重型卡車車門關(guān)閉阻力的分析和優(yōu)化

張凱鵬，馬玉金

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

隨著重型商用車技術(shù)的發(fā)展，客戶對車輛高端化、精細(xì)化和舒適性要求越來越高，車門關(guān)閉品質(zhì)作為影響乘員駕乘感受的一項主要性能指標(biāo)，用戶對其關(guān)注度越來越高，要求車輛有厚重的關(guān)門聲、良好的密封性以及輕便、靈活的關(guān)閉性能，車門關(guān)閉阻力的優(yōu)化也是重卡產(chǎn)品開發(fā)的難點(diǎn)之一，其優(yōu)化方法的研究對車輛性能提升有重要意義。

1 車門關(guān)閉阻力產(chǎn)生機(jī)理和影響因素

重型商用車車門的關(guān)閉力可分為兩種：靜態(tài)和動態(tài)關(guān)閉力，靜態(tài)關(guān)閉力影響因素主要包括車門密封條反彈力和門鎖閉合力；動態(tài)關(guān)閉力影響因素，包括：空氣壓縮阻力、密封條反彈力、車門鉸鏈、限位器摩擦阻力、門鎖閉合力和車門后傾及內(nèi)傾的重力分力，其中空氣阻力、密封條反彈力和門鎖閉合力是影響車門關(guān)閉阻力的主要因素。

針對某公司生產(chǎn)的重卡產(chǎn)品存在關(guān)門沉重、關(guān)閉力大問題，首先采用試驗方法對車門關(guān)閉阻力進(jìn)行測試，識別各影響因素對車門關(guān)閉力的影響情況，汽車行業(yè)常采用加能炮對車門關(guān)閉時的能量損耗進(jìn)行測量，某重卡車門各影響因素能耗結(jié)果見表1。

表1 各影響因素產(chǎn)生能耗占比

1.1 密封條反彈力

由于車門密封條一般采用具有彈性的塑料制品且斷面屬于空腔結(jié)構(gòu)，車門密封條的反彈力主要是車門關(guān)閉過程中密封條壓縮對車門產(chǎn)生的反向作用力，影響密封條壓縮力主要包括：密封條的材料、密度、斷面以及車門與側(cè)圍密封間隙，車門密封條反彈力一般占到車門關(guān)閉阻力的40%-50%，可以通過密封條的壓縮負(fù)荷計算出來，但是需要有幾個假設(shè)條件（1）車門關(guān)閉時門框與密封條垂直壓縮；（2）密封條壓縮量不大于10mm，重卡一般為7-8mm；（3）密封條沿車門周邊受壓力是均勻的。

一般對于密封條的力學(xué)特性采用壓縮負(fù)荷或壓變力來表示，通常取100mm 密封條壓縮到一定壓縮量的力值；一般重卡車門采用兩道密封條，分別是門洞密封條和頭道密封條，且頭道密封條的斷面不止一種，故頭道密封條的反彈力需分段計算，密封條反彈力：

其中，P 代表不同密封條的壓縮負(fù)荷，L門、L頭1、L頭2、L接分別為門框條的長度、頭道1 斷面的長度、頭道2 斷面的長度、頭道接角的長度。上述計算方法為理論計算方法，但通常密封條反彈力多采用試驗方法測得，測量時應(yīng)拆除門洞上的鎖扣，并進(jìn)行多次測量取平均值，且門洞與側(cè)圍間隙尺寸偏差較小。

1.2 空氣阻力

車門在關(guān)閉過程中密封條與密封面接觸壓縮，當(dāng)密封條壓縮至極限位置時，壓縮駕駛室內(nèi)空氣，車廂內(nèi)部空氣壓力增大，對車門產(chǎn)生反向力。針對空氣壓縮阻力可采用近似方法進(jìn)行計算，但在計算之前必須假設(shè)駕駛室內(nèi)部完全密封的空間。

壓縮時駕駛室內(nèi)氣壓：

其中：V 為駕駛室內(nèi)空氣容量，P 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，S 為車門迎風(fēng)面積，v 為車門中心瞬時速度。

車門所受空氣阻力：

從公式中可以看到，車門的迎風(fēng)面積對車門關(guān)閉阻力影響較大，同時駕駛室內(nèi)部空間越大，空氣壓縮阻力越小，在產(chǎn)品設(shè)計之初應(yīng)考慮這些因素。

1.3 門鎖的閉合力

關(guān)門過程中門鎖舌與鎖扣嚙合產(chǎn)生阻力，正常狀態(tài)下門鎖鎖止有兩檔，門鎖的關(guān)閉力也多采用試驗的方法進(jìn)行測量，測量時應(yīng)拆除密封條，多次測量取平均值。

1.4 限位器過檔力

車門限位器的作用主要是為了限制車門開度且對車門開閉舒適性及安全性有重要作用，停泊在坡道且車門打開時，打開車門時，保證車門至少停留在某一檔位不關(guān)閉；同時在開關(guān)車門時具有良好的手感。

關(guān)閉車門時，限位器殼體在臂桿上運(yùn)動，通過凹槽時會產(chǎn)生過檔力。通過實車調(diào)查分析，限位器過檔力對車門關(guān)閉力整體影響較小。

1.5 鉸鏈旋轉(zhuǎn)阻力

車門開啟和關(guān)閉時，以上下鉸鏈軸為中心軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，需要克服鉸鏈軸與軸套間存在摩擦阻力。重型商用車設(shè)計扭矩為0.5Nm～3Nm，試驗測試發(fā)現(xiàn)鉸鏈旋轉(zhuǎn)阻力對車門關(guān)閉力整體影響較小。

1.6 其他影響因素

車門鉸鏈軸線的布置也會影響車門關(guān)閉阻力，鉸鏈軸線向內(nèi)、向后傾斜會產(chǎn)生有利于車門關(guān)閉的力矩；另外車門系統(tǒng)各零部件精度和可靠性會影響產(chǎn)品一致性，導(dǎo)致車門關(guān)閉力和關(guān)閉品質(zhì)不能達(dá)到設(shè)計預(yù)期的效果，在生產(chǎn)和工藝環(huán)節(jié)應(yīng)加以控制。

2 優(yōu)化措施

某商用車車門關(guān)閉力偏大，對客戶的體驗以及保持產(chǎn)品競爭力有影響，故根據(jù)識別的影響因素進(jìn)行優(yōu)化，主要從密封條、門鎖及排氣閥結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，提升關(guān)閉聲品質(zhì)同時降低關(guān)閉阻力。

2.1 密封條斷面優(yōu)化

密封條反彈力主要是關(guān)門時密封條的壓縮變形和密封條內(nèi)部的空氣壓縮引起的反作用力，可以通過優(yōu)化密封條斷面結(jié)構(gòu)和材料密度減小壓縮力，同時要保證車門的密封性，可采用CAE 分析方法對密封條壓變力進(jìn)行分析，以達(dá)到優(yōu)化壓縮力的目的。優(yōu)化后前后門密封條斷面結(jié)構(gòu)及CAE 分析結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 優(yōu)化前后車門密封條斷面結(jié)構(gòu)

圖2 密封條壓變力CAE 分析對比

優(yōu)化密封條斷面后，頭道和門洞密封條壓變力分別從原來的4.07 N/100mm、9.8N/100mm 分別下降至3.34N/100mm和8.03N/100mm，力值下降約22%。

2.2 排氣閥結(jié)構(gòu)

通過在駕駛室后圍設(shè)計兩排氣單向閥結(jié)構(gòu)，排氣閥尺寸120mm×60mm，以減小車門關(guān)閉時空氣壓縮阻力，如圖3所示。增加排氣閥后，駕駛室車門關(guān)閉力降低約13%。

圖3 排氣單向閥

2.3 門鎖結(jié)構(gòu)優(yōu)化

門鎖主要通過優(yōu)化鎖體內(nèi)部鎖舌控制彈簧尺寸和材料，降低鎖體與鎖扣半鎖和全鎖狀態(tài)下嚙合阻力，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在取消限位器和密封條情況下對門鎖嚙合阻力進(jìn)行測試，全鎖狀態(tài)下阻力下降8N，同比降低45.7%，鎖體更改前后結(jié)構(gòu)如圖4 所示。優(yōu)化前后限位器三檔力值如表2 所示。

圖4 鎖體更改前后結(jié)構(gòu)

2.4 限位器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖5 限位器更改前后結(jié)構(gòu)對比

為了降低限位器過檔力，對限位臂凹槽形狀及限位臂材料進(jìn)行優(yōu)化，限位臂和外包塑件采用分體式結(jié)構(gòu)，在確保檔位清晰的同時降低過檔力，優(yōu)化前后限位器結(jié)構(gòu)如圖5 所示，限位器3 檔轉(zhuǎn)動力矩值見表2。

表2 限位器優(yōu)化前后轉(zhuǎn)動力矩

2.5 其它改進(jìn)措施

由于車門鉸鏈對車門關(guān)閉阻力影響較小，本文未介紹鉸鏈優(yōu)化過程，另外由于車門旋轉(zhuǎn)軸線更改會影響車門整體布置及開閉過程中與周邊零部件間隙，故未對軸線布置進(jìn)行優(yōu)化，但在產(chǎn)品設(shè)計階段都應(yīng)考慮這些因素；另外對于車門系統(tǒng)零部件及裝配精度的控制雖然不是優(yōu)化車門關(guān)閉阻力的措施，但卻對車門關(guān)閉力和車門關(guān)閉的感官品質(zhì)有很大影響。

3 結(jié)論

（1）重卡駕駛室設(shè)計時可以先通過數(shù)學(xué)模型對影響車門關(guān)閉阻力的密封條反彈力和空氣壓縮阻力進(jìn)行估算，并進(jìn)行優(yōu)化；（2）密封條設(shè)計過程中可以通過CAE 分析對斷面進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計階段應(yīng)充分應(yīng)用計算手段達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計的目的；（3）另外若結(jié)構(gòu)允許，車身應(yīng)增加單項排氣閥以減小空氣壓縮阻力；（4）另外在車門系統(tǒng)布置時應(yīng)充分考慮鉸鏈軸線布置角度，以改善車門關(guān)閉阻力。（5）產(chǎn)品開發(fā)階段還應(yīng)充分考慮限位器的結(jié)構(gòu)，不同類型的限位器和結(jié)構(gòu)對車門關(guān)閉力會有一定影響。