背門系統(tǒng)開閉性能集成設(shè)計與計算研究

摘 要：汽車背門系統(tǒng)的可關(guān)閉性能、可解鎖性能、可彈起性能與耐振動異響性能是背門系統(tǒng)各零部件力學性能集成的結(jié)果，每個零件的力學參數(shù)都有一個合理的設(shè)計區(qū)間，單純地增大或減小都可能導致某方面的性能出現(xiàn)問題。通過對各項性能進行建模計算，并考慮公差與環(huán)境因素的影響，得到了各零部件力學參數(shù)的設(shè)計區(qū)間，精確地指導背門系統(tǒng)各零部件的力學參數(shù)設(shè)計，有效解決了背門開閉過程中的功能失效問題。

關(guān)鍵詞：背門 開閉性能 集成設(shè)計 計算

汽車背門系統(tǒng)的開閉性能指的是與背門開閉過程相關(guān)的操作感受以及功能實現(xiàn)，其中操作感受分為開啟操作力、關(guān)閉操作力、開閉平衡角度與開閉聲音品質(zhì)四個維度[1]，功能實現(xiàn)分為可關(guān)閉性能、可解鎖性能、可彈起性能與耐振動異響性能四個方面。目前關(guān)于背門開閉過程中功能實現(xiàn)的研究更多地集中在背門的可關(guān)閉性能方面，對于可解鎖性能、可彈起性能與耐振動異響性能的研究較少，對于四方面功能實現(xiàn)的集成研究更少。這四個方面的性能是背門系統(tǒng)各零部件力學性能的集成，如果為解決或優(yōu)化某一方面的性能問題，單方向地對某一個或某幾個零件的力學參數(shù)進行調(diào)整，都可能導致其他三個方面的性能出現(xiàn)問題。本研究從上述四方面功能實現(xiàn)的基本原理出發(fā)，分別建立了力學模型進行計算分析，以四方面功能的實現(xiàn)作為約束條件，對背門系統(tǒng)各零部件的作用效果進行了計算，得到了背門系統(tǒng)各零部件力學參數(shù)的設(shè)計區(qū)間，實現(xiàn)了背門系統(tǒng)開閉性能的集成設(shè)計。

1 背門系統(tǒng)可關(guān)閉性能的計算與優(yōu)化

背門的關(guān)閉過程通常是將背門由最大開啟位置手動拉動至平衡角度位置，然后自由釋放背門或在釋放瞬間順勢對背門施加一個關(guān)閉初速度推動背門關(guān)閉。背門由最大開度拉動至平衡角度為關(guān)閉第一階段，過程中手動操作力的大小與平順性取決于背門的重力以及氣彈簧的布置；背門由平衡位置關(guān)閉至上鎖位置為關(guān)閉的第二階段，如果在釋放背門瞬間需要對背門施加較大的初速度才能使背門關(guān)閉上鎖，那么直觀的關(guān)閉感受就是背門關(guān)閉困難，關(guān)閉舒適性差，因此可將關(guān)閉初速度的大小作為背門關(guān)閉舒適性的評價指標。

1.1 背門系統(tǒng)可關(guān)閉性能計算模型的建立

背門關(guān)閉的第二階段是一個能量轉(zhuǎn)換過程，此過程中背門重心降低，重力勢能釋放與關(guān)閉初動能一同推動背門關(guān)閉上鎖，過程中阻礙背門關(guān)閉的耗能因素可分為三類，第一類是氣彈簧、密封條、緩沖塊的壓縮耗能以及鎖體與鎖扣的嚙合耗能，第二類是背門鉸鏈運動端與固定端的摩擦耗能，第三類是車艙內(nèi)空氣壓縮以及密封條泡管內(nèi)空氣壓縮的氣壓阻效應耗能[2-3]。在背門關(guān)閉的第二階段要實現(xiàn)背門能夠關(guān)閉上鎖，需滿足以下能量轉(zhuǎn)換條件。

重力做功+初動能≥壓縮耗能+摩擦耗能+氣壓阻耗能

1.2 背門關(guān)閉過程中氣壓阻效應耗能的計算分析

目前關(guān)于背門氣彈簧、密封條、緩沖塊與鎖體等零件壓縮耗能的計算以及背門鉸鏈摩擦耗能的計算研究較多，計算與測試方法也較為成熟，此處不再贅述。關(guān)于車艙氣壓阻效應耗能的計算，目前主流的計算模型是將車艙簡化為一個長方體盒子，將氣體泄漏面積分為固定泄漏與可變泄漏兩部分，固定泄漏包括車身固有的密封泄漏與排氣口泄漏，可變泄漏包括背門關(guān)閉過程中不同開度的背門開口泄漏[4]。因車艙氣壓阻效應耗能的大小與整車密封性能的好壞、背門開口線的大小、車身排氣口的布置與大小以及座椅布局等一系列復雜的影響因素有關(guān)，采用上述簡化模型的計算結(jié)果與氣壓阻效應的實際影響效果相差很大。此外，密封條泡管的氣壓阻效應耗能與密封條的截面形狀、壓縮方向以及排氣孔的位置與數(shù)量等復雜因素有關(guān)，采用簡化模型的計算結(jié)果同樣與實際作用效果差別較大。

1.3 背門關(guān)閉過程中氣壓阻效應耗能的測試研究

因氣壓阻效應對背門關(guān)閉過程的影響機理復雜，目前沒有對于車艙氣壓阻效應與密封條氣壓阻效應耗能的直接測試方法。針對氣壓阻效應耗能計算準確性差以及無有效方法直接測試其大小的問題，設(shè)計了一種等效替換的測試方法，通過可測量參數(shù)計算間接得到氣壓阻效應消耗能的大小，并通過數(shù)據(jù)擬合對計算模型進行相應的系數(shù)加權(quán)，使得氣壓阻效應耗能的計算準確性得到了有效提升，其中車艙氣壓阻效應耗能的測試原理如下[5]。

在測試車輛裝配完整的狀態(tài)下，開啟乘客艙的四個側(cè)開門至最大開度，此狀態(tài)下乘客艙為完全敞開狀態(tài)，可認為背門關(guān)閉上鎖過程中無車艙氣體壓縮，此狀態(tài)下無車艙氣壓阻效應耗能，記錄此狀態(tài)下自由釋放背門可關(guān)閉至全鎖位置的最小背門開度如圖1中開度1所示。關(guān)閉所有乘客艙側(cè)開門至全鎖位置，并上升四門車窗玻璃至全閉位置，此狀態(tài)下背門關(guān)閉過程中乘客艙產(chǎn)生氣體壓縮，氣壓阻效應對背門關(guān)閉產(chǎn)生能量消耗，記錄此狀態(tài)下自由釋放背門可關(guān)閉至全鎖位置的最小背門開度如圖1中開度2所示。

在上述兩個不同的背門開度下，背門密封條、緩沖塊、鎖體等壓縮對背門關(guān)閉的能量消耗無變化，背門重力勢能的差值為背門氣彈簧耗能差值與車艙氣壓阻效應耗能之和，可得背門關(guān)閉過程中車艙氣壓阻效應消耗能大小為：

式中m為背門總成質(zhì)量，△h為開度1與開度2位置背門重心高度變化量，l1為開度1位置的氣彈簧行程，F(xiàn)1為l1位置的氣彈簧壓縮力，l2為開度2位置的氣彈簧行程，F(xiàn)2為l2位置的氣彈簧壓縮力。采用相同的測試方法，記錄有無背門密封條兩種狀態(tài)下背門可關(guān)閉至全鎖位置的最小開度，通過計算可得背門密封條泡管氣壓阻效應對背門關(guān)閉過程的耗能大小。

1.4 背門系統(tǒng)關(guān)閉舒適性的優(yōu)化方法

要優(yōu)化背門系統(tǒng)的關(guān)閉舒適性，減小背門的關(guān)閉初速度，可從三方面入手，一是減小密封條、緩沖塊等零部件的壓縮荷重以減小關(guān)閉過程的壓縮消耗能；二是通過優(yōu)化密封條泡管的排氣孔數(shù)量與設(shè)計位置以減小密封條泡管的氣壓阻效應消耗能；三是在操作舒適性的可調(diào)區(qū)間內(nèi)通過調(diào)整背門氣彈簧的布置增大背門的平衡角度，以增大關(guān)閉過程中背門的重力勢能釋放。

2 背門系統(tǒng)耐振動異響性能的計算與優(yōu)化

2.1 背門系統(tǒng)耐振動異響性能計算模型的建立

車輛在顛簸路面行駛時，由于路面的顛簸激勵易導致背門相對車身發(fā)生振動，進而導致鎖體與鎖扣之間發(fā)生磕碰異響。如圖2所示，作為車身的一部分，背門通過鉸鏈與車身連接，關(guān)閉狀態(tài)下處于以鉸鏈為旋轉(zhuǎn)軸，背門鎖、密封條、氣彈簧、緩沖塊以及限位塊約束下的力矩平衡，如果背門系統(tǒng)的支撐力矩不足以克服背門的重力力矩與顛簸產(chǎn)生的慣性力矩，背門會相對車身發(fā)生轉(zhuǎn)動，帶動背門鎖與鎖扣發(fā)生磕碰異響[6]。因此，要消除背門在顛簸路面的振動異響，背門系統(tǒng)的約束力需滿足以下條件：

其中MACC為密封條、緩沖塊、氣彈簧等支撐零件以鉸鏈為旋轉(zhuǎn)軸對背門的支撐力矩， LG為背門的重力力臂，a為背門因顛簸產(chǎn)生的振動加速度。

2.2 背門系統(tǒng)耐振動異響性能的優(yōu)化方法

要提高背門系統(tǒng)的耐振動異響性能，可從三個方面解決，一是通過模態(tài)分析對背門的固有頻率、車身固有頻率以及整車在各種工況下的激勵頻率進行匹配，避免背門因顛簸發(fā)生共振，以減小顛簸產(chǎn)生的振動加速度；二是從鎖體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方面入手，通過設(shè)計鏤空的包塑層減小磕碰聲音的響度，或者在鎖體的嚙合位置設(shè)計緩沖塊對鎖扣進行約束；三是通過提高密封條與緩沖塊等零件的支撐力，或在密封條泡管內(nèi)局部增加橡膠管或設(shè)計中部緩沖塊以增大系統(tǒng)支撐力矩MACC。

3 背門系統(tǒng)可解鎖性能的計算與優(yōu)化

3.1 背門系統(tǒng)可解鎖性能計算模型的建立

如圖3所示，背門關(guān)閉狀態(tài)下處于以鉸鏈為固定軸，背門鎖、密封條、氣彈簧、緩沖塊以及限位塊約束下的力矩平衡，其中背門自身重力以及背門鎖與鎖扣之間的拉力提供了背門在圖3所示視圖下順時針方向的旋轉(zhuǎn)力矩，背門緩沖塊、氣彈簧與密封條等支撐零件提供了背門在圖3所示視圖下逆時針方向的旋轉(zhuǎn)力矩，背門鎖與背門鎖扣之間的拉力可表示為：

式中LLATCH為背門鎖體與鎖扣之間拉力以鉸鏈軸線為旋轉(zhuǎn)軸的作用力臂。

3.2 背門系統(tǒng)反力對鎖體解鎖性能的影響計算

如圖4所示，背門鎖棘輪與棘爪在上鎖嚙合狀態(tài)下，拉力FLATCH通過鎖扣施加于鎖體棘輪，棘輪處于以棘輪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力矩平衡狀態(tài)：

式中Fn為棘輪與棘爪之間的嚙合壓力，Ln1與Ln2分別為Fn與FLATCH以棘輪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，ML為棘輪回位彈簧以棘輪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的回位力矩。

根據(jù)滑動摩擦力公式可得棘輪與棘爪之間的滑動摩擦力為：

式中μ為棘輪與棘爪之間的滑動摩擦因數(shù)。由公式4、公式5與公式6可知，鎖體棘輪與棘爪之間的嚙合壓力Fn與滑動摩擦力f的大小均取決于背門系統(tǒng)支撐力矩MACC的大小，密封條與緩沖塊等零件的支撐力增大勢必導致鎖體棘輪與棘爪之間的嚙合壓力Fn與滑動摩擦力f的增大。

如圖5所示，在背門鎖電機推動棘爪旋轉(zhuǎn)解鎖的過程中，解鎖扭矩ME需克服棘爪回位彈簧的扭矩MZ以及棘爪與棘輪嚙合面壓力Fn與摩擦力f的作用扭矩才能實現(xiàn)解鎖，背門系統(tǒng)的可解鎖條件為：解鎖力矩＞嚙合力矩+摩擦力矩+彈簧力矩，[7]即：

式中Ln為棘爪與棘輪嚙合面壓力Fn以棘爪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，Lf為滑動摩擦力f以棘爪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，MZ為棘爪回位彈簧以棘爪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的回位力矩。

3.3 背門系統(tǒng)可解鎖性能的優(yōu)化方法

當背門系統(tǒng)支撐力矩MACC增大，導致背門鎖與鎖扣之間的拉力FLATCH增大，電機解鎖扭矩ME不足以克服棘爪回位彈簧的扭矩與棘爪棘輪嚙合面壓力Fn以及摩擦力f的作用扭矩時，解鎖條件無法滿足，則電機驅(qū)動解鎖失效。為解決解鎖失效的問題，可從兩方面解決，一是提高鎖體電機的解鎖力矩ME，二是調(diào)整減小密封條、緩沖塊以及密封條泡管內(nèi)橡膠管等零部件對背門的支撐力，使鎖扣與所體之間的拉力FLATCH小于鎖體可解鎖的極限背壓力。

4 背門系統(tǒng)可彈起性能的計算與優(yōu)化

背門解鎖后，鎖機構(gòu)的棘爪釋放棘輪，若此時背門系統(tǒng)的支撐力矩與棘輪回位彈簧對背門的支撐力矩之和不足以克服背門的重力力矩將背門彈起并保持在完全解鎖位置，在棘爪回位彈簧的作用下，背門鎖棘輪與棘爪重新嚙合上鎖，導致背門無法開啟[7]。

4.1 背門系統(tǒng)可彈起性能計算模型的建立

如圖6所示為背門解鎖后的受力分析，背門可彈起并保持在完全解鎖位置的條件為：

式中，F(xiàn)s為背門鎖棘輪釋放后，棘輪回位彈簧作用于鎖扣的彈力，MACC為背門在完全解鎖位置的系統(tǒng)反力。

4.2 背門系統(tǒng)可彈起性能的優(yōu)化方法

要解決背門解鎖后彈起失效的問題，需調(diào)整增大密封條與緩沖塊的支撐力，尤其是上部靠近鉸鏈軸線位置的支撐力，因為在完全解鎖位置，背門下端的密封條與緩沖塊已與背門脫離接觸。可從三方面解決，一是設(shè)計變截面密封條結(jié)構(gòu)，在靠近鉸鏈軸線區(qū)域采用較大壓縮量或較大系統(tǒng)反力的密封條；二是在靠近鉸鏈軸線區(qū)域的密封條泡管內(nèi)增加橡膠管支撐結(jié)構(gòu)，或者設(shè)計中部緩沖塊；三是在鎖體位置設(shè)計大干涉量的彈起結(jié)構(gòu)，以增大背門在完全解鎖位置的系統(tǒng)反力MACC。

5 背門系統(tǒng)開閉性能的集成分析

5.1 背門系統(tǒng)開閉性能調(diào)整矩陣的建立

通過上述背門系統(tǒng)可關(guān)閉性能、可解鎖性能、可彈起性能與耐振動異響性能的原理與計算分析可知，這四個方面性能的實現(xiàn)是背門系統(tǒng)所有零部件力學性能集成的結(jié)果，并且各性能之間相互關(guān)聯(lián)，相互影響，每個零件的力學參數(shù)都有一個合理的設(shè)計區(qū)間，單方向增大或減小都可能導致某方面性能出現(xiàn)問題，各零部件力學參數(shù)對各項性能影響的調(diào)整矩陣如表1所示。

背門可關(guān)閉性能與可解鎖性能對密封條與緩沖塊等零件的調(diào)整需求是減小其壓縮荷重，而耐振動異響性能與可彈起性能對密封條與緩沖塊等零件的調(diào)整需求是增大其壓縮荷重，這四方面性能約束了背門各零部件力學參數(shù)的上限值 與下限值。

5.2 背門系統(tǒng)開閉性能計算公差分析

此外，計算過程中還需考慮公差與環(huán)境的影響，第一，是單件的制造公差，如密封條與緩沖塊的壓縮荷重公差以及氣彈簧的輸出力公差；第二，是系統(tǒng)的裝配公差，如密封間隙尺寸公差以及鉸鏈軸線的位置公差；第三是車輛駐坡角度對背門重力力臂的影響；第四是雪載情況下背門質(zhì)量的變化影響；第五是電池電量變化對背門鎖電機解鎖力的影響；第六是環(huán)境溫度變化對密封條、緩沖塊以及氣彈簧力值的影響。

5.3 背門系統(tǒng)零部件力學參數(shù)區(qū)間輸出

通過上述四方面性能目標的約束，以及考慮公差與環(huán)境因素的影響后，計算可得背門系統(tǒng)各零部件的力學參數(shù)設(shè)計區(qū)間，形成如圖7所示的零部件力學參數(shù)設(shè)計區(qū)間曲線圖，精確地指導背門系統(tǒng)各零部件的力學參數(shù)設(shè)計，解決背門開閉過程中的功能實現(xiàn)問題。

6 結(jié)論

汽車背門系統(tǒng)的可關(guān)閉性能、可解鎖性能、可彈起性能與耐振動異響性能是背門系統(tǒng)各零部件力學性能集成的結(jié)果，按照各零部件力學參數(shù)的經(jīng)驗值進行設(shè)計，可能導致某一方面的功能實現(xiàn)出現(xiàn)問題，需通過更改設(shè)計參數(shù)反復驗證進行調(diào)整。本研究從系統(tǒng)集成的角度對各項功能實現(xiàn)過程進行建模計算，并考慮公差與環(huán)境因素的影響，得到了各零部件力學參數(shù)的設(shè)計區(qū)間，精確地指導系統(tǒng)內(nèi)各零部件的設(shè)計，有效解決了背門開閉過程中的功能失效問題。

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