汽車關(guān)門耳壓感分析

馬利宇 張小矛 鄔文睿 陳 明 徐 政 牛志鵬

(1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804；2. 上海市汽車動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

0 前言

關(guān)門耳壓感是由車內(nèi)瞬態(tài)壓力波動(dòng)引起的。在車門關(guān)閉的過程中，由于大量氣體突然涌入乘員艙導(dǎo)致艙內(nèi)氣壓突增，人耳鼓膜兩側(cè)的壓力差會(huì)使鼓膜變形，此時(shí)乘坐人員會(huì)感到“耳壓感”。關(guān)于流場內(nèi)壓力變化對(duì)人耳舒適度的影響，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中的評(píng)估方法可知，人耳舒適度與流場內(nèi)人耳處的瞬態(tài)壓力峰值呈負(fù)相關(guān)。

目前，關(guān)于關(guān)門過程中的耳壓感的研究較少。2011年，Y L LEE和S H HWANG[2]使用Fluent軟件的動(dòng)網(wǎng)格功能研究了乘員艙內(nèi)壓力與關(guān)門角速度、車身氣體泄漏量的關(guān)系，結(jié)果表明，壓力峰值與關(guān)門角速度線性相關(guān)，并且可以通過降低關(guān)門角速度和增加車身氣體泄漏量的方法來降低乘員艙內(nèi)壓力。SHENG L 、CUNFU C 、 XINGJUN H 等[3]研究了某商用車關(guān)門過程中的艙內(nèi)壓力，發(fā)現(xiàn)關(guān)門速度與等效泄壓孔對(duì)艙內(nèi)壓力影響較大，門的初始開啟角度對(duì)艙內(nèi)壓力基本無影響。

在上訴仿真研究中，未在計(jì)算中引入泄壓閥模型，與真實(shí)車況有所差別，無法在設(shè)計(jì)早期評(píng)估泄壓閥泄壓能力。本文以某SUV為研究對(duì)象，在計(jì)算中引入泄壓閥模型，基于STAR-CCM+軟件中的morpher功能，研究了關(guān)門角速度、泄壓閥大小、同側(cè)玻璃下降，以及車門面積與乘員艙體積比值對(duì)艙內(nèi)流場瞬態(tài)壓力的影響。

1 模型建立及數(shù)值仿真

關(guān)門耳壓感評(píng)估目前主要依賴試驗(yàn)測(cè)試，并在實(shí)車上進(jìn)行評(píng)估。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，數(shù)值仿真逐漸被應(yīng)用到早期設(shè)計(jì)中。在車身設(shè)計(jì)初期，通過對(duì)關(guān)門過程進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)行快速優(yōu)化，可加快開發(fā)進(jìn)度。

1.1 數(shù)值的計(jì)算方法

圖1 關(guān)門耳壓仿真模型

關(guān)門耳壓仿真采用某SUV為研究模型，如圖1所示。試驗(yàn)中，假定車輛位于空曠路面，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間同時(shí)保證計(jì)算精度，設(shè)定計(jì)算域?yàn)橐粋€(gè)長6 m、寬4 m、高2 m的矩形。乘員艙內(nèi)部模型中包括了擋風(fēng)玻璃、方向盤、座椅等詳細(xì)特征。在保證計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)局部細(xì)小特征進(jìn)行簡化處理。模型采用多面體網(wǎng)格，最小面網(wǎng)格尺寸為4 mm，網(wǎng)格總數(shù)約為100萬個(gè)。乘員艙內(nèi)部體積為3.74 m3，左前門面積為0.85 m2。文獻(xiàn)[3]中顯示門初始開啟角度對(duì)結(jié)果影響很小，本文統(tǒng)一設(shè)定為40°。

將計(jì)算域外表面設(shè)定為壓力出口，汽車內(nèi)外表面以及地面設(shè)為壁面邊界，為模擬泄壓閥的泄壓作用，將泄壓閥安裝孔定義為質(zhì)量流量邊界條件，數(shù)值的大小使用自定義函數(shù)，計(jì)算中通過監(jiān)測(cè)泄壓閥區(qū)域的壓力，可以通過模擬泄壓閥的空氣流量而獲得，本文泄壓閥輸入特性如圖2所示。

圖2 泄壓閥輸入特性

由于門的運(yùn)動(dòng)，門區(qū)域的網(wǎng)格會(huì)出現(xiàn)變形，為保證計(jì)算收斂，計(jì)算采用STAR-CCM+軟件中的morpher[4]功能結(jié)合網(wǎng)格重構(gòu)，保證網(wǎng)格質(zhì)量。當(dāng)門完全關(guān)閉時(shí)，門與門框之間的間隙為0°，數(shù)值上無法實(shí)現(xiàn)，故設(shè)定門與門框間隙為0.5°時(shí)，將間隙邊界條件改為壁面，保證無氣體從門框泄漏。

計(jì)算采用K-Omega湍流模型，在門關(guān)閉過程中，大量氣體短時(shí)間內(nèi)被壓進(jìn)乘員艙，故氣體采用可壓縮理想氣體假設(shè)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖3 試驗(yàn)設(shè)備示意圖

為驗(yàn)證本文計(jì)算方法的合理性，并量化壓力值的仿真結(jié)果，對(duì)關(guān)門過程中內(nèi)流場壓力值進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示，在左前門鎖體正對(duì)著的車門外板上安裝速度傳感器，后排座椅位置放置壓力傳感器，可以測(cè)得不同關(guān)門速度下測(cè)點(diǎn)壓力的變化。

表1為關(guān)門角速度為1.2 rad/s時(shí)，仿真與試驗(yàn)結(jié)果壓力峰值對(duì)比，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，誤差為7%，精度處于可接受范圍以內(nèi)，滿足工程需求。

表1 測(cè)點(diǎn)壓力峰值對(duì)比

圖4為仿真與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)壓力對(duì)比，可以看出兩者趨勢(shì)與走向一致，故可用本計(jì)算模型進(jìn)行仿真分析。

圖4 仿真與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)壓力的對(duì)比

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同關(guān)門角速度的影響

研究了壓力隨時(shí)間變化與關(guān)門角速度的關(guān)系，圖5分別為關(guān)門角速度為1.2 rad/s、1.5 rad/s和3 rad/s時(shí)，測(cè)點(diǎn)的瞬態(tài)壓力變化曲線。當(dāng)關(guān)門角速度為1.2 rad/s時(shí)，壓力峰值為108 Pa，當(dāng)關(guān)門角速度上升為3 rad/s時(shí)，壓力峰值快速增長至194 Pa，結(jié)果增加近80%。主要原因是隨著關(guān)門角速度的增加，更多的氣體被“推入”乘員艙，導(dǎo)致艙內(nèi)氣體質(zhì)量增多。

圖6示出了壓力峰值與關(guān)門角速度的關(guān)系。隨著關(guān)門角速度的增大，峰值壓力接近線性增加。對(duì)于汽車的生產(chǎn)設(shè)計(jì)而言，可以通過增加控制裝置來限制關(guān)門角速度，從而獲得較好的乘坐體驗(yàn)。

圖5 不同關(guān)門角速度測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)壓力對(duì)比

圖6 不同關(guān)門角速度測(cè)點(diǎn)壓力峰值

3.2 不同泄壓閥大小的影響

研究了不同泄壓閥大小對(duì)瞬態(tài)壓力變化的影響，泄壓閥的大小決定了同樣壓力下通過泄壓閥的氣體流量，不同泄壓閥對(duì)比見圖7。同樣壓力下，通過泄壓閥B的氣體流量為泄壓閥A的2倍。圖8為關(guān)門角速度為1.5 rad/s時(shí)，安裝不同泄壓閥后測(cè)點(diǎn)的壓力變化，結(jié)果顯示，將泄壓閥增大后，測(cè)點(diǎn)壓力峰值由138 Pa降低至124 Pa，下降10%，而且壓力恢復(fù)到0的時(shí)間變短。主要原因是泄壓閥增大后，關(guān)門過程中通過泄壓閥流出乘員艙的氣體流量增加，減小了乘員艙內(nèi)氣體總質(zhì)量。

圖7 不同泄壓閥輸入特性對(duì)比

圖8 安裝不同泄壓閥測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)壓力對(duì)比

3.3 同側(cè)玻璃下降的影響

在關(guān)門過程中，壓力峰值大小與整車是否可以合理泄壓存在一定關(guān)系，如果將玻璃在關(guān)門過程中下降一段距離，等于增加了氣體泄漏路徑。

研究了同側(cè)玻璃下降對(duì)關(guān)門過程中內(nèi)流場壓力的影響，如圖9所示，同側(cè)玻璃下降30 mm，壓力峰值由138 Pa降低至52 Pa，下降約62%。

圖9 玻璃下降對(duì)測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)壓力影響

但玻璃下降方案會(huì)導(dǎo)致關(guān)門聲品質(zhì)下降，故是否選用，需進(jìn)一步評(píng)估。

3.4 車門面積與乘員艙體積比值的影響

為評(píng)估車門面積與乘員艙體積比值對(duì)壓力變化的影響，選取某2座小車仿真結(jié)果作為對(duì)比。表2為計(jì)算模型參數(shù)，該2座小車是典型的“小車大門”結(jié)構(gòu)，其車門面積與乘員艙體積比值為0.47，約為某SUV的2倍。

表2 計(jì)算模型參數(shù)

圖10為兩輛車仿真結(jié)果的對(duì)比，在關(guān)門速度一致的前提下，該兩座小車測(cè)點(diǎn)壓力峰值為322 Pa，約為SUV的2.3倍。

車門面積與乘員艙體積比值大的車更容易存在耳壓感風(fēng)險(xiǎn)，主要原因是在門關(guān)閉過程中，一方面車門面積大導(dǎo)致更多的氣體被“推入”乘員艙，因此艙內(nèi)氣體質(zhì)量增加，另一方面乘員艙體積較小導(dǎo)致氣體受壓縮程度更大。

4 結(jié)論

采用三維CFD方法計(jì)算了關(guān)門過程中乘員艙瞬態(tài)壓力的變化，結(jié)論如下：

(1)關(guān)門角速度強(qiáng)烈影響著壓力峰值的大小，且隨著關(guān)門角速度的增大，峰值壓力近乎呈線性增加。因此，降低關(guān)門角速度是降低壓力峰值，從而降低關(guān)門耳壓感的有效手段。

(2)泄壓閥泄壓能力增加一倍時(shí)，測(cè)點(diǎn)壓力峰值下降10%，因此，合理選擇泄壓閥大小可以降低耳壓感。

(3)玻璃下降方案可有效降低壓力峰值大小，但會(huì)導(dǎo)致關(guān)門聲品質(zhì)下降。

(4)車門面積與乘員艙體積比值大的車更容易有耳壓感風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，車門面積、乘員艙體積的大小和關(guān)門速度決定了關(guān)門過程中艙內(nèi)流場壓力峰值，進(jìn)一步?jīng)Q定了是否存在耳壓感，而采用大泄壓閥和玻璃下降的手段本質(zhì)上都是增大了氣體泄漏的途徑，建議在整車設(shè)計(jì)中，根據(jù)車門面積與乘員艙體積比值和關(guān)門速度對(duì)應(yīng)選擇大小合適的泄壓閥，以及判斷是否需要采用玻璃下降這種方法進(jìn)行泄壓。