汽車車門閉合力分析研究

張映紅 劉國(guó)弟 汪建安 王毅 徐勇

摘 要：汽車車身設(shè)計(jì)在整車設(shè)計(jì)中有舉足輕重的作用，而車門的設(shè)計(jì)又是車身設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)，如何判斷車門結(jié)構(gòu)的合理性，設(shè)計(jì)和優(yōu)化車門系統(tǒng)，是一項(xiàng)非常重要的工作，文章詳細(xì)研究了車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，為后續(xù)車型車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：車門設(shè)計(jì)；閉合力；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-231-03

Abstract： Automobile body design plays an important role in the design of the whole vehicle， and the design of the car door is a difficult and key point in the design of the car body. How to judge the rationality of the door structure and design and optimize the door system is a very important work. This paper studies the whole process of the door system design in detail， which provides a reference and basis for the design and development of the door system of the following car models.

Keywords： Door design； closing force； Optimization

CLC NO.： U462 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-231-03

前言

在汽車行業(yè)閉合件為車門系統(tǒng)含四門兩蓋，在車身設(shè)計(jì)中是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊，其貫穿整車設(shè)計(jì)的始終。從前期的市場(chǎng)調(diào)研，選型同類對(duì)標(biāo)車，到效果圖定稿，CAS面的輸出到主模型架構(gòu)完成[1]。

在轎車車門的工程設(shè)計(jì)中，閉合力設(shè)計(jì)始終是一個(gè)難點(diǎn)，如果設(shè)計(jì)不好，或出現(xiàn)閉合力過(guò)大，或出現(xiàn)漏風(fēng)漏雨、車內(nèi)噪聲值過(guò)高等問(wèn)題[2]。J.D.POWER的新車質(zhì)量調(diào)研結(jié)果顯示，開(kāi)關(guān)門力超重始終是顧客抱怨最多的質(zhì)量問(wèn)題之一[3]。

本文采用關(guān)門速度評(píng)價(jià)方式進(jìn)行閉合性能研究，通過(guò)理論分析結(jié)合CAE計(jì)算模擬給出分析結(jié)論。

1 門閉合力影響因素分析

空載且門窗均關(guān)閉的狀況下，車門上的A 點(diǎn)，通過(guò)B位置時(shí)，恰好能使車門關(guān)閉所達(dá)到的速度稱為車門關(guān)閉速度，用符號(hào)V 表示，A點(diǎn)為“門外把手”水平中心線上方60+5mm的門邊緣處，B位置為車門打開(kāi)時(shí)，A點(diǎn)距離其關(guān)門時(shí)相應(yīng)位置A'點(diǎn)的直線距離為60+5mm處，其示意圖如圖[4]：

2 門閉合力的設(shè)計(jì)

門閉合力設(shè)計(jì)流程：

2.1 設(shè)定車門閉合速度目標(biāo)

結(jié)合實(shí)際車型情況，合理制定各門閉合速度，推薦閉合速度：V≤1.2m/s；假設(shè)對(duì)前門和后門使用相同的速度關(guān)門，我們能否將門給關(guān)上，針對(duì)此問(wèn)題做推算（假設(shè)鉸鏈、密封條、空氣阻力不計(jì)的情況下），前后門均以V=1.0 m/s的速度，M1=29.4kg（前），R1=0.515m，R2=1.002m， H1=0.507268m，H2=0.505364m；根據(jù)動(dòng)能公式： ；門質(zhì)心位置及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量得出門的動(dòng)能提供量： 門從關(guān)閉測(cè)量位置到關(guān)閉位置，勢(shì)能提供能量： 根據(jù)動(dòng)能公式和勢(shì)能公式，前門從關(guān)閉測(cè)量位置到關(guān)閉位置，動(dòng)能和勢(shì)能共提供能量計(jì)算得： ，若后門也用V=1.0 m/s速度關(guān)門，M2=24.1 kg（后），R1'=0.443m，R2'=0.9442m，H1'=0.507268m，H2' =0.505364m，此速度具備的關(guān)門能量為： ，若對(duì)影響前后門閉合力的其它因素進(jìn)行等效設(shè)定：即前后車門鉸鏈、軸線同軸度、限位器，門鎖及其它未知（如空氣流通）消耗能量基本相同，設(shè)為E其它因素。則前門能量與后門能量的比值為：

E前門能量/ E后門能量= 1.57倍，考慮到其它因素消耗的能量后，其剩余給密封條的能量比值為：E前門能量-E其它因素）/（E后門能量-E其它因素）>1.57倍，而前門密封條長(zhǎng)度3350mm，后門密封條長(zhǎng)度3100mm，如果密封條單位長(zhǎng)度消耗能量相同的話，則前后門密封條消耗的能量比值為：E前門密封條消耗/ E后門密封條消耗= 1.08倍；

由上述定性計(jì)算可知，前后門關(guān)門速度相同，則前門提供給密封條消耗的能量情況優(yōu)于后門；后門在其它因素都不改變的情況下能夠關(guān)上，只能提升關(guān)門速度，因?yàn)楹箝T的閉合速度總是比前門要高些。

2.2 閉合力影響因素

影響門閉合力的因素很多，我們主要從結(jié)構(gòu)布置和能量耗損兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，能量消耗或增加類因素包含鉸鏈、限位器、車門重心升降、氣壓阻、密封條等，在設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中需要考慮其結(jié)構(gòu)對(duì)閉合力的影響。

2.3 計(jì)算門閉合力所有因素的能量消耗值

2.3.1 密封條阻力

假定密封條在小變形范圍內(nèi)為線性彈性變形，密封條的彈性系數(shù)為km，按照車身設(shè)計(jì)規(guī)范，密封條的壓縮量s≤10mm，沿密封條周長(zhǎng)方向受力均勻，在密封條長(zhǎng)度L上，密封條在壓縮面量S（m）下，△Li足夠小時(shí)，所有n段所產(chǎn)生的阻力所做的總功為Pm可視為：

2.3.2 氣壓阻力

車門在壓縮駕駛室空氣的瞬間位移量很小，可以假定過(guò)程運(yùn)動(dòng)是近似的平動(dòng)過(guò)程。

設(shè)駕駛室容積空間內(nèi)的空氣為理想氣體，則根據(jù)工程熱力學(xué)理想氣體狀態(tài)方程可得：

P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；Pi車門關(guān)閉時(shí)駕駛室容積空間內(nèi)氣體壓力；V0為車門關(guān)閉前駕駛室容積空間（密封條為未壓縮空間）；Vi為車門關(guān)閉后駕駛室容積空間（密封條已被壓縮）；車門迎風(fēng)面積為A0密封條壓縮量為Si，則：

2.3.3 車門運(yùn)動(dòng)阻力

車門運(yùn)動(dòng)阻力總功為密封條變形阻力和氣壓阻力所做功之和，表達(dá)式如下：

計(jì)算得出關(guān)閉車門所需克服的阻力越大，車門關(guān)閉力越大，駕駛室內(nèi)空氣壓縮比例越小，關(guān)門越輕便，密封條被壓縮距離越大，車門關(guān)閉力越大。

2.4 預(yù)設(shè)密封截面結(jié)構(gòu)，初步確定密封條壓縮特性曲線

密封截面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以參照已有車型，或沿用密封條所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，壓縮特性曲線可以由供應(yīng)商提供。

2.5 密封截面設(shè)定，對(duì)密封條進(jìn)行CAE分析

根據(jù)密封截面各尺寸的設(shè)定，對(duì)密封條進(jìn)行CAE分析，其內(nèi)容主要針對(duì)以下過(guò)程：

a.關(guān)門過(guò)程中，密封條的狀態(tài)變化及應(yīng)力分布；b.關(guān)門過(guò)程中，密封條的反作用力變動(dòng)范圍；c.關(guān)門后，密封條對(duì)鈑金的密封面積，或稱為壓覆面積。

2.6 根據(jù)模擬結(jié)果，調(diào)整各處密封截面結(jié)構(gòu)

針對(duì)模擬結(jié)果，主要考察兩方面是否滿足：

a.壓覆面積是否滿足密封要求；b.密封條反作用力所消耗的能量是否小于或等于預(yù)分配值。如不滿足，優(yōu)先調(diào)整密封截面形狀，使之兼顧密封條壓覆面積和反作用力的要求；如仍無(wú)法解決問(wèn)題，則可以適當(dāng)調(diào)整密封條壓縮特性曲線。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的試制結(jié)果看，其閉合力設(shè)計(jì)技術(shù)是可行的，車門閉合速度均在允許范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳宇.汽車車門的設(shè)計(jì)研究[D].湖南.湖南大學(xué).碩士論文.2014.11.

[2] 李春芳.左春檉.車門閉合力研究若干問(wèn)題的綜述[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā).2011.8.

[3] Raviray Nayak， Kee Im， Optimization of the side swing door closing effort[J].The society of Automotive Engineers Intem-ational， 2003， （1）：871.