車門鉸鏈傾角對車門關(guān)閉力影響的研究

包 濤，習(xí)俊通，徐武彬，許培星

（1.廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545000；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240）

1 引言

國內(nèi)外汽車的生產(chǎn)和實(shí)踐表明：白車身的生產(chǎn)能力直接決定了整車的生產(chǎn)能力并且很大程度上影響著汽車的更新?lián)Q代[1]。車門作為人們對汽車首先接觸的對象，其質(zhì)量的好壞會直接影響人們對整車的第一印象。因此，現(xiàn)在人們對車門的感知質(zhì)量的關(guān)注度越來越高，而且汽車關(guān)閉力會直接影響到人們對整車質(zhì)量的評價(jià)結(jié)果。

從JD POWER 對新車質(zhì)量問題的調(diào)研報(bào)告中可以看出，顧客經(jīng)常抱怨的問題之一便是車門關(guān)閉力過大[2]。因此研究影響車門關(guān)閉力的因素，對提高車門感知質(zhì)量，甚至整車的質(zhì)量有著重大意義。正因?yàn)槿绱耍芯咳藛T對車門關(guān)閉力的影響因素展開了眾多的研究。文獻(xiàn)[3]基于車門物理模型，進(jìn)行三維車門旋轉(zhuǎn)關(guān)閉數(shù)值模擬，采用顯示方法仿真車門關(guān)閉速度隨時(shí)間變化的動態(tài)特性。針對密封系統(tǒng)的摩擦特征、安裝方式、壓縮行為等，建立其三維仿真模型，有效預(yù)測車門最小關(guān)閉速度。為車門密封系統(tǒng)的三維裝配與壓縮仿真提供了可行的方法。文獻(xiàn)[4]通過樣車與對標(biāo)車之間的對比，研究其中的差異，并通過分析各個影響關(guān)門聲品質(zhì)的因素，找到貢獻(xiàn)度最大的因素來定位影響目標(biāo)車輛的關(guān)門聲品質(zhì)的關(guān)鍵因素，并提出可以針對車門系統(tǒng)與車身中影響關(guān)門聲最大的零部件進(jìn)行優(yōu)化，從而提高改善車門的關(guān)門聲品質(zhì)。

在分析影響車門關(guān)閉力的因素的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了鉸鏈傾角對車門關(guān)閉力的影響，并通過Adams 仿真和相關(guān)實(shí)驗(yàn)臺測試，給出基于車門關(guān)閉力最小目標(biāo)下某種車門的鉸鏈傾角的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 車門關(guān)閉力的影響因素

2.1 氣壓阻效應(yīng)對車門關(guān)閉力的影響

車門從最大開度至完全閉合的快速關(guān)閉過程，導(dǎo)致車廂空氣在短時(shí)間內(nèi)受到劇烈壓縮。在汽車門窗都關(guān)閉且忽略排氣孔影響的情況下，伴隨車廂壓力的升高，車內(nèi)被壓縮空氣將從未完全閉合的門縫中流出，從而對車門產(chǎn)生氣壓阻效應(yīng)[5]。關(guān)閉車門的過程中，空氣阻力消耗的關(guān)門能量即為空氣壓縮阻力增量所做的功，如式（1）所示。

式中：P0—標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；

V0—車門關(guān)閉前（即密封膠條未壓縮狀態(tài)）車廂內(nèi)的容積空間；

A0—車門迎風(fēng)面積；

S—密封膠條被壓縮量。

2.2 密封膠條對車門關(guān)閉力的影響

根據(jù)福特汽車公司的研究實(shí)驗(yàn)表明：汽車車門關(guān)閉力的大小很大一部分是由密封膠條的變形阻力所產(chǎn)生的，其大小約占車門關(guān)閉力的大小的（30～50）%[6]。根據(jù)對密封膠條壓縮變形過程的研究表明，其壓縮作用力主要有以下兩個部分組成。

2.2.1 密封膠條中泡管部分的壓縮作用力

傳統(tǒng)計(jì)算與校核車門密封膠條整體壓縮負(fù)荷采用分段累加法[7]。將整段密封膠條分段，如圖1 所示。累加每段的壓縮能耗可得到整段密封膠條的總能耗，如式（2）所示。

圖1 壓縮負(fù)荷分段累加法Fig.1 The Method of Compression Load Subsection Summation

式中：Ep—整段密封膠條的壓縮能耗；

S1、S2—各段密封膠條最大壓縮量；

F1、F2—CLD 曲線1 和CLD 曲線2 中由壓縮量決定的負(fù)載函數(shù)；

n、m—分割后的密封膠條段數(shù)。

密封膠條的CLD 曲線（CompressionLoad Deflection，CLD）是由密封膠條所受負(fù)載和所受負(fù)載時(shí)的壓縮量來共同確定的。因此，CLD 曲線對車門的關(guān)閉力起到?jīng)Q定性的影響。

2.2.2 密封膠條中排氣孔部分的氣阻效應(yīng)

泡管腔內(nèi)的氣體流速隨著密封系統(tǒng)壓縮會逐漸變快，在排氣孔處溢出時(shí)會形成非線性阻尼力。密封系統(tǒng)排氣孔氣阻效應(yīng)的模型，如圖2 所示。計(jì)算公式[8]，如式（3）所示。

式中：Fd—長度為L的密封膠條所產(chǎn)生的阻尼力；F—整段密封膠條所產(chǎn)生的阻尼力；ρ—空氣密度；A，h以及W（=A/h）分別為密封膠條的橫截面面積、平均高度與寬度；D—排氣孔直徑。

圖2 排氣孔阻尼力計(jì)算模型Fig.2 The Calculation Model of Damper Force of Exhaust Hole

2.2.3 限位器對車門關(guān)閉力的影響

限位器限制車門的最大開度，并能夠使其穩(wěn)定的懸停在多個控制檔位中的某個限定處，起著保證乘客上下車的空間、防止車門與車體相碰以及避免車門自動關(guān)閉的作用，其中的檔位設(shè)計(jì)要求為在車門關(guān)閉過程中跨檔位要順暢。目前汽車較為普遍使用的三擋拉帶式限位器，其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高。限位器所消耗的能量可以用限位器轉(zhuǎn)矩與車門繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)角度的乘積的積分來表示，如式（4）所示。

式中：Ex—限位器所消耗的能量；Tx—限位器轉(zhuǎn)矩；θ—車門繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)角度。

2.2.4 門鎖對車門關(guān)閉力的影響

門鎖是汽車重要的安全件，由分別固定在車門與車身上的兩個零件構(gòu)成，通過門鎖可以有效的固定車門，防止其自動打開，并由簡單杠桿運(yùn)動或打開門把手的動作將其脫開。門鎖必須工作可靠，保證在一定沖擊力作用下門鎖不會自動脫開是車門自動打開。車門在關(guān)閉過程中門鎖消耗的能量為鎖體力與位移的乘積[9]，如式（5）所示。

式中：Em—門鎖所消耗的能量；K鎖體—由門鎖、復(fù)位彈簧的物理性質(zhì)決定的門鎖系數(shù)；h—門把手到鉸鏈軸的距離；θ—門鎖在接觸鎖扣到完全鎖止的過程中的角度變化量；d—鎖體力經(jīng)過的位移。

2.2.5 車門鉸鏈對車門關(guān)閉力的影響

車門鉸鏈對車門關(guān)閉力的影響包括兩個方面：（1）車門在關(guān)閉過程中，鉸鏈的固定部分與活動部分間的摩擦損耗能量影響[10]。鉸鏈上活動部分與固定部分摩擦引起的摩擦力和由重力引起的附加力矩在鉸鏈軸上產(chǎn)生的徑向力（即附加的摩擦力矩），這使關(guān)閉力相應(yīng)的增加，如式（6）所示。

式中：FG—重力提供的自動關(guān)閉力；

G—車門重量；

μ—車門鉸鏈上活動部分與固定部分之間的摩擦系數(shù)；

h—車門重心與鉸鏈軸之間的距離；

D—上鉸鏈與下鉸鏈之間的距離；

R—車門拉手與鉸鏈軸之間的距離；

d—鉸鏈軸之間的軸徑。

鉸鏈摩擦所消耗的能量可以用鉸鏈轉(zhuǎn)矩與車門繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)角度的乘積的積分來表示，如式（7）所示。

式中：Ej—門鎖所消耗的能量；Tj—車門繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)角度。

（2）鉸鏈軸傾角導(dǎo)致車門重力的分力變化影響，鉸鏈軸線的內(nèi)傾與后傾可以有效地降低車門關(guān)閉力。鉸鏈軸在平面XZ內(nèi)的傾角為α 時(shí)的方向向量為（sinα，0，cosα）；在平面YZ內(nèi)的傾角為β 時(shí)的方向向量為（0，sinβ，cosβ）。根據(jù)力的平行四邊形法則，如圖3 所示。

圖3 鉸鏈軸傾角引起的關(guān)閉力Fig.3 The Force by the Closure of Hinge Shaft Angle Caused

車門重力的分力產(chǎn)生的自動關(guān)閉力，如式（8）所示。

其中，M1=G′H=GHsinαcosθ（車門的重力XY平面內(nèi)分力對鉸鏈軸所形成的轉(zhuǎn)矩）；M2=G′H′=GHsinβcosθ（車門的重力YZ平面內(nèi)分力對鉸鏈軸所形成的轉(zhuǎn)矩）。式中：α—車門鉸鏈在平面XZ傾角；β—車門鉸鏈在平面XZ傾角；θ—車門開度角。

通過對車門關(guān)閉力影響因素的分析及其數(shù)學(xué)模型的建立，可以分析得出影響車門關(guān)閉力的主要因素有氣壓阻效應(yīng)、密封膠條、車門鉸鏈、限位器以及門鎖。減小車廂體內(nèi)部的氣壓最適宜的方法為在前期設(shè)計(jì)時(shí)增設(shè)通風(fēng)排氣孔。車門與車身的間隙決定了密封膠條的壓縮量，而壓縮量越大，密封性能越好；壓縮量越小，越容易受外界環(huán)境的影響。減小車門鉸鏈的轉(zhuǎn)矩以及對車門鉸鏈軸傾角的合理設(shè)計(jì)來減小對車門關(guān)閉力的影響。車門限位器主要起著限位作用，這是因?yàn)橄尬黄鲝椈稍谲囬T關(guān)閉過程中會存儲能量并提供相應(yīng)能量，所以限位器彈簧的彈性系數(shù)的選擇是否合理關(guān)系到車門在開、關(guān)時(shí)的越檔是否能夠順利進(jìn)行。減小門鎖的轉(zhuǎn)矩能夠有效地減小車門關(guān)閉力。

這里主要以車門鉸鏈為研究對象，研究車門鉸鏈傾角對車門關(guān)閉力的影響。

3 基于Adams 仿真鉸鏈傾角與車門關(guān)閉力的最優(yōu)解

首先利用三維設(shè)計(jì)軟件UG 建立不同的鉸鏈軸傾角的車門幾何模型，然后將車門導(dǎo)入ADAMS/View 中，設(shè)置幾何參數(shù)、約束條件等，然后進(jìn)行運(yùn)動仿真計(jì)算，再對理論數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，最后對得出的仿真計(jì)算結(jié)論進(jìn)行分析處理。

虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS 很適合對復(fù)雜的車門子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真研究。將車門數(shù)模導(dǎo)入DAMS/View 中，隨后設(shè)置幾何參數(shù)、約束條件等，然后進(jìn)行不同鉸鏈傾角下車門關(guān)閉力的運(yùn)動仿真計(jì)算，最后得出車門關(guān)閉力最小情況下鉸鏈傾角的組合。

3.1 ADAMS 建模的主要流程

車門關(guān)閉力仿真模型的建立步驟如下：（1）在三維設(shè)計(jì)軟件UG 中建立左前車門的三維模型，并且真實(shí)的表達(dá)出車門系統(tǒng)的相應(yīng)特性參數(shù)，并以*.x_t 的格式輸出；（2）將左前車門的三維模型轉(zhuǎn)化為ADAMS 機(jī)構(gòu)模型，并用ADAMS 中的約束來表示氣壓阻效應(yīng)、密封膠條、車門鉸鏈、限位器以及門鎖等五大影響因素；（3）利用ADAMS 運(yùn)動仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，得出車門關(guān)閉能量曲線，為車門的設(shè)計(jì)提供更可靠的依據(jù)。

3.2 仿真分析計(jì)算

將車門的運(yùn)動模型、約束副、驅(qū)動源創(chuàng)建完成之后，如圖4所示。ADAMS 會利用得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自主計(jì)算，然后模擬出真實(shí)的車門關(guān)閉過程。

圖4 車門關(guān)閉力仿真模型Fig.4 The Simulation Model of Door Closing Force

3.3 仿真結(jié)果分析

為獲得最佳的車門鉸鏈傾角，對不同車門鉸鏈傾角的ADAMS 車門模型進(jìn)行運(yùn)動仿真，關(guān)閉不同車門鉸鏈傾角時(shí)車門所需要的最小車門關(guān)閉能量，如表1 所示（部分?jǐn)?shù)據(jù)）。

表1 關(guān)閉車門所需能量（仿真數(shù)據(jù)）Tab.1 The Energy Required To Close theDoors（The Simulation Data）

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，在內(nèi)傾角為3°且后傾角為2°時(shí)，關(guān)閉車門所需要的最小車門關(guān)閉能量最小，故該角度是最佳的車門鉸鏈傾角。

4 基于速度法測量鉸鏈傾角與車門關(guān)閉力的最優(yōu)解

4.1 速度法對車門關(guān)閉力進(jìn)行測試

這里把速度評價(jià)法進(jìn)行改進(jìn)，利用兩組速度測量裝置分別測出車門在關(guān)閉過程時(shí)起初位置的速度與車門完全關(guān)閉時(shí)的速度，在保證初速度恒定的情況下，改變車門鉸鏈傾角的大小，測試車門關(guān)閉瞬間的速度。車門完全關(guān)閉時(shí)的瞬時(shí)速度越大，則表明車門關(guān)閉力的性能越佳，那么該狀態(tài)下的車門鉸鏈傾角越適宜。

4.2 車門鉸鏈傾角調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺整體設(shè)計(jì)方案

為了量化車門傾角對車門關(guān)閉力的影響，設(shè)計(jì)車門鉸鏈傾角調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行實(shí)物測試。物理試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。試驗(yàn)臺主要結(jié)構(gòu)包括主體結(jié)構(gòu)、傾角調(diào)節(jié)模塊、鉸鏈跨距調(diào)節(jié)模塊以及測量（包括傾角和速度）模塊。

圖5 實(shí)驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)Fig.5 The Structure of the Test Bench

在車門關(guān)閉的初始位置和門鎖位置分別安裝速度測量裝置。該裝置由光電開關(guān)傳感器、中間繼電器、時(shí)間繼電器、復(fù)位開關(guān)、開關(guān)電源以及電源接口組成，如圖6 所示。

圖6 速度測量裝置Fig.6 The Device of Velocity Measuring

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

從表2（部分?jǐn)?shù)據(jù)）中可以分析得出內(nèi)傾角為4°、后傾角為2°的時(shí)候，車門關(guān)閉時(shí)的所需能量最小，此時(shí)，關(guān)門所需要的車門關(guān)閉力也最小。

表2 關(guān)閉車門所需能量（試驗(yàn)數(shù)據(jù)）Tab.2 The Energy Required to Close the Doors（the Test Data）

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)論為鉸鏈的內(nèi)傾角為4°、后傾角為2°時(shí)，關(guān)閉車門所需要的車門關(guān)閉力為最小，而Adams 仿真分析中，得到了在內(nèi)傾角為3°、后傾角為2°時(shí)，關(guān)閉車門所需要的車門關(guān)閉力為最小。因?yàn)樵诜抡孢^程中存在氣壓阻效應(yīng)、密封膠條等因素的影響，而實(shí)驗(yàn)臺排除了這些因素的影響，只針對車門鉸鏈傾角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，但是這個1°的誤差是合理的，所以在設(shè)計(jì)車門的過程時(shí)，建議將該款車門的鉸鏈傾角應(yīng)按照內(nèi)傾角為3°、后傾角為2°來進(jìn)行設(shè)計(jì)。