整車關(guān)門耳壓性能特性研究

關(guān)鵬 潘雷 顧彥

摘 要：關(guān)門耳壓感是影響人對車輛主觀感受的重要NVH性能之一，其評價目標及分析方法在車輛開發(fā)早期至關(guān)重要。通過主觀感受與試驗測量的對比分析，將乘員艙壓力峰值作為耳壓設(shè)計的目標參數(shù)。建立兩腔計算模型，應用數(shù)值計算方法分析計算，結(jié)果顯示，壓力曲線與試驗基本吻合。基于峰值壓力目標的兩腔模型計算，模型簡單，計算速度快且主客觀結(jié)果一致性高，可應用于車輛早期開發(fā)階段。

關(guān)鍵詞：關(guān)門耳壓;峰值壓力;兩腔模型

中圖分類號：U462.3 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-177-04

Research on Vehicle Ear Pressure Performance Character of Slamming Door

Guan Peng， Pan Lei， Gu Yan

（ Vehicle Integration Department， Technical Center of SAIC Motor， Shanghai 201804?）

Abstract：?The performance of ear pressure is one of important subjective experience of vehicle NVH. Its evaluation and analysis method are important in the early stage of vehicle development. Through the comparative analysis of subjective experience and experimental measurement， the cabin peak pressure is taken as the target parameter of ear pressure design. The two-cavity model is established， and coded with numerical calculation. The results show that the pressure curve is in good agreement with the experiment. The advantage of two-cavity calculation is simple， efficient and consistency with subjective experiment. The method can be applied in early stage of vehicle development.

Keywords： Ear pressure;?Peak pressure;?Two-cavity model

CLC NO.：?U462.3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-177-04

前言

耳壓感的產(chǎn)生普遍存在于各種交通工具使用的環(huán)境當中，例如飛機的起降，高速列車進出隧道以及車輛關(guān)門的過程中。導致其產(chǎn)生的原因是人耳鼓膜兩側(cè)的壓差使得鼓膜變形，進而出現(xiàn)耳壓感。以整車關(guān)閉車門過程為例，關(guān)門時乘員艙壓力升高，鼓膜內(nèi)側(cè)壓力小于外側(cè)，耳壓感產(chǎn)生。由于該主觀感受的大小會直接影響乘客對該車舒適性的評估，所以該性能逐漸成為影響關(guān)門聲品質(zhì)提升的主要因素之一。耳壓感是一種主觀感受，同時也是客觀現(xiàn)象。將主觀感受與客觀物理量相統(tǒng)一，不僅能夠為車輛初期設(shè)計給出明確目標，同時還可以對于該現(xiàn)象背后所存在的物理規(guī)律給出合理的解釋。

本文通過將試驗測量數(shù)據(jù)與主觀感受的對比分析，提出耳壓感性能評價的目標參數(shù)。并在此基礎(chǔ)之上提取影響目標參數(shù)的主要因素，建立兩腔計算模型。經(jīng)過計算與試驗的分析驗證表明，?該方法具有建模簡單、計算速度快及準確性高等特點。適用于車輛開發(fā)早期階段的耳壓感評估及優(yōu)化。

1?目標參數(shù)確定

人耳的結(jié)構(gòu)如圖^[1]（1）所示。鼓膜位于中耳腔與外耳道之間，當耳膜兩側(cè)的出現(xiàn)壓力差時，耳壓感隨即產(chǎn)生。連接鼻咽腔的咽鼓管處于常閉狀態(tài)，當外耳道壓力小于中耳腔，咽鼓管會自動打開;當外耳道壓力大于中耳腔，咽鼓管需吞咽才能被動打開，調(diào)節(jié)鼓膜兩側(cè)壓力^[2]。車門關(guān)閉的過程中，乘員艙壓力逐漸升高，外耳道與周圍環(huán)境相通，從而隨之升高。由于該過程非常短暫（0.4秒左右），所以需被動打開的咽鼓管尚未打開，當壓差達到一定閾值，耳壓感產(chǎn)生。如何用試驗測量值評估耳壓感，國內(nèi)外學者對此進行過相關(guān)的研究，主要因素（即目標參數(shù)）可歸納總結(jié)為以下幾類^[3]：壓力幅值，壓力變化率，瞬變壓力重復和作用的時間等。本文?將通過試驗與主觀評測結(jié)果，確定目標參數(shù)。

1.1?試驗內(nèi)容

1.1.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備主要由三部分組成：1.用于測量關(guān)門速度的關(guān)門速度傳感器，如圖（2a）。該傳感器布置在車門鎖扣處，主要用于測量車門在關(guān)閉前鎖扣處的瞬間線速度。2.壓力傳感器（兩個），如圖（2b）。試驗過程中該傳感器分別布置在主駕人耳側(cè)及泄壓閥附近，可監(jiān)測乘員艙內(nèi)整個關(guān)閉車門過程中壓力變化的數(shù)值。3.車門及泄壓閥開關(guān)監(jiān)測儀，用以監(jiān)測泄壓閥與車門的同步性^[4]。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集

選取不同類型車輛，不同速度下測量乘員艙壓力，并全程記錄壓力數(shù)值變化曲線，該過程約2～3秒。

1.2 主觀評測

主觀評測是關(guān)門耳壓性能主觀評價的關(guān)鍵步驟，影響評價結(jié)果的有效性及合理性。主觀評測的方法主要有排序法、等級評分法、數(shù)值估計法、語義細分法和成對比較法。根據(jù)本試驗的具體情況，本文選擇簡單易行且效率高的等級評分法作為主觀評測方法。

1.3?參數(shù)確定

壓力隨時間變化曲線如圖（3）所示，此處將峰值壓力所對應的時間設(shè)為0，可便于多條曲線對比。關(guān)門信號顯示，在關(guān)門的瞬間，艙內(nèi)壓力達到峰值。A，B，C為主觀評測時不同峰值壓力的測量值。

通過車輛在不同關(guān)門速度下的多次試驗，可以看出峰值壓力與主觀評測結(jié)果更趨一致如表（1）所示。故將峰值壓力作為目標參數(shù)。

2 兩腔模型計算

關(guān)門過程中乘員艙壓力變化的仿真分析，目前主要使用三維流體分析軟件完成^[5，6]。使用三維仿真分析的優(yōu)勢在于計算結(jié)果直觀，能夠動態(tài)觀察流場及壓力場在空間分布的情況，同時能夠檢測空間中任意點的物理變化量。其不足在于，需要詳細的模型數(shù)據(jù)，而此類數(shù)據(jù)要在車輛開發(fā)后期才能提供。最主要的是此方法建模復雜，計算資源要求較高，較難滿足車輛開發(fā)前期的優(yōu)化需求，而一維仿真分析方法^[7]可以克服上述不足。

2.1 模型建立

兩腔計算模型的建立是將影響乘員艙關(guān)門耳壓的主要因素抽象為幾個具體參數(shù)，以壓力為目標函數(shù)，通過物理方程建立其它參數(shù)與之聯(lián)系，最終得到壓力隨時間變化的規(guī)律。

以本計算為例，兩腔計算模型如圖（4）所示。其中車內(nèi)空間劃分為V₁，V₂兩部分。V₁為乘員艙區(qū)域，V₂為泄壓閥附近且與乘員艙之間由內(nèi)飾阻隔區(qū)域。且V₁與V₂之間有面積為A₁₂的孔相連通。由H與R組成的矩形面積為車門的簡化模型，開度為θ，高為H，半徑為R。V₂腔體與大氣聯(lián)通域的面積為A₂₂（泄壓閥）。關(guān)門過程中，氣體經(jīng)V₁腔通過A₁₂進入V₂腔，并由泄壓閥（A₂₂）進入車外大氣環(huán)境。建立V₁與V₂兩腔體之間的聯(lián)通域，是因為在實車狀態(tài)下，泄壓閥與乘員艙之間通常會有內(nèi)飾的阻隔，且該阻隔的等效聯(lián)通面積會影響乘員艙壓力的峰值。此外，兩腔模型的建立還可以拓展為內(nèi)飾更為復雜的三腔甚至多腔模型。

2.1.1 兩腔模型

經(jīng)推導，兩腔壓力的微分表達式如下：

其中，p為艙室壓力，ω（t）為關(guān)門角速度。

聯(lián)立（1），（2）兩式，可得艙室壓力。

2.1.2 泄壓閥建模

上述方程中A₂₂即為泄壓閥的等效泄漏面積，其值可由試驗測量結(jié)果確定。試驗結(jié)果為不同壓力對應的體積流量，通過方程（7）可以得到不同壓力對應的等效泄漏面積，公式如下：

其中，AF為體積流量。

據(jù)某款泄壓閥試驗數(shù)據(jù)，可得到不同壓力下的等效泄壓面積，如圖（5）所示。A₂₂的等效泄壓面積隨著壓力升高逐漸增大，當達到一定壓力后，該值保持不變。

2.2 試驗驗證與分析

2.2.1 內(nèi)飾隔板對峰值壓力的影響

以某量產(chǎn)車型為例，乘員艙與泄壓閥之間的阻隔主要來自泄壓閥附近的開孔內(nèi)飾隔板。試驗中分別保留及拆除該內(nèi)飾隔板如圖（6），試驗工況為三個不同的關(guān)門速度1.5m/s、1.7m/s，2.0m/s。

記錄乘員艙壓力變化過程，并提取峰值壓力，結(jié)果如圖（7）所示。

圖（7）的試驗數(shù)據(jù)經(jīng)整理，如表（2）所示。隨著關(guān)門速度的增大，有無隔板對乘員艙峰值的影響隨之增大。

2.2.2 兩腔計算與試驗結(jié)果比較

兩腔計算所需的參數(shù)如腔體的體積，門的面積和關(guān)門半徑以及聯(lián)通域面積等，可以通過數(shù)模獲取。車門初始的開啟角度對于計算結(jié)果影響較小，本例以300為初始角。泄壓閥等效面積可以通過試驗結(jié)果分段擬合。以1.5m/s工況為例，圖（8）是仿真與試驗壓力曲線的對比，乘員艙壓力變化過程曲線與試驗結(jié)果基本一致。

從表（3）可以看出，三種工況計算與試驗的峰值壓力結(jié)果誤差小于5%。

3 主要影響因素分析

根據(jù)方程（11），（12）可以看出，艙室容積、門面積以及關(guān)門速度的增大，壓力峰值將會增大;泄壓閥及兩腔聯(lián)通面積的增大，壓力峰值將會減小。工程設(shè)計中可優(yōu)化的主要參數(shù)為關(guān)門速度，兩腔間的聯(lián)通面積以及泄壓閥的大小，本文將研究以上三個參數(shù)對艙室峰值壓力的影響。

3.1 關(guān)門速度的影響

根據(jù)試驗并結(jié)合仿真分析如圖（9）所示。該圖顯示關(guān)門速度在區(qū)間1.0～2.0m/s范圍內(nèi)，峰值壓力與關(guān)門速度成正比，即隨著關(guān)門速度的增加，峰值壓力以25Pa/（0.1m/s）線性增加。因此，降低最小關(guān)門速度，是有效減小關(guān)門耳壓感的重要手段之一。

3.2 兩腔間聯(lián)通等效面積的影響

兩腔之間的等效面積（A₁₂）可以用來衡量泄壓閥與乘員艙之間的通路受內(nèi)飾件影響的程度。本文以1.5m/s的關(guān)門速度為例，調(diào)整該參數(shù)，考察其對峰值壓力的影響。如圖（10）所示，聯(lián)通域等效面積越小，峰值壓力對面積的變化越敏感;聯(lián)通域等效面積達到一定值后，邊際效應出現(xiàn)，即增加聯(lián)通域等效面積將不會影響峰值壓力的變化，此刻對應工況為去除內(nèi)飾隔板的壓力峰值。因此，優(yōu)化設(shè)計兩腔間的等效面積，盡量避開峰值敏感范圍，可以有效的降低耳壓感。

3.3 泄壓閥的影響

泄壓閥的主要作用是平衡乘員艙內(nèi)的壓力，其等效面積

將直接影響到乘員艙峰值壓力。本文將三種常用泄壓閥對艙內(nèi)峰值壓力的影響進行對比，如圖（11）所示。在保證乘員艙與泄壓閥通道暢通的情況下，泄壓閥等效面積與乘員艙峰值壓力成反比。但泄壓閥的選用需要兼顧空調(diào)及NVH性能及成本的要求，平衡利弊，合理選用。

4 結(jié)論

本文通過主觀評測與客觀試驗數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法，將乘員艙峰值壓力作為關(guān)門耳壓感評估的主要參數(shù)。采用兩腔計算的仿真分析方法，取代建模復雜，耗時長且精度低的三維計算。經(jīng)試驗數(shù)據(jù)驗證，兩腔計算模型建模簡單，耗時短，精度高，適合車輛前期開發(fā)階段關(guān)門耳壓感性能的評估與優(yōu)化。

在此基礎(chǔ)之上，對影響關(guān)門耳壓性能的主要因素進行分析，結(jié)果顯示：

（1）關(guān)門速度與峰值壓力成正比，速度每增加0.1m/s，壓力增加25Pa。降低最小關(guān)門速度是有效降低耳壓感的手段之一。

（2）乘員艙與泄壓閥之間的等效聯(lián)通面積影響泄壓閥的性能，該面積同時存在敏感區(qū)與邊際效應區(qū)。內(nèi)飾的布置需留出相關(guān)區(qū)域，滿足艙內(nèi)空調(diào)及關(guān)門耳壓性能需求。

（3）泄壓閥是艙內(nèi)與外界壓力平衡的主要通道，其等效面積的大小與峰值壓力成反比。選用不同型號的泄壓閥，需考慮對空調(diào)及整車NVH的影響。

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