s，考慮到出槽到平臺(tái)有5 s左右，所以瀝液時(shí)間控制在25 s是較合理的。利用該算法計(jì)算時(shí)液體實(shí)體體積是最大的情況，實(shí)際轎車在出槽時(shí)都有一定角度，側(cè)門空腔內(nèi)實(shí)際的容液量會(huì)比計(jì)算的體積少，實(shí)際的瀝液時(shí)間比計(jì)算瀝液時(shí)間短。對(duì)比上述計(jì)算結(jié)果可以認(rèn)為，對(duì)應(yīng)單個(gè)漏液孔面積120 mm2，漏液孔總面積360 mm2時(shí)，理論瀝液時(shí)間與涂裝車間瀝液時(shí)間基本相符，可以認(rèn)為該漏液孔尺寸為最優(yōu)尺寸。

圖9 漏液孔尺寸更改后計(jì)算結(jié)果示意圖

4 理論瀝液時(shí)間與實(shí)際驗(yàn)證時(shí)間對(duì)比

表1 理論計(jì)算與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果

5 結(jié)論

從上面的對(duì)比可以看出：利用該算法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果吻合較好，對(duì)新車型瀝液時(shí)間預(yù)估及漏液孔尺寸最優(yōu)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

［1］張紅亞，王造奇.流體力學(xué)［M］.合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

［2］劉鶴年.流體力學(xué)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］王錫春.汽車涂裝工藝技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

Optimization Method for Designing Sedan Side Door Leakage Hole Dimensions

HU Hong，MA Bao-lin，CHAI Jian-jian，ZHOU Wei
（Chery Automobile Co.，Ltd.，Wuhu241009，China）

This paper proposed a method of how to compute sedan side door leakage time based on the related theory in fluid mechanics，and developed a procedure based on Visual Basic，which can be used to calculate the optimal leakage hole dimensions for any vehicle during the design phase，which means the minimum dimensions of leakage hole can satisfy the leakage time in Paint Shop.Further，this also avoids wasting the die/gauge costs due to the leakage hole dimension’s alter to improve the NVH performance.According to the theoretical calculation and test results comparison，this method has good accuracy and can guide the product design effectively.

leakage hole；VB；optimization design

U463.82

：A

：1009－9492(2014)11－0108－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.029

胡 宏，男，1981年生，安徽績(jī)溪人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：車身門蓋設(shè)計(jì)。

(編輯：王智圣)

2014－07－19