關(guān)于汽車車身泄壓閥及整車氣密性對關(guān)門能量的影響研究

劉禹呈，周杰，李濤

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和大眾生活水平的提高，消費(fèi)者對汽車的各方面性能和操作體驗(yàn)都有著越來越高的要求。汽車作為日常重要的交通運(yùn)載工具，其車內(nèi)的獨(dú)立空間體驗(yàn)是其重要性能之一，整車氣密性則是決定獨(dú)立空間體驗(yàn)的重要性能指標(biāo)。另外，目前車身都安裝有泄壓閥，以解決車載空調(diào)在外循環(huán)模式下，空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)對車艙內(nèi)鼓風(fēng)引起車艙內(nèi)壓力升高問題，以保證駕乘人員的舒適性等[1]。

目前及未來的一段時(shí)間內(nèi)，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)門仍是最為普遍的汽車車門形式，它在關(guān)閉過程中往往需要使用者施加一定的力和能量。這個(gè)關(guān)閉車門所用的能量，一般稱為關(guān)門能量，而關(guān)閉某一車門所需的最小能量，則稱為最小關(guān)門能量，這一能量直接反映使用者關(guān)閉車門的難易程度，而更便利容易的關(guān)門操作往往給使用者更好的操作體驗(yàn)，這就往往需要較小的關(guān)門能量[2]。

在關(guān)閉旋轉(zhuǎn)門的過程中，需要克服一系列阻力，其中空氣阻力是重要的一部分，而空氣阻力中重要的一部分是旋轉(zhuǎn)門將空氣扇入并壓入車艙內(nèi)的空氣阻力[3]。其中，在扇入和壓入過程中，空氣從各個(gè)泄漏路徑的排出情況決定著過程空氣壓阻，也就是車門關(guān)閉過程中重要的一部分阻力。車艙的泄漏路徑主要由車身泄壓閥和整車的氣密性決定[4]。因此關(guān)門能量與車身泄壓閥及整車氣密性有著密切的關(guān)系，本文作者將對車身泄壓閥及整車氣密性對關(guān)門能量及最小關(guān)門的影響進(jìn)行研究。

1 車身泄壓閥和整車泄漏

1.1 車身泄壓閥

如上文所述，車身泄壓閥是用于釋放車艙內(nèi)過高的壓力單向氣閥，如圖1所示。一般車艙內(nèi)的氣壓升高主要有兩種情況：一是由于車載空調(diào)在外循環(huán)模式下運(yùn)行時(shí)，空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)將車外的空氣鼓入車艙內(nèi)，車艙內(nèi)氣體增加壓力升高；二是在關(guān)閉旋轉(zhuǎn)門等開閉件過程中，開閉件將空氣扇入和壓入車艙內(nèi)，致使車艙內(nèi)氣壓快速升高。一般卸壓閥的結(jié)構(gòu)為機(jī)械單向閥，且在受到不同壓力時(shí)，打開不同的泄漏面積，從而在不同壓力下被動(dòng)地產(chǎn)生不同的車艙內(nèi)空氣流出車艙的泄漏流量。泄壓閥的卸壓能力設(shè)計(jì)，一方面需要考慮上述車艙內(nèi)壓力升高時(shí)的卸壓效果，另一方面也是在合理車艙位置進(jìn)行卸壓，保證所需的車艙內(nèi)空氣流通，可提高空調(diào)調(diào)溫效率和除霜效率等。

以某一實(shí)際泄壓閥泄壓曲線為例，如圖2所示，當(dāng)泄壓閥兩側(cè)壓力差增大時(shí)，通過泄壓閥的流量增加，也就是當(dāng)關(guān)閉轉(zhuǎn)門時(shí)氣體壓入，車艙內(nèi)壓力升高，泄壓閥的流出流量隨之增大，從而降低車艙內(nèi)壓力。

圖1 泄壓閥示意圖

圖2 泄壓閥泄漏曲線圖

1.2 整車氣密性和泄漏量

車輛的氣密性決定了車艙內(nèi)空間的隔絕能力和獨(dú)立性，簡單的說氣密性越高，車艙內(nèi)外的氣體越難交互。如前文所述，較高的氣密性可以保證車艙的獨(dú)立性，從而提高駕乘過程中對風(fēng)噪、路噪、異味灰塵侵入的控制。車輛的氣密性可以用整車的泄漏量來衡量，泄漏量一般指車艙內(nèi)加壓到一定壓力下，整車車艙通過車體向車外泄漏氣體的流量[1,4]。

一般來說，整車的泄漏量(Lv)由兩個(gè)部分組成：一是通過設(shè)計(jì)的泄漏路徑，基本可控的泄漏量，如前文所述的通過泄壓閥的泄漏量，稱之為可控泄漏量(Lc)；二是通過整車某些客觀存在的不可控的空間或間隙(如門縫、內(nèi)飾拼接縫隙等)的泄漏量，稱之為不可控泄漏量(Lu)。當(dāng)控制整車的密閉性能時(shí)，需要考慮這兩部分的泄漏量總和產(chǎn)生的整車泄漏情況，可以認(rèn)為存在式(1)關(guān)系：

Lv=Lc+Lu

(1)

對于車艙內(nèi)不同壓力下的泄漏量，其中不可控泄漏量(Lu)因泄漏面積基本穩(wěn)定，流量與壓力近似滿足伯努利方程關(guān)系，流量的平方與壓力差呈正比，如式(2)所示：

Δp=kv2

(2)

而稱之為可控泄漏量(Lc)與泄壓閥零件設(shè)計(jì)有關(guān)，且零件狀態(tài)隨壓力變化而變化，需要用零件自身性能的壓力-流量曲線(圖2)進(jìn)行表征。

整車泄漏量是兩部分泄漏量的疊加，對于整車的泄漏量可通過實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行測量，對車艙內(nèi)充氣加壓，測量整車的泄漏量，得到表征整車泄漏情況的封閉式整車泄漏(Closed Vehicle Leakage，CVL)曲線，如圖3所示。一般定義某固定壓力下的泄漏量為整車泄漏量狀態(tài)的性能參數(shù)值。

圖3 封閉整車泄漏曲線圖

2 關(guān)門能量與車艙內(nèi)壓阻

2.1 關(guān)門能量與整車泄漏量

關(guān)門能量反映操作者關(guān)閉車門時(shí)所需要的能量，而最小關(guān)門能量是操作者在一定操作位置關(guān)閉車門所需的最小能量。最小關(guān)門能量反映車輛關(guān)閉車門的舒適性和便利性，以下針對最小關(guān)門能量進(jìn)行研究，并簡稱關(guān)門能量。

關(guān)門能量的實(shí)際測量往往比較困難，可以通過測量關(guān)門速度以表征關(guān)門能量，車門轉(zhuǎn)動(dòng)可視為剛體繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)[5-6]，符合旋轉(zhuǎn)體動(dòng)能公式(式3)，轉(zhuǎn)門轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和旋轉(zhuǎn)半徑一定，關(guān)門能量與關(guān)門線速度的平方呈正比(式4)。

(3)

(4)

關(guān)門過程中所涉及的空氣流動(dòng)狀態(tài)及空氣阻力，可簡化示意圖如圖4所示。

圖4 車門旋轉(zhuǎn)關(guān)閉氣體流動(dòng)示意圖

由于轉(zhuǎn)門扇動(dòng)，空氣隨關(guān)門過程向轉(zhuǎn)動(dòng)方向流動(dòng)，流量為Qc，所扇入的氣體一部分在門未關(guān)閉過程沿車門與車身空間空隙流出流量Qu，一部分進(jìn)入車艙內(nèi)沿前文所研究的整車泄漏流出流量Qv，其余部分留在車艙內(nèi)，致使車艙內(nèi)壓力升高。如前文所述，整車泄漏流量與車艙內(nèi)的壓力相關(guān)，且兩者互相影響，當(dāng)整車泄漏的流量較小時(shí)，車艙內(nèi)會(huì)積蓄更多轉(zhuǎn)門壓入的氣體，致使車內(nèi)壓力升高，增加關(guān)門過程中的阻力，使關(guān)閉轉(zhuǎn)門需要更大的關(guān)門能量及更高的關(guān)門速度。同時(shí)，車艙內(nèi)的壓力升高，也會(huì)給駕乘者帶來不適感，如耳鳴等[7]。

2.2 關(guān)門能量與泄壓閥

對于整車泄漏，一般常見的可控的功能性泄漏量是由泄壓閥(Pressure Relief Valve,PRV)決定和控制的。泄壓閥的泄漏參數(shù)狀態(tài)影響著整車泄漏量，從而影響車艙內(nèi)壓力，從而影響關(guān)門過程中克服的空氣阻力，進(jìn)而影響關(guān)門所需的關(guān)門能量。

利用理論計(jì)算工具，對某兩個(gè)車型轎車空調(diào)內(nèi)循環(huán)模式下，泄壓閥不同狀態(tài)的關(guān)門速度進(jìn)行分析，分別為泄壓閥50%、67%、84%、100%正常工作狀態(tài)(泄壓閥正常工作狀態(tài)為在空調(diào)最大流量下，占整車泄漏量的75%)，得到兩個(gè)車型前后門關(guān)門速度如表1所示。由理論計(jì)算值可得到，泄壓閥 50%工作狀態(tài)時(shí)，關(guān)門速度提高10%，轉(zhuǎn)化為能量則關(guān)門能量提高20%。

表1 泄壓閥不同狀態(tài)下最小關(guān)門速度理論計(jì)算結(jié)果 m/s

在某車型上進(jìn)行不同工況下泄壓閥對關(guān)門速度影響的測量，結(jié)果如表2所示?？梢钥吹皆谛箟洪y50%工作狀態(tài)和100% 工作狀態(tài)時(shí)，實(shí)測關(guān)門速度也有10%左右的差異，與理論計(jì)算結(jié)果相一致，則關(guān)門能量有20%左右的差異。

表2 泄壓閥不同狀態(tài)下最小關(guān)門速度實(shí)測結(jié)果 m/s

3 結(jié)論

從整車密封性和泄漏量角度出發(fā)，研究了泄壓閥和整車泄漏量對最小關(guān)門能量及速度的影響，通過理論計(jì)算和實(shí)際測量定量研究了不同設(shè)計(jì)和工作狀態(tài)下，泄壓閥對最小關(guān)門能量及速度的影響。

(1)整車泄漏量由不可控泄漏量和可控泄漏量組成，可控泄漏量主要由泄壓閥控制。

(2)關(guān)門過程克服的空氣阻力由轉(zhuǎn)門扇動(dòng)氣壓阻力、車艙空氣壓縮阻力組成，其中車艙空氣壓縮阻力與整車密封性和泄漏量相關(guān)。

(3)在關(guān)門過程壓力下，泄壓閥泄漏量較小時(shí)，車艙空氣壓阻增大，關(guān)門能量和關(guān)門速度增大。通過理論和實(shí)際測量，50%泄壓閥狀態(tài)下，最小關(guān)門速度提高約10%，最小關(guān)門能量提高約20%。