基于氣壓阻力的車(chē)門(mén)關(guān)閉能量試驗(yàn)分析

孟小文安月影杜矯龍張亦弛葉濱

（1.上汽大眾汽車(chē)有限公司；2.上海交通大學(xué)）

汽車(chē)車(chē)門(mén)關(guān)閉能量問(wèn)題是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，最直接的影響是客戶(hù)關(guān)門(mén)的直觀感受，是整車(chē)舒適性評(píng)價(jià)要求之一。為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高客戶(hù)滿(mǎn)意度，減少市場(chǎng)抱怨，關(guān)閉能量問(wèn)題成為各主機(jī)廠(chǎng)需重點(diǎn)解決的問(wèn)題。車(chē)門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中，影響關(guān)閉能量的因素很多，常見(jiàn)的影響因素包括鉸鏈、密封條、鎖機(jī)構(gòu)、車(chē)門(mén)的質(zhì)心/質(zhì)量及關(guān)閉過(guò)程的氣壓阻力等，其中氣壓阻力與密封條的影響最大。而對(duì)氣壓阻力產(chǎn)生影響的有車(chē)門(mén)面積、車(chē)內(nèi)體積及排風(fēng)口的位置/大小等。文章以汽車(chē)后門(mén)為例，進(jìn)行了氣壓阻力對(duì)車(chē)門(mén)關(guān)閉能量影響的試驗(yàn)分析，確認(rèn)了氣壓阻力是影響車(chē)門(mén)關(guān)閉能量的主要因素。

1 氣壓阻力模型的建立

汽車(chē)車(chē)門(mén)在關(guān)閉的過(guò)程中，所出現(xiàn)的氣壓阻力影響是指在給予汽車(chē)車(chē)門(mén)一定的初速度前提下，汽車(chē)車(chē)門(mén)關(guān)閉瞬間，由車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)區(qū)域掃到的空氣在瞬間壓入車(chē)廂，在這過(guò)程中車(chē)廂內(nèi)的氣體有小部分從泄壓孔等車(chē)廂縫隙中逸出，但是在關(guān)閉時(shí)壓入的氣體量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由泄壓孔等車(chē)廂縫隙排出的氣體量，造成車(chē)廂內(nèi)氣壓瞬時(shí)增大而引起的阻力，從而造成關(guān)閉車(chē)門(mén)時(shí)關(guān)閉能量增多。氣壓阻力產(chǎn)生的能耗占關(guān)門(mén)總能量比重比較大，它與多個(gè)因素有關(guān)，主要包括關(guān)門(mén)速度、泄壓孔位置與數(shù)量、車(chē)廂的密封性能、周?chē)h(huán)境狀況及車(chē)內(nèi)設(shè)計(jì)布置等。因此從理論上分析，要準(zhǔn)確計(jì)算由氣壓阻力引起的具體能量消耗是十分復(fù)雜的，很難精確計(jì)算。

1.1 氣壓阻力理論計(jì)算模型

在關(guān)閉過(guò)程中，由于車(chē)門(mén)具有一定的面積，從而使大量空氣被擠壓進(jìn)入車(chē)廂內(nèi)，造成車(chē)廂內(nèi)空氣壓縮，氣壓升高，這個(gè)過(guò)程造成的氣壓變化使得關(guān)門(mén)阻力增加，從而需要更多的能量克服氣壓阻力做功，即消耗的關(guān)閉能量增大[1]。氣壓阻力與關(guān)門(mén)速度、泄氣口的大小與位置及空間布局等各種因素有關(guān)，此時(shí)氣壓阻力產(chǎn)生的能量，被簡(jiǎn)化為一個(gè)理想的動(dòng)態(tài)平衡氣體模型來(lái)進(jìn)行估算。車(chē)門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中引起的氣壓阻力的計(jì)算[2]，如式（1）所示。

式中：F——?dú)鈮鹤枇Γ琋；

P0——初始狀態(tài)車(chē)門(mén)關(guān)閉前車(chē)廂內(nèi)的氣壓，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；

Pn——車(chē)門(mén)關(guān)閉瞬間車(chē)廂內(nèi)氣壓，Pa；

A0——車(chē)門(mén)面積，m2。

克服阻力消耗瞬間能量的計(jì)算，如式（2）所示。

式中：ds——阻力產(chǎn)生的瞬間位移，m。

車(chē)門(mén)關(guān)閉總能量的計(jì)算，如式（3）所示。

式中：ΔW——車(chē)門(mén)關(guān)閉的瞬間能量，J；

W氣壓——車(chē)門(mén)關(guān)閉的總能量，J。

由于在實(shí)際關(guān)門(mén)過(guò)程中多采用速度進(jìn)行評(píng)價(jià)，故可以將理論模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際速度數(shù)據(jù)處理模型計(jì)算。

1.2 氣壓阻力試驗(yàn)計(jì)算模型的建立

有氣壓阻力試驗(yàn)，是指除去該試驗(yàn)研究的車(chē)門(mén)外，其余3個(gè)車(chē)門(mén)和玻璃全部關(guān)閉，即是有氣壓阻力的情況；反之，則為無(wú)氣壓阻力試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)先用手關(guān)閉車(chē)門(mén)，然后將手離開(kāi)車(chē)門(mén)，車(chē)門(mén)擁有最大動(dòng)能時(shí)的能量即為初態(tài)能量，初態(tài)能量的計(jì)算，如式（4）所示。

式中：E1——車(chē)門(mén)初態(tài)動(dòng)能，J；

J——根據(jù)車(chē)門(mén)質(zhì)量及質(zhì)心位置計(jì)算得到的車(chē)門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

ω1——車(chē)門(mén)初始角速度，rad/s。

該角速度可以通過(guò)測(cè)試得到，即為傳感器所采集數(shù)據(jù)中的最大角速度值。

有氣壓阻力車(chē)門(mén)末態(tài)能量是指車(chē)內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到最大，也就是車(chē)門(mén)剛好接觸密封條時(shí)車(chē)門(mén)具有的能量，末態(tài)能量的計(jì)算，如式（5）所示。

式中：E2——車(chē)門(mén)末態(tài)動(dòng)能，J；

ω2——車(chē)門(mén)接觸密封條時(shí)的角速度，rad/s。

將同一次試驗(yàn)的車(chē)門(mén)角速度曲線(xiàn)與車(chē)內(nèi)氣壓變化曲線(xiàn)繪制在同一張圖內(nèi)，氣壓達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的角速度即為ω2。因此，有氣壓阻力的車(chē)門(mén)關(guān)閉能量的計(jì)算，如式（6）所示。

式中：ΔEK1——有氣壓阻力的車(chē)門(mén)關(guān)閉損耗的能量，J。

無(wú)氣壓阻力車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)損耗的能量計(jì)算過(guò)程與有氣壓阻力關(guān)門(mén)損耗的能量相同，但此時(shí)4門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)，計(jì)算得到無(wú)氣壓阻力車(chē)門(mén)關(guān)閉損耗的能量（ΔEK2/J）；ΔEK1與ΔEK2的差值即為關(guān)門(mén)過(guò)程中純氣壓阻力消耗能量，如式（7）所示。

式中：ΔE——純氣壓阻力消耗的車(chē)門(mén)關(guān)閉能量，J。

汽車(chē)關(guān)門(mén)過(guò)程中氣壓阻力耗能占比的計(jì)算，如式（8）所示。

式中：α——?dú)鈮鹤枇哪苷伎傟P(guān)閉能量的百分比，%。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)將角速度傳感器與壓力傳感器貼在汽車(chē)車(chē)門(mén)靠近把手區(qū)域的門(mén)內(nèi)飾上，如圖1所示。給予車(chē)門(mén)一個(gè)初速度，使車(chē)門(mén)關(guān)閉，并同時(shí)使用角速度傳感器與壓力傳感器收集數(shù)據(jù)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行MATLAB處理，得到車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中的速度變化曲線(xiàn)與該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)變化情況。根據(jù)理論公式計(jì)算，即可得到氣壓阻力所產(chǎn)生的耗能及其占車(chē)門(mén)關(guān)閉總耗能的比例。

圖1 試驗(yàn)方案示意圖

2.2 關(guān)門(mén)過(guò)程中氣壓阻力耗能試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

文章涉及的試驗(yàn)是將某車(chē)型后門(mén)作為控制量，關(guān)門(mén)速度作為試驗(yàn)變量，研究該車(chē)型氣壓阻力消耗能量的影響。主要分為有氣壓阻力和無(wú)氣壓阻力2種條件下的試驗(yàn)。試驗(yàn)需要測(cè)量的變量包括不同試驗(yàn)條件下車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中的角速度變化及車(chē)廂內(nèi)氣壓的變化。試驗(yàn)過(guò)程中得到的角速度變化曲線(xiàn)將用于氣壓阻力在關(guān)門(mén)過(guò)程中消耗能量試驗(yàn)的計(jì)算。試驗(yàn)過(guò)程中將傳感器采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件中進(jìn)行處理，得到各次試驗(yàn)的角速度曲線(xiàn)和氣壓變化曲線(xiàn)。圖2示出某車(chē)型有無(wú)氣壓阻力的條件下車(chē)門(mén)角速度變化曲線(xiàn)。

圖2 某車(chē)型有無(wú)氣壓阻力條件下車(chē)門(mén)角速度曲線(xiàn)圖

從圖2 a中可以看出，階段1為測(cè)試人員推動(dòng)車(chē)門(mén)的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，車(chē)門(mén)角速度由于人做功而不斷增大；階段2為車(chē)門(mén)依次經(jīng)歷兩擋限位器的過(guò)程，在經(jīng)過(guò)每一擋限位器之前和之后，車(chē)門(mén)會(huì)分別失去和獲得1次能量，因此角速度就呈現(xiàn)為鋸齒狀；階段3為本次試驗(yàn)重點(diǎn)研究的氣壓阻力影響過(guò)程，該過(guò)程中由于車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)將部分外部氣體擠壓進(jìn)車(chē)內(nèi)導(dǎo)致車(chē)廂內(nèi)部壓強(qiáng)在短時(shí)間內(nèi)快速上升，氣壓的上升對(duì)車(chē)門(mén)產(chǎn)生較大的推力，阻礙車(chē)門(mén)的關(guān)閉，這就是關(guān)門(mén)過(guò)程氣壓阻力消耗能量的實(shí)質(zhì)，車(chē)門(mén)角速度也因此快速下降；階段4為車(chē)門(mén)接觸密封條之后的角速度振蕩過(guò)程，由于該過(guò)程中車(chē)內(nèi)空氣通過(guò)泄氣孔快速排出，車(chē)內(nèi)氣壓也同時(shí)快速下降至與外部平衡狀態(tài)，因此，此時(shí)氣壓阻力對(duì)能量的消耗較小，主要影響因素是密封條和門(mén)鎖。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集分析可以看到，關(guān)門(mén)過(guò)程中各階段角速度的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)實(shí)際情況一致。

對(duì)比圖2 a中的階段3與圖2 b中的階段1可以看到，在車(chē)門(mén)接觸到密封條之前，有氣壓阻力試驗(yàn)條件下的關(guān)門(mén)角速度曲線(xiàn)與無(wú)氣壓阻力試驗(yàn)條件下的關(guān)門(mén)角速度曲線(xiàn)相比，有一段明顯的下降過(guò)程，這就是有氣壓阻力關(guān)門(mén)試驗(yàn)和無(wú)氣壓阻力關(guān)門(mén)試驗(yàn)的差異，真實(shí)地反映出氣壓阻力在關(guān)門(mén)過(guò)程中的影響，即氣壓阻力會(huì)在車(chē)門(mén)完全關(guān)閉之前的時(shí)間段內(nèi)導(dǎo)致其角速度快速下降。布置在車(chē)內(nèi)頂部的氣壓傳感器獲得的數(shù)據(jù)也監(jiān)測(cè)到車(chē)廂內(nèi)氣壓的變化情況，圖3示出有無(wú)氣壓阻力條件下的車(chē)內(nèi)氣壓變化曲線(xiàn)。

圖3 某車(chē)型有無(wú)氣壓阻力條件下車(chē)內(nèi)壓強(qiáng)變化曲線(xiàn)圖

對(duì)比圖3a和圖3b可以看出，在有氣壓阻力的關(guān)門(mén)試驗(yàn)中，車(chē)內(nèi)氣壓在車(chē)門(mén)接觸密封條之前短時(shí)間內(nèi)有一個(gè)快速地提升階段，上升幅度可以達(dá)到180 Pa，而無(wú)氣壓阻力情況下車(chē)內(nèi)氣壓則沒(méi)有十分明顯變化，只有車(chē)門(mén)擾動(dòng)產(chǎn)生的一點(diǎn)影響。

再將有氣壓阻力關(guān)門(mén)試驗(yàn)中同一次試驗(yàn)的角速度曲線(xiàn)與氣壓變化曲線(xiàn)繪制在同一張圖中進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 有氣壓阻條件下車(chē)門(mén)角速度與車(chē)內(nèi)壓強(qiáng)變化曲線(xiàn)圖

從圖4可以看出，在大約1.8 s后車(chē)內(nèi)氣壓曲線(xiàn)開(kāi)始上升，與此同時(shí)角速度曲線(xiàn)開(kāi)始下降，在2 s時(shí)，車(chē)內(nèi)氣壓達(dá)到最高，角速度降到最低。兩者的變化趨勢(shì)是相符合的。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

表1示出某試驗(yàn)車(chē)型在恰好能將車(chē)門(mén)關(guān)閉的速度狀態(tài)下，根據(jù)5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的關(guān)門(mén)過(guò)程中氣壓阻力消耗能量的數(shù)值及占總消耗能量的百分比。

表1 某車(chē)型低速關(guān)門(mén)過(guò)程氣壓阻力耗能情況分析表

從表1可以看到，該車(chē)型在5次關(guān)門(mén)試驗(yàn)中，氣壓阻力消耗能量的平均值為0.472 J[3]，且各次試驗(yàn)結(jié)果均接近平均值，標(biāo)準(zhǔn)差為0.053，試驗(yàn)結(jié)果比較穩(wěn)定，計(jì)算的能耗占比平均值為27.6%。

3 結(jié)論

文章通過(guò)試驗(yàn)的方法，使用壓力傳感器和速度傳感器采集試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)并分析，并通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算，獲得了在車(chē)門(mén)剛好關(guān)閉試驗(yàn)條件下，關(guān)門(mén)過(guò)程氣壓阻力消耗的平均能量為0.472 J，能量消耗占比約27.6%。同時(shí)通過(guò)MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出了關(guān)門(mén)過(guò)程中車(chē)門(mén)角速度和氣壓相對(duì)應(yīng)的變化曲線(xiàn)關(guān)系，并在進(jìn)行關(guān)門(mén)氣壓阻力耗能的實(shí)車(chē)試驗(yàn)時(shí)，除監(jiān)測(cè)車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中角速度變化過(guò)程，還利用氣壓傳感器監(jiān)測(cè)車(chē)門(mén)內(nèi)的壓強(qiáng)變化曲線(xiàn)，驗(yàn)證了氣壓阻力的存在。該試驗(yàn)分析結(jié)果，對(duì)未來(lái)汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。