汽車車門閉合力分析研究

張映紅 劉國弟 汪建安 王毅 徐勇

摘 要：汽車車身設計在整車設計中有舉足輕重的作用，而車門的設計又是車身設計中的一個難點和重點，如何判斷車門結構的合理性，設計和優化車門系統，是一項非常重要的工作，文章詳細研究了車門系統設計的整個過程，為后續車型車門系統設計開發提供了參考和依據。

關鍵詞：車門設計；閉合力；優化

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-231-03

Abstract： Automobile body design plays an important role in the design of the whole vehicle， and the design of the car door is a difficult and key point in the design of the car body. How to judge the rationality of the door structure and design and optimize the door system is a very important work. This paper studies the whole process of the door system design in detail， which provides a reference and basis for the design and development of the door system of the following car models.

Keywords： Door design； closing force； Optimization

CLC NO.： U462 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-231-03

前言

在汽車行業閉合件為車門系統含四門兩蓋，在車身設計中是一個相對獨立的模塊，其貫穿整車設計的始終。從前期的市場調研，選型同類對標車，到效果圖定稿，CAS面的輸出到主模型架構完成[1]。

在轎車車門的工程設計中，閉合力設計始終是一個難點，如果設計不好，或出現閉合力過大，或出現漏風漏雨、車內噪聲值過高等問題[2]。J.D.POWER的新車質量調研結果顯示，開關門力超重始終是顧客抱怨最多的質量問題之一[3]。

本文采用關門速度評價方式進行閉合性能研究，通過理論分析結合CAE計算模擬給出分析結論。

1 門閉合力影響因素分析

空載且門窗均關閉的狀況下，車門上的A 點，通過B位置時，恰好能使車門關閉所達到的速度稱為車門關閉速度，用符號V 表示，A點為“門外把手”水平中心線上方60+5mm的門邊緣處，B位置為車門打開時，A點距離其關門時相應位置A'點的直線距離為60+5mm處，其示意圖如圖[4]：

2 門閉合力的設計

門閉合力設計流程：

2.1 設定車門閉合速度目標

結合實際車型情況，合理制定各門閉合速度，推薦閉合速度：V≤1.2m/s；假設對前門和后門使用相同的速度關門，我們能否將門給關上，針對此問題做推算（假設鉸鏈、密封條、空氣阻力不計的情況下），前后門均以V=1.0 m/s的速度，M1=29.4kg（前），R1=0.515m，R2=1.002m， H1=0.507268m，H2=0.505364m；根據動能公式： ；門質心位置及轉動慣量得出門的動能提供量： 門從關閉測量位置到關閉位置，勢能提供能量： 根據動能公式和勢能公式，前門從關閉測量位置到關閉位置，動能和勢能共提供能量計算得： ，若后門也用V=1.0 m/s速度關門，M2=24.1 kg（后），R1'=0.443m，R2'=0.9442m，H1'=0.507268m，H2' =0.505364m，此速度具備的關門能量為： ，若對影響前后門閉合力的其它因素進行等效設定：即前后車門鉸鏈、軸線同軸度、限位器，門鎖及其它未知（如空氣流通）消耗能量基本相同，設為E其它因素。則前門能量與后門能量的比值為：

E前門能量/ E后門能量= 1.57倍，考慮到其它因素消耗的能量后，其剩余給密封條的能量比值為：E前門能量-E其它因素）/（E后門能量-E其它因素）>1.57倍，而前門密封條長度3350mm，后門密封條長度3100mm，如果密封條單位長度消耗能量相同的話，則前后門密封條消耗的能量比值為：E前門密封條消耗/ E后門密封條消耗= 1.08倍；

由上述定性計算可知，前后門關門速度相同，則前門提供給密封條消耗的能量情況優于后門；后門在其它因素都不改變的情況下能夠關上，只能提升關門速度，因為后門的閉合速度總是比前門要高些。

2.2 閉合力影響因素

影響門閉合力的因素很多，我們主要從結構布置和能量耗損兩個方面進行考慮，能量消耗或增加類因素包含鉸鏈、限位器、車門重心升降、氣壓阻、密封條等，在設計和優化過程中需要考慮其結構對閉合力的影響。

2.3 計算門閉合力所有因素的能量消耗值

2.3.1 密封條阻力

假定密封條在小變形范圍內為線性彈性變形，密封條的彈性系數為km，按照車身設計規范，密封條的壓縮量s≤10mm，沿密封條周長方向受力均勻，在密封條長度L上，密封條在壓縮面量S（m）下，△Li足夠小時，所有n段所產生的阻力所做的總功為Pm可視為：

2.3.2 氣壓阻力

車門在壓縮駕駛室空氣的瞬間位移量很小，可以假定過程運動是近似的平動過程。

設駕駛室容積空間內的空氣為理想氣體，則根據工程熱力學理想氣體狀態方程可得：

P0為標準大氣壓；Pi車門關閉時駕駛室容積空間內氣體壓力；V0為車門關閉前駕駛室容積空間（密封條為未壓縮空間）；Vi為車門關閉后駕駛室容積空間（密封條已被壓縮）；車門迎風面積為A0密封條壓縮量為Si，則：

2.3.3 車門運動阻力

車門運動阻力總功為密封條變形阻力和氣壓阻力所做功之和，表達式如下：

計算得出關閉車門所需克服的阻力越大，車門關閉力越大，駕駛室內空氣壓縮比例越小，關門越輕便，密封條被壓縮距離越大，車門關閉力越大。

2.4 預設密封截面結構，初步確定密封條壓縮特性曲線

密封截面的結構設計，可以參照已有車型，或沿用密封條所對應的結構，壓縮特性曲線可以由供應商提供。

2.5 密封截面設定，對密封條進行CAE分析

根據密封截面各尺寸的設定，對密封條進行CAE分析，其內容主要針對以下過程：

a.關門過程中，密封條的狀態變化及應力分布；b.關門過程中，密封條的反作用力變動范圍；c.關門后，密封條對鈑金的密封面積，或稱為壓覆面積。

2.6 根據模擬結果，調整各處密封截面結構

針對模擬結果，主要考察兩方面是否滿足：

a.壓覆面積是否滿足密封要求；b.密封條反作用力所消耗的能量是否小于或等于預分配值。如不滿足，優先調整密封截面形狀，使之兼顧密封條壓覆面積和反作用力的要求；如仍無法解決問題，則可以適當調整密封條壓縮特性曲線。

3 總結

通過對設計的試制結果看，其閉合力設計技術是可行的，車門閉合速度均在允許范圍內，達到了預期的設計目標。

參考文獻

[1] 陳宇.汽車車門的設計研究[D].湖南.湖南大學.碩士論文.2014.11.

[2] 李春芳.左春檉.車門閉合力研究若干問題的綜述[J].機械管理開發.2011.8.

[3] Raviray Nayak， Kee Im， Optimization of the side swing door closing effort[J].The society of Automotive Engineers Intem-ational， 2003， （1）：871.