基于能量守恒的尾門自動落鎖分析

張 偉，陳智家，陳鉦金

（浙江零跑科技股份有限公司，浙江 杭州 310053）

汽車車門關(guān)閉性能是評價汽車車門設(shè)計和汽車使用性能的重要指標之一，直接反映了車輛質(zhì)量的好壞及汽車廠的生產(chǎn)制造水平。目前國產(chǎn)汽車試制或批量生產(chǎn)過程中大都會受到車門關(guān)閉困難問題的困擾，導(dǎo)致反復(fù)進行質(zhì)量整改，耗費大量的人力物力[1]。因此，在車身設(shè)計中車門關(guān)閉性能倍受關(guān)注。

本文通過分析各影響因素在尾門關(guān)閉過程中產(chǎn)生或消耗的能量，并根據(jù)能量守恒定律，獲得尾門自動落鎖需要的能量。另外，系統(tǒng)分析了各影響因素的相關(guān)參數(shù)對自動落鎖的影響，為汽車尾門自動落鎖設(shè)計及質(zhì)量問題改進提供理論依據(jù)，以減少后期的質(zhì)量整改。

1 尾門自動落鎖定義

為便于分析，首先對自動落鎖進行量化定義。汽車尾門在關(guān)門過程中會經(jīng)歷手動關(guān)門及自動關(guān)門兩個階段，從開門位置往下關(guān)門的初期，氣彈簧的支撐力矩大于尾門重力矩，需要人手施加外力才能將尾門往下關(guān)，這一區(qū)間稱之為手動關(guān)門區(qū)間。在關(guān)門過程中由于重力矩和支撐力矩不斷變化，在某一位置會達到平衡，尾門會處于懸停狀態(tài)，稱之為關(guān)門平衡點；越過這一平衡點重力矩大于支撐力矩，尾門不需要外力會自動關(guān)閉，稱之為自動關(guān)門區(qū)間，如圖1 所示。

圖1 關(guān)門區(qū)間

所謂自動落鎖，即尾門越過平衡點后尾門在自動關(guān)門區(qū)間內(nèi)可以達到尾門全鎖狀態(tài)；需要說明的是，在手動關(guān)門階段，由于人手力的作用，在達到平衡點時尾門已經(jīng)具備了一定的初速度，這個初速度使得尾門在此刻已經(jīng)具備了一定的動能，此動能會直接影響到是否可以自動落鎖，而這個動能大小取決于人用多大的力去關(guān)門，屬于人為因素，無法對其量化計算。

本文研究的自動落鎖是指在關(guān)門平衡點時尾門處于懸停靜止狀態(tài)（即動能為0，目的是避免人為因素對系統(tǒng)產(chǎn)生影響），以這個狀態(tài)為起點，研究尾門是否可以自動落鎖。

2 自動落鎖的影響因素

影響尾門自動落鎖因素主要有密封條壓縮變形、車內(nèi)氣壓阻力、門鎖作用力、鉸鏈摩擦力矩、氣彈簧、緩沖塊限位塊、尾門重量及重心以及鉸鏈軸線布置位置等因素。另外還有在生產(chǎn)及工藝控制方面出現(xiàn)的非正?；虿淮_定因素，本文不做研究。

通過能量守恒定律，從能量的角度分析尾門是否可以自動落鎖，即在從平衡點到全鎖這一關(guān)門過程中，有哪些能量是幫助關(guān)門的，稱之為對系統(tǒng)做正功；有哪些能量是阻礙關(guān)門的，稱之為對系統(tǒng)做負功。通過對這些能量進行計算，若正功總和≥負功總和，則認為尾門可以自動落鎖；反之，則認為不能。

各因素具體影響分析如下：

1.密封條

尾門關(guān)閉過程中對密封條產(chǎn)生擠壓，密封條受擠壓后產(chǎn)生反作用力，此作用力在尾門關(guān)閉過程中消耗能量，阻礙尾門關(guān)閉。密封條對閉合力的影響主要有三個指標：壓縮負荷，壓縮量及總長度[2-3]。總長度一般由BRLINE 決定，密封條設(shè)計過程中可通過設(shè)計合理的壓縮負荷和壓縮量滿足能耗目標要求。

2.氣壓

尾門快速關(guān)閉過程中，從密封條接觸尾門密封面到完全關(guān)閉，尾門在極短的時間壓縮車內(nèi)空間的空氣，車內(nèi)空氣受壓后壓力上升產(chǎn)生一個氣壓阻，在尾門關(guān)閉過程中消耗能量，對系統(tǒng)做負功[4-5]。

3.門鎖

尾門關(guān)閉過程中，門鎖通過鎖扣與鎖體的嚙合達到尾門關(guān)閉，在鎖體轉(zhuǎn)動過程中必然消耗能量，鎖體和鎖扣嚙合一般設(shè)計兩級鎖緊位，每個鎖緊位均需克服回位彈簧力消耗動能，對系統(tǒng)做負功。

4.鉸鏈

鉸鏈對關(guān)門能量的影響在于尾門關(guān)閉過程中，鉸鏈的固定部分和活動部分的相互摩擦?xí)p耗能量，摩擦力主要體現(xiàn)為鉸鏈自身旋轉(zhuǎn)阻力。此部分對系統(tǒng)做負功。

5.氣彈簧

尾門關(guān)閉過程中氣彈簧對尾門會有一個支撐力，此部分力對尾門做的功阻礙尾門關(guān)閉，為負功。需要說明的是，如果關(guān)門過程中氣彈簧過了死點，力臂變?yōu)樨撝?，則此部分功為正功，計算時應(yīng)計算氣彈簧負功與正功的和，一般情況下這個值還是屬于負功。

6.緩沖塊/限位塊

尾門關(guān)閉過程中，從緩沖塊限位塊與對手件接觸到尾門完全關(guān)閉，緩沖塊及限位塊會產(chǎn)生一個彈性勢能，此部分能量消耗尾門動能，對系統(tǒng)做負功。

7.尾門重量及重心

關(guān)門過程中，尾門重心Z向會有一個向下的位移，這段位移內(nèi)重力勢能轉(zhuǎn)換為動能。重心及鉸鏈位置影響重力臂以及重心的Z向位移，尾門重量越大、重力臂越大、重心Z向位移越大，則重力做的功越大；尾門重力幫助關(guān)門，對系統(tǒng)做正功。

3 模型建立

自動落鎖的各個影響因素的數(shù)學(xué)模型分別如下：

3.1 尾門密封條

1）假設(shè)尾門關(guān)閉時，尾門平面壓縮密封條；2）密封條變形為彈性變形；3）密封條沿周長方向均勻受力。

把長度為L的密封條分割成n段，每段長ΔLi，則關(guān)閉尾門時壓縮第i段密封條所消耗的能量為

式中，F(xiàn)i為尾門壓縮時第i段密封條產(chǎn)生的阻力；P為密封條壓縮負荷，N/m；S為密封條壓縮量，mm。

在密封條長度L上，阻力所做的總功為

可以看出，影響密封條能耗主要參數(shù)為密封條長度、壓縮負荷及壓縮量。密封條長度在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計時已基本確定，長度越長，產(chǎn)生的阻力越大；壓縮負荷一般由密封條材料、截面形式等決定，壓縮負荷越大，產(chǎn)生的阻力越大。

3.2 氣壓阻力

1）假設(shè)尾門從壓縮密封條開始至結(jié)束的運動是平動過程；2）假設(shè)駕駛室空間內(nèi)的空氣為理想氣體，尾門關(guān)閉壓縮過程中忽略溫度上升值；3）假設(shè)駕駛室內(nèi)空氣質(zhì)量不變。根據(jù)工程熱力學(xué)理想氣體狀態(tài)方程可得[6]

式中，P0為標準大氣壓；V0為尾門關(guān)閉前車內(nèi)空氣容積；Pi為關(guān)閉時駕駛室內(nèi)氣壓；Vi為尾門關(guān)閉后車內(nèi)空氣容積。

設(shè)尾門迎風(fēng)面積為A0，密封條壓縮量為Si，則

尾門關(guān)閉過程中，當密封條壓縮量為Si時，駕駛室容積變化而產(chǎn)生的阻力為

由以上可得空氣壓縮阻力增量所做的功為

從式（6）可以看出，車內(nèi)體積V0越大，壓縮比例越小，關(guān)門消耗的能量越小，關(guān)門越輕便，如圖8 所示；迎風(fēng)面積A0（即尾門面積）越大，關(guān)閉尾門所克服的阻力越大，尾門關(guān)閉力越大。

3.3 門鎖

尾門關(guān)閉至接觸鎖扣到完全鎖上這個過程，需要提供克服鎖扣力所需的能量，設(shè)尾門閉合過程中鎖的嚙合力為f，關(guān)閉尾門鎖舌運動距離為S，則門鎖關(guān)閉能耗為

從式（7）可以看出，鎖的嚙合力越大，行程越大，則耗能越大。

3.4 尾門鉸鏈

尾門關(guān)閉過程中，尾門自身的旋轉(zhuǎn)阻力對系統(tǒng)做功，設(shè)鉸鏈的旋轉(zhuǎn)力矩為M,從平衡點至關(guān)閉狀態(tài)鉸鏈旋轉(zhuǎn)的角度（弧度），單個鉸鏈耗能為

從式（8）可以看出，鉸鏈旋轉(zhuǎn)阻力越大，鉸鏈轉(zhuǎn)過的弧度越大，則耗能越大。

3.5 氣彈簧

氣彈簧做的功可以用氣彈簧的支撐力矩乘轉(zhuǎn)過的弧度來計算，但由于支撐力矩與角度的函數(shù)較為復(fù)雜，故轉(zhuǎn)換為氣彈簧自身從平衡點至關(guān)門狀態(tài)行程變化量范圍內(nèi)所做的功，設(shè)氣彈簧工作行程為S，從平衡點至關(guān)門狀態(tài)行程為S1，關(guān)門起始點力值為F3，關(guān)閉狀態(tài)氣彈簧力值為F4，則氣彈簧耗能為

從式（9）可以看出，氣彈簧力值越大，S1越大，則氣彈簧耗能越大。

3.6 緩沖塊、限位塊

尾門關(guān)閉過程中，從緩沖塊限位塊與對手件接觸到尾門完全關(guān)閉，設(shè)緩沖塊彈性系數(shù)為K，干涉量為x，緩沖塊個數(shù)為n，則緩沖塊做的功為

從式（10）可以看出，緩沖塊彈性系數(shù)越大，干涉量越大，個數(shù)越多則耗能越多；限位計算模型同緩沖塊。

3.7 重力

尾門在閉合過程中重力產(chǎn)生的勢能為

式中，m為尾門質(zhì)量；h為從平衡點到關(guān)閉位置尾門重心的Z方向變化量?？梢钥闯鑫查T質(zhì)量越大、重心Z向落差越大，對系統(tǒng)產(chǎn)生的能量越大。

綜合以上，各影響因素的具體數(shù)值均已模型化。

4 實際案例分析

根據(jù)能量守恒原理，幫助關(guān)門的能量應(yīng)不小于阻礙關(guān)門的能量尾門才能自動落鎖，即滿足如下關(guān)系式[7]

以某車型為例，受限將各影響因素以表格新式列出，再將各因素的影響參數(shù)作為第二季輸入列出，計算過程采用上文的公式，最終可以得到各因素做的功，計算如表1 所示。

表1 能量計算

通過計算可知，幫助關(guān)門的能量為17.13 J，阻礙關(guān)門的能量為16.43 J，理論角度分析尾門可自動落鎖，但由于二者差值不大，若鈑金內(nèi)間隙、密封條壓縮載荷、氣彈簧力值、環(huán)境溫度、緩沖塊干涉量等因素略有些偏差，則很可能導(dǎo)致不能自動落鎖。

通過實車驗證，理論計算的結(jié)果與實際情況較為接近。在新車型應(yīng)用時，可以通過調(diào)節(jié)各種參數(shù)，來達到需要的效果。

5 總結(jié)和建議

通過上述分析可知，在阻礙關(guān)門的各種能量中，氣彈簧所做的貢獻最大；對這部分能量最為敏感的兩個參數(shù)是F4的值（壓縮到底時氣彈簧力值）以及S1（關(guān)門平衡點至全關(guān)位置氣彈簧行程）；而這兩個參數(shù)又受尾門重力、重心位置、鉸鏈軸線、氣彈簧布置位置、高低溫以及氣彈簧自身力值公差極限工況下的開關(guān)門力的要求等條件所制約，很難同時滿足各種要求。如滿足了自動落鎖，就滿足不了關(guān)門力的要求，導(dǎo)致氣彈簧支撐不起來尾門；另一方面，上述制約條件中有些因素是相互矛盾的，如為了降低F4以及S1，希望降低門重以及關(guān)門平衡點角度，但門重及關(guān)門平衡點降低了，勢必導(dǎo)致重力勢能也隨之降低，反而又影響自動落鎖。

綜上，尾門自動落鎖影響因素較多，各種因素相互制約，在車型設(shè)計中應(yīng)對各種因素綜合考慮統(tǒng)籌計算，以便達到最優(yōu)效果，提升尾門關(guān)閉品質(zhì)。