車門系統(tǒng)閉合力影響因素及設(shè)計(jì)要求

魏益冰 張宏森

(德創(chuàng)未來(lái)汽車科技有限公司,西安，710200)

0 前言

車門閉合力泛指用戶關(guān)門的感覺，包括關(guān)門過(guò)程中力的大小、速率和施力位置等。隨著用戶對(duì)整車品質(zhì)的重視，針對(duì)整車性能特別是操作舒適性提出更高的要求，車門閉合效果是影響操作舒適性的重要主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，受到用戶的廣泛關(guān)注。在汽車開閉系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，閉合力設(shè)計(jì)一直是個(gè)難點(diǎn)問題，失敗的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致關(guān)門困難、關(guān)門聲難聽及門洞漏風(fēng)漏水等問題，因此各主機(jī)廠的J.D.POWER 新車質(zhì)量調(diào)研報(bào)告、IQS 調(diào)查表和Apeal 評(píng)價(jià)表內(nèi)對(duì)關(guān)門品質(zhì)都提出考核評(píng)價(jià)要求。

1 車門系統(tǒng)閉合力影響因素

影響車門系統(tǒng)閉合力的因素有很多，本文處所提到的影響因素單指在設(shè)計(jì)階段能夠規(guī)避的影響因素?？偨Y(jié)有要以下8 個(gè)影響因素：鉸鏈軸線布置、車門重心位置、鉸鏈空轉(zhuǎn)力矩、限位器結(jié)構(gòu)、鎖體關(guān)閉過(guò)程中的作用力、密封條壓縮載荷、密封間隙設(shè)計(jì)、車門關(guān)閉過(guò)程中空氣阻力。

2 車門系統(tǒng)閉合力設(shè)計(jì)要求

2.1 鉸鏈軸線布置

鉸鏈軸線布置主要影響車門重心的抬升量。重心抬升后，車門關(guān)閉過(guò)程中，重力可以轉(zhuǎn)換為關(guān)門的助動(dòng)力，能夠降低關(guān)門所用人力，能夠改善關(guān)門操作舒適性。但是如果重心抬升太高，將導(dǎo)致開門吃力，所以鉸鏈軸線的布置并非是一味增大重心抬升量，而是找到一個(gè)相對(duì)平衡的位置。影響車門重心抬升量的因素是車門鉸鏈軸線的傾角。由圖1 與圖2 可以看出，后傾與內(nèi)傾都會(huì)導(dǎo)致車門重心抬升，但據(jù)此依然無(wú)法確定軸線傾角的范圍。

圖1 前后傾角對(duì)重心抬升量的影響

圖2 內(nèi)外傾角對(duì)重心抬升量的影響

車門開關(guān)過(guò)程的舉升高度，是影響開關(guān)門時(shí)的操作感覺(可通過(guò)開關(guān)門操作力矩、能量分析)的關(guān)鍵因素。一般鉸鏈軸傾角的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足在開關(guān)門時(shí)，通過(guò)限位器中間檔位后，車門有自動(dòng)打開關(guān)閉的趨勢(shì)。布置時(shí)應(yīng)優(yōu)化車門傾角，以滿足車門開關(guān)操作的舒適性要求，如圖3 所示。

圖3 內(nèi)傾2.5°與前傾組合對(duì)重心抬升量

經(jīng)分析鉸鏈軸前傾+內(nèi)傾布置，車門舉升高度的變化趨勢(shì)，利于車門開關(guān)閉。但因周邊布置條件的限制，允許在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，例如：因?yàn)榍伴T布置結(jié)構(gòu)帶來(lái)的限制，后門鉸鏈軸線需要后傾。

鉸鏈軸傾角導(dǎo)致在車門閉合方向上有一個(gè)重力在關(guān)門方向上的助F，F(xiàn)=mg*sinα，其中α 為重力與重心和鉸鏈軸形成的平面的夾角，且 F 法向于該平面。重力分力矩=F*R。鉸鏈軸內(nèi)傾導(dǎo)致車門開啟時(shí)重心抬高，重心變化導(dǎo)致的勢(shì)能差有利于車門閉合計(jì)算公式：Δ Ep=mg*Δh 。圖4 為三組較優(yōu)組合對(duì)應(yīng)重心抬升量、重力分力矩、重力勢(shì)能隨車門關(guān)閉的變化。

綜上分析總結(jié)，鉸鏈傾角應(yīng)為：前傾1～2.5°，內(nèi)傾1～2.5°，重心抬升高度10～25 mm。

2.2 車門重心位置

車門重心位置對(duì)閉合力的影響歸根結(jié)底是重力矩對(duì)開關(guān)門的助力影響。在重心抬升量不變的情況下，力臂越大，重力助力效果越明顯，所以車門重心應(yīng)盡量遠(yuǎn)離鉸鏈軸線。但重心位置與造型、布置等有很大關(guān)聯(lián)，所以在設(shè)計(jì)前期關(guān)注即可，不必刻意為之，如條件允許，盡可能使車門重心遠(yuǎn)離鉸鏈軸線。

2.3 車門空轉(zhuǎn)力矩

鉸鏈空轉(zhuǎn)力矩是開關(guān)門過(guò)程的阻力矩，阻力矩越小越好。但是鉸鏈產(chǎn)品是軸和軸套的鉚接關(guān)系，為保證軸的同軸度，需要一定的鉚接力，所以空轉(zhuǎn)力矩是不可避免的。鉸鏈空轉(zhuǎn)力矩范圍：0.8～1.5 Nm。

2.4 限位器結(jié)構(gòu)

限位器在車門開關(guān)過(guò)程中提供阻力矩，目的是為保證車門能夠在固定位置限位。限位阻力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致車門開閉力增大，阻力過(guò)小車門無(wú)法限位，所以限位器的限位力應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，限位器開閉力值見圖5。根據(jù)車門開閉人機(jī)評(píng)價(jià)及車門駐坡限位要求，限位器限位力范圍為：35～40 N。

圖5 車門限位器開閉力

2.5 鎖體關(guān)閉過(guò)程作用力

車門的關(guān)閉過(guò)程中，通過(guò)鎖體與鎖扣之間的嚙合來(lái)達(dá)到車門關(guān)閉的目的，則在鎖體繞鎖扣轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，必然消耗動(dòng)能。

圖6 所示為車門關(guān)閉過(guò)程中鎖體繞鎖扣嚙合過(guò)程的力與位移關(guān)系。減小此阻力有利于車門關(guān)閉，但此力與鎖體結(jié)構(gòu)有關(guān)，無(wú)法克服，在鎖體產(chǎn)品技術(shù)要求中，應(yīng)明確此力的范圍。例如，某車型鎖體與鎖扣嚙合過(guò)程中：力的變化10～45 N，運(yùn)動(dòng)距離20 mm。

圖6 克服鎖扣阻力和位移曲線

2.6 密封條壓縮載荷

車門密封條的壓縮載荷力在車門關(guān)閉過(guò)程中起很重要的作用，密封條要起到密封作用，需要有一定的壓縮力，所以密封條的壓縮載荷力應(yīng)控制在一個(gè)范圍內(nèi)。車門一般情況下有兩道密封條，分別為門洞條和門密封條，部分經(jīng)濟(jì)型車型出于成本考慮，會(huì)取消門密封條，僅一道密封。密封條的壓縮載荷設(shè)計(jì)如下：門洞密封條載荷力：3±1.5 N/100 mm，門密封條載荷力：4±1.5 N/100 mm。

2.7 密封間隙設(shè)計(jì)

如圖7 所示，門洞密封間隙指的是止口與門密封面直接距離，門密封間隙指的是門密封面與側(cè)圍密封面之間的間隙。表1為某車型車門系統(tǒng)密封間隙定義。

圖7 車門系統(tǒng)密封截面

表1 某車型車門系統(tǒng)密封間隙定義

2.8 車門關(guān)閉過(guò)程中空氣阻力

門洞密封間隙13 mm，車門在關(guān)閉過(guò)程中，空氣被壓縮，通過(guò)排氣孔排出車外，如果汽車排氣孔設(shè)計(jì)不當(dāng)，將導(dǎo)致車門關(guān)閉力增大。表2 為某車型車門最小關(guān)閉速度受排氣孔的影響。

表2 某車型車門最小關(guān)閉速度與排氣孔的關(guān)系 (m/s)

由上可見，車艙內(nèi)空氣阻力對(duì)車門關(guān)閉力有較大影響。車身排氣孔的設(shè)計(jì)不屬于開閉件專業(yè)，但開閉件專業(yè)在前期設(shè)計(jì)應(yīng)提出要求。

3 結(jié)論

(1)鉸鏈軸線布置主要影響車門重心的抬升量，一般情況下建議鉸鏈軸前傾+內(nèi)傾布置，同時(shí)考慮周邊件布置找到一個(gè)相對(duì)平衡的位置。

(2)單純考慮閉合力希望車門系統(tǒng)重心應(yīng)盡量遠(yuǎn)離鉸鏈軸線，以增大重力矩對(duì)開關(guān)門的助力，但車門重心受造型、布置限制。

(3)鉸鏈空轉(zhuǎn)力矩越小越好，但考慮鉸鏈工程可行性，建議鉸鏈空轉(zhuǎn)力矩范圍：0.8～1.5 Nm。

(4)根據(jù)車門開閉人機(jī)評(píng)價(jià)及車門駐坡限位要求，限位器限位力范圍為：35～40 N。

(5)減小關(guān)門過(guò)程中鎖體與鎖扣之間的嚙合力，有利于車門關(guān)閉。

(6)一般情況下門洞密封條載荷力：3±1.5 N/100 mm，門密封條載荷力：4±1.5 N/100 mm。

(7)門密封間隙和門洞密封間隙參考競(jìng)品車，定義一個(gè)合理的值。

(8)設(shè)計(jì)階段充分考慮車門關(guān)閉速度與排氣孔的關(guān)系。