汽車滑移門關(guān)門力影響研究

周杰，陳眾，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)的快速發(fā)展，車門關(guān)門力成為客戶滿意度的重要指標(biāo)，POWER中也有專門的一項(xiàng)對新車的關(guān)門力進(jìn)行調(diào)研。隨著國內(nèi)汽車開發(fā)能力的不斷提升，主機(jī)廠聯(lián)合高校對汽車關(guān)門時(shí)所需能量進(jìn)行了深入的理論分析，并開發(fā)了關(guān)門力分析軟件，可以在項(xiàng)目開發(fā)階段對車門的關(guān)門力(使車門從開啟狀態(tài)到完全關(guān)閉所需的最小能量)進(jìn)行預(yù)判和問題原因分析，從而有效地控制關(guān)門力，提升客戶滿意度[1]。

目前市面上中大型多用途汽車(MPV)的側(cè)后門一般采用滑移門，其沿著導(dǎo)軌軌跡滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)車門的開關(guān)，相比旋轉(zhuǎn)車門，其運(yùn)動(dòng)原理完全不同，使得旋轉(zhuǎn)車門的關(guān)門力分析方法不能應(yīng)用到滑移門開發(fā)中。而且中大型MPV的車門尺寸及質(zhì)量較大，客戶關(guān)閉車門時(shí)更加費(fèi)勁，因此有關(guān)滑移門的關(guān)門力抱怨一直存在。

通過多款滑移門車型的開發(fā)，發(fā)現(xiàn)密封條和緩沖塊是滑移門關(guān)門力大的主要影響因素之一，文中通過系統(tǒng)的理論分析和實(shí)車測量校核，探討了密封條、緩沖塊和間隙控制對滑移門關(guān)門力影響的快速計(jì)算方法，從而制定了合理的滑移門密封條斷面和CLD要求，以及合理的緩沖塊干涉和剛度要求，在滿足密封、定位性能的同時(shí)降低對關(guān)門力的影響。

1 滑移門關(guān)門力影響因素簡介

汽車滑移門系統(tǒng)由門鈑金、導(dǎo)軌、滾輪支架、門鎖、密封條、輔助定位系統(tǒng)等零部件組成，如圖1所示，滑移門通過滾輪支架在上、中、下3根導(dǎo)軌內(nèi)滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)。

圖1 滑移門相關(guān)零件爆炸圖

滑移門關(guān)閉時(shí)，需要克服乘客艙內(nèi)空氣被壓縮的阻力，以及密封條、門鎖、緩沖塊、定位扣等零部件接觸或壓縮產(chǎn)生的反力，因此客戶在關(guān)門時(shí)，需要提供足夠的能量來克服這些反力，當(dāng)客戶需要提供非常大的能量才能關(guān)閉車門時(shí)，就會(huì)感到費(fèi)力，從而引起客戶不滿[2]。影響關(guān)門力的因子如圖2所示。

圖2 滑移門關(guān)門力影響因子

2 滑移門關(guān)門力影響分析

汽車滑移門關(guān)門力可以分為空氣壓阻和系統(tǒng)阻力兩大部分，其中空氣壓阻主要是由于滑移門關(guān)閉時(shí)，乘客艙內(nèi)的空氣不能順暢地排出被壓縮，從而產(chǎn)生反力阻礙車門關(guān)閉。根據(jù)某MPV車型的實(shí)際測量，發(fā)現(xiàn)空氣壓阻對關(guān)門力的貢獻(xiàn)與系統(tǒng)阻力基本呈現(xiàn)1∶1的關(guān)系，因此當(dāng)降低系統(tǒng)阻力時(shí)，空氣壓阻也會(huì)隨之降低，從而有效地改善關(guān)門力。

滑移門系統(tǒng)阻力又可以分為兩大塊，其中一塊是由滑門自重和導(dǎo)軌傾角帶來的，為了降低關(guān)門力，導(dǎo)軌布置時(shí)一般會(huì)前傾一定角度，從而滑門自重就可以提供助關(guān)的能量；另一塊是由滑移門相關(guān)的零部件在滑移門關(guān)閉時(shí)接觸或壓縮產(chǎn)生反力消耗能量阻礙車門關(guān)閉。基于滑移門的實(shí)際測量，每個(gè)零部件消耗的能量大致如圖3所示。

圖3 滑移門相關(guān)零部件消耗能量分配圖

從圖3可知，密封條系統(tǒng)反力對關(guān)門力的影響較大。但是從圖1滑移門的零件爆炸圖可以發(fā)現(xiàn)，滑移門在關(guān)閉位置，由于約束系統(tǒng)的需要，相比旋轉(zhuǎn)門，滑移門多了B、C柱的緩沖塊。緩沖塊是滑移門定位約束不可或缺的一部分，緩沖塊設(shè)計(jì)恰當(dāng)可以對滑移門起到很好的約束作用，同時(shí)對滑移門的關(guān)門力帶來較小的影響。合理的關(guān)門能量的組成中，緩沖塊對關(guān)門能量的影響約占5%。但不合理的緩沖塊設(shè)計(jì)，會(huì)對關(guān)門能量帶來較大的影響，如某款MPV開發(fā)過程中，為了解決滑移門約束問題，加大緩沖塊干涉量和反力，導(dǎo)致緩沖塊對關(guān)門能量的影響占比翻番。

更重要的是，為了滑移門穩(wěn)定的約束系統(tǒng)和較小的關(guān)門能量，密封條和緩沖塊的反力需要協(xié)調(diào)開發(fā)，在保證滑移門穩(wěn)定性的同時(shí)，將關(guān)門力降到最小。因此文中將著重對密封條和緩沖塊相關(guān)的影響進(jìn)行深入的理論分析和物理驗(yàn)證，制定合理的密封、緩沖策略。

3 密封條對滑移門關(guān)門力的影響分析

滑移門關(guān)閉時(shí)密封條被壓縮，其彈性會(huì)給滑移門一個(gè)反力，阻礙滑移門關(guān)閉，同時(shí)密封條被壓縮時(shí)，其內(nèi)部的空氣由于排氣速度慢也會(huì)被壓縮形成密封條自身的空氣壓阻。

3.1 密封條彈性力

滑移門密封條如圖1所示，其安裝在門框上，滑移門關(guān)閉時(shí)壓縮密封條，從而起到密封作用。密封條被壓縮時(shí)，就會(huì)對車門提供一定的反力。將密封條分割成N小段，每段長度一定，通過疊加每一小段密封條的能量消耗得到整段密封條的能量消耗。Fi為第i段密封條所受的壓縮力。

則密封條壓縮消耗能量[3-4]為：

Eseal=∑Fi·iseali

如圖4所示，正方形為密封條4個(gè)端點(diǎn)圍成的密封條區(qū)域，三角形為車門關(guān)閉位置上中下支架確定的滑移門參考平面；以關(guān)閉位置下鉸鏈為原點(diǎn)，建立滑移門參考平面局部坐標(biāo)系。

圖4 密封條壓縮量計(jì)算模型

根據(jù)密封條相對于參考平面位置不變原理，可計(jì)算出此時(shí)密封條的全局Y向位移為：

該密封條點(diǎn)在關(guān)閉位置圧縮量為hmax，則車門開度為Slp時(shí)的壓縮量為：

hlp=hmax-Ys-zgap

式中:zgap為密封條上該點(diǎn)的密封間隙調(diào)整值；根據(jù)壓縮量和CLD曲線，可插值得到該位置下密封條彈性力Fi。

3.2 密封條排氣孔壓阻

密封條上每隔一定間距分布著排氣孔，可以加快空氣從密封條系統(tǒng)內(nèi)流出?？諝鈴呐艢饪琢鞒龅倪^程是一種非線性阻尼機(jī)構(gòu)，阻尼力的大小取決于排氣孔的大小和間距，對關(guān)門能量的影響比較顯著。

假定空氣為無黏流動(dòng)，且不可壓縮，則廣義伯努利積分可表示為：

根據(jù)對稱性要求，流動(dòng)速度U(x,t)須垂直于控制體積表面，如圖5所示。

圖5 密封條內(nèi)控制體積示意

假定沿流線路徑的流動(dòng)加速度為常量，則密封條內(nèi)外壓力差為：

則作用在密封條上的排氣孔阻尼力為：

作用在單位長度密封條上的排氣孔阻尼力為：

代入上述各式可得：

假定密封條受壓時(shí)，垂向高度變化率遠(yuǎn)大于橫向?qū)挾茸兓?，則可將上式簡化為：

4 密封條設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 不同區(qū)域密封條彈性力對關(guān)門力的影響計(jì)算

密封條生產(chǎn)為擠出工藝，滑移門一圈密封條的泡型一致，但裝到側(cè)圍鈑金上之后，由于壓縮方向不同，如圖6所示，密封條相對滑移門B柱、C柱、Roof和Rocker的壓縮距離不同，同時(shí)，同一泡型在不同的位置對滑移門產(chǎn)生的彈性力也不一樣，從而導(dǎo)致每個(gè)區(qū)域密封條能耗不同。

圖6 滑移門不同區(qū)域密封條壓縮方向示意

以某滑移門的C柱和Rocker為例，車門密封條采用等截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于壓縮方向不同，根據(jù)CAE分析結(jié)果，這兩個(gè)區(qū)域的CLD差別很大，如圖7和圖8所示，C柱區(qū)域密封條CLD為3.86 N/100 mm，Rocker區(qū)域密封條CLD為4.53 N/100 mm，可見，Rocker密封條CLD比C柱密封條CLD大很多。

圖7 C柱區(qū)域密封條受力分析

圖8 Rocker區(qū)域密封條受力分析

以該密封條CLD力值曲線，基于第3節(jié)理論分析計(jì)算，C柱區(qū)域密封條反彈力能耗0.68 J，Rocker區(qū)域密封條反彈力能耗0.25 J，整個(gè)關(guān)門過程中，C柱密封條反彈力做功是Rocker密封條的2.7倍，同樣方法可以計(jì)算出其他區(qū)域密封條能耗。

再基于某滑移門的實(shí)際測量，各區(qū)域密封條消耗的能量(不含密封條空氣壓阻)如圖9所示，顯然滑移門C柱密封條貢獻(xiàn)最大，是其他區(qū)域(包括rocker)的3倍，和理論分析結(jié)果基本一致，所以通過降低C柱密封條在關(guān)門過程中的能耗可以有效降低滑移門關(guān)門力。

圖9 滑移門不同區(qū)域密封條耗能示意

4.2 不同排氣孔尺寸對關(guān)門力的影響計(jì)算

隨著汽車市場愈加成熟，客戶對車輛的外觀要求也越來越高。受限于密封條斷面尺寸和拐角半徑，當(dāng)密封條排氣孔大于4 mm、間距小于100 mm時(shí)，將不可避免地產(chǎn)生外露問題，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以避免。

根據(jù)第3.2節(jié)理論分析，密封條排氣孔尺寸越大，排布越密集，密封條在受到擠壓時(shí)空氣排出密封條的速度也越快，空氣壓阻也就越小。如圖10所示，通過計(jì)算，當(dāng)排氣孔直徑小于3 mm時(shí)，隨著排氣孔尺寸增大，關(guān)門力急劇降低;當(dāng)排氣孔直徑增大到4 mm后，隨著排氣孔的增大，關(guān)門力變化已經(jīng)非常不明顯。同樣，如圖11所示，當(dāng)排氣孔間距小于120 mm后，排氣孔間距對關(guān)門能量影響趨緩。

圖10 關(guān)門能量和排氣孔尺寸關(guān)系

圖11 關(guān)門能量和排氣孔間距關(guān)系

基于以上分析，將排氣孔直徑由3 mm變?yōu)? mm，排氣孔間距由150 mm變?yōu)?20 mm， 在保證排氣孔不外露的情況下，滑移門關(guān)門能量可以降低22%?；谀郴崎T的實(shí)際測量，排氣孔直徑和間距更改前后，關(guān)門能量改善2 J。

4.3 密封間隙對關(guān)門力的影響分析

確定了密封條的設(shè)計(jì)策略，如果不能保證穩(wěn)定的密封間隙，同樣會(huì)帶來關(guān)門力的問題[5]。比如，設(shè)計(jì)的密封間隙為15.0 mm，實(shí)車密封間隙偏小，將導(dǎo)致關(guān)門力大大增加。以某滑移門密封間隙波動(dòng)為例，如圖12所示，橫坐標(biāo)為密封間隙測量點(diǎn)，1～20點(diǎn)均分布在滑移門一圈，縱坐標(biāo)為密封間隙實(shí)測值。當(dāng)制造出現(xiàn)波動(dòng)，密封間隙均值從15 mm調(diào)整到13.5 mm時(shí)，B柱密封條CLD增加到4.2 N/100 mm，Rocker密封條CLD增加到7.2 N/100 mm。關(guān)門能量可以由20 J增加到24 J。

圖12 密封間隙對關(guān)門力影響示意

5 緩沖塊的影響分析和優(yōu)化

5.1 緩沖塊反力對關(guān)門力的影響分析

如圖3所示，緩沖塊對關(guān)門力的影響沒有密封條顯著，但不合理的緩沖塊反力也會(huì)造成關(guān)門力大的問題。當(dāng)滑移門關(guān)閉時(shí)，緩沖塊開始接觸車身，對車門產(chǎn)生反作用力，阻礙關(guān)門運(yùn)動(dòng)。

緩沖塊在時(shí)間步長dt內(nèi)所做的功等于緩沖塊對車門的作用力乘以緩沖塊沿運(yùn)動(dòng)方向的位移：

ΔEb=Fb·Δdb

式中：Fb為緩沖塊對車門作用力， Δdb為車門在時(shí)間步長dt內(nèi)所移動(dòng)的距離。

從緩沖塊開始接觸車身，到車門完全關(guān)閉，需要消耗的能量：

Eb=∑ΔEb

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，緩沖塊對關(guān)門能量的影響不是簡單的線性關(guān)系。同樣的緩沖塊，同樣的壓縮量，在不同的關(guān)門速度下，緩沖塊對關(guān)門能量的貢獻(xiàn)是不同的。如圖13所示，某一車門緩沖塊在1.0 m/s的速度下壓縮的反力是在0.5 m/s速度下壓縮反力的2倍左右。將緩沖塊的這一特性稱之為動(dòng)態(tài)剛度特性，在計(jì)算緩沖塊對關(guān)門能量影響時(shí)，應(yīng)考慮緩沖塊的動(dòng)態(tài)剛度特性。

圖13 緩沖塊動(dòng)態(tài)剛度

5.2 緩沖塊設(shè)計(jì)優(yōu)化

如圖1所示，滑移門緩沖塊分為滑前后向約束的B柱緩沖塊和里外向約束的C柱緩沖塊。以起到前后約束作用的滑移門B柱為例，它們除了約束作用，還能有效提高滑移門系統(tǒng)模態(tài)，避免壞路振動(dòng)異響[6]。因此，為避免壞路異響，首先緩沖塊要有足夠的剛度，其次在制造波動(dòng)范圍內(nèi)，緩沖塊都要起到約束作用，也就是要保證緩沖塊始終和車身貼合。如圖14(b)所示，滑移門相對車身靠后時(shí)，緩沖塊仍要起到作用，那么在設(shè)計(jì)理論位置時(shí)，緩沖塊就得是干涉設(shè)計(jì)，但當(dāng)滑移門相對車身靠前時(shí)，緩沖塊就會(huì)被過分干涉，導(dǎo)致反力加劇，影響關(guān)門力。

由此，設(shè)計(jì)變剛度緩沖塊來平衡關(guān)門反力和壞路異響尤為重要，如圖14(c)所示，變剛度緩沖塊設(shè)計(jì)狀態(tài)壓縮2 mm，這可以保證緩沖間隙變大時(shí)，緩沖塊仍能和車身接觸，緩沖間隙變小時(shí)，緩沖塊過分壓縮時(shí)反力不會(huì)急劇增加。

圖14 緩沖塊形式

為了確保緩沖塊始終接觸，設(shè)計(jì)干涉量2 mm，因此滑移門與側(cè)圍的緩沖塊間隙不能出現(xiàn)大范圍波動(dòng)，需要定義該間隙的尺寸波動(dòng)在±1.5 mm以內(nèi)。采用變剛度緩沖塊后，在密封間隙波動(dòng)范圍內(nèi)，當(dāng)緩沖塊間隙走上極限偏差時(shí)，緩沖塊對關(guān)門能量的影響小于0.1 J，當(dāng)密封間隙走下極限差時(shí)，緩沖塊對關(guān)門能量的影響約為0.8 J，當(dāng)密封間隙在名義值時(shí)，緩沖塊對關(guān)門能量的影響約為0.3 J。

緩沖塊除了起到平衡定位和關(guān)門力的作用外，在大力關(guān)滑移門時(shí)，還需要起到防止滑移門撞擊到其他零件的風(fēng)險(xiǎn)，因此當(dāng)車門的過關(guān)量超出目標(biāo)值，客戶在特定工況下大力關(guān)門時(shí)，存在滑移門和其他零件干涉的風(fēng)險(xiǎn)。如圖15所示，滑移門以1.7 m/s速度關(guān)門時(shí)，車門過關(guān)量的目標(biāo)值不大于3 mm，當(dāng)緩沖塊剛度減小時(shí)，過關(guān)量達(dá)到5 mm。

圖15 緩沖塊對車門過關(guān)量的影響

6 結(jié)論

密封條和緩沖塊是影響滑移門關(guān)門力的關(guān)鍵因素，有效控制密封條和緩沖塊對關(guān)門力的影響，可以降低整車空氣壓阻的貢獻(xiàn)量，從而大大降低關(guān)門力，提升滑移門操作感知質(zhì)量。

(1)密封條泡型設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)考慮C柱壓縮方向的CLD，設(shè)定合理的壓縮量和反力可以有效降低對關(guān)門力的影響。

(2)密封條的排氣孔尺寸和排布距離，不僅影響美觀，也是影響關(guān)門力的關(guān)鍵因素之一，在保證外觀質(zhì)量的同時(shí)要盡量增大排氣孔尺寸，縮小排布距離，增加空氣流通，降低對關(guān)門力的影響。

(3)B、C柱緩沖塊都要采用變剛度設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)，緩沖塊干涉2～3 mm，當(dāng)滑移門制造波動(dòng)，緩沖塊間隙變大時(shí)，仍能始終保持接觸狀態(tài)，緩沖塊間隙變小時(shí)，緩沖塊反力增加有限。

(4)穩(wěn)定的密封間隙和緩沖塊也是控制關(guān)門力的關(guān)鍵因素，日常生產(chǎn)時(shí)要加強(qiáng)對密封間隙的監(jiān)控，確保其穩(wěn)定性，從而保證關(guān)門力的穩(wěn)定性。