車門開度對關門時車內人耳位置峰值壓力的影響

蘇瑞，李晶，于潮，張賀林

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300399）

1 前言

關門耳壓感是目前車型普遍存在的問題。車門關閉時大量氣體被車門卷入乘員艙內，受汽車本身泄壓通道布置及泄壓面積的限制，卷入的氣體不能及時排出車外，導致車內壓力增大[1]。關門壓耳感問題的分析過程為瞬態分析，需要占用大量的計算資源，如果能夠在現有仿真分析方法基礎上以較小的車門開度作為主要分析的狀態可以大大提高研究進度，同時也在一定程度上簡化測試步驟，提高工作效率。

當前，已有關門耳壓優化的工程應用實例，但是進一步研究關門耳壓的影響因素，進而提高優化效率，縮短項目周期是十分有必要的。Hyung-il[2]根據實際車輛的幾何數據、物理數據和車門關門虛擬反作用力與車門關閉時間數據建立了車門關門過程的數值模型來預測最小關門速度。于劍澤等[3]利用 CFD 軟件建立汽車模型進行考慮氣壓阻效應的車門關閉力仿真分析，通過對比試驗結果找到一種能準確求解車門關閉氣壓阻效應的新方法；Li等[4]以重型卡車作為研究對象得到了車艙內壓力隨時間的變化，并指出采用降低關門速度和增大泄壓孔的方法可以有效降低汽車內部壓力；李超帥等[5]通過能量轉化的理論分析，針對汽車尾門提出了一種通過可測試量求解不可測試量的氣壓阻效應耗能計算方法；陳楓[6]研究了車門關閉過程的流場特征和壓強變化，并研究不同泄壓能力的泄壓閥對關門耳壓的影響。研究表明，人體聽覺器官由外耳、中耳和內耳三部分組成[7]，其中中耳主要負責感知外界氣壓變化。當壓力值超過400-670Pa時，鼓膜產生脹感，人耳承受的最大負壓為 23kPa，當超過這一值時鼓膜可能穿孔[8]。通常車門關閉引起的車內壓力變化介于100-500Pa之間，壓力雖遠小于人耳可承受最大壓力，但也超出了人耳舒適型范圍。因此，盡快解決壓耳感問題是十分有必要的。據統計，正常關門速度在0.8m/s-1.3m/s范圍內，但是針對關門耳壓研究的車門開度沒有做出具體的要求。

本研究采用 Star-ccm+軟件的重疊網格技術實現車門的旋轉，通過有限元建模得到1:1的全尺寸網格模型。通過仿真與試驗相結合的方法研究不同車門開度對關門時車內峰值壓力的影響，為以后的研究優化提供理論基礎。

2 仿真計算

2.1 網格模型

為了仿真計算的有效性，本次研究以實車數模為基礎建立1:1模型。保留原車氣流通道分布及各個通道過孔面積，并且忽略動力總成、傳動系統、電氣系統以及儀表盤等對車內壓力影響較小的因素，對車門內飾和泄壓通道等結構進行細化處理，保證仿真的精度。

模型主要分為兩個部分，主域為直徑8 m的半球體與車身內飾、外CAS間圍成的區域，如圖1所示；從域為車門周圍長方體結構圍所成的區域，如圖2所示。

圖1 主域形狀及尺寸

主域要求半球體外殼不影響計算域內流體流動，模擬空曠的測試環境，網格尺寸在5mm-200mm范圍內；從域要求長方體結構與車門外表面保持一定距離（大于 4個網格尺寸），網格尺寸在1mm-20mm范圍內。

圖2 從域形狀及尺寸

重疊網格一般用于運動部件的或運動狀態不同的兩個或多個部件的問題分析。本研究采用重疊網格技術主要實現車門的旋轉以及車門旋轉過程中主域與從域之間的信息傳遞。重疊網格需多層加密，如圖3所示：

圖3 重疊網格

2.2 湍流模型

仿真采用大渦模擬Large Eddy Simulation（LES）[9]，不考慮溫度對結果的影響，在計算過程中把湍流瞬時運動量通過濾波方法分成大尺度運動（大渦）和小尺度運動（小渦），大尺度運動通過微分方程直接計算，小尺度運動對大尺度運動的影響通過亞格子雷諾應力表征。該模擬方法可以描述小尺度湍流流動，但是計算量小于 DNS[10]（Direct Numerical Simulation）。濾波后不可壓縮的紊流運動控制方程為Navier-Stokes（N-S）方程：

亞格子應力采用Smagorinsky模型[63]求解，其表達式如下：

其中亞格子粘渦系數γT可以表示為：

式中：Δ是過濾尺度；Cs是無綱常量，稱為Smagorinsky系數，取0.28。大渦模擬收斂性好，在網格數量較多的情況優先考慮。

2.3 速度輸入

當前，關門耳壓相關研究采用的關門速度大多為 1.2±0.01m/s。本研究針對車門一檔位（35°）和最大開度（70°）兩種狀態進行仿真分析。通過試驗測試得到不同開度的瞬時關門速度，如圖4所示：

圖4 不同開度關門瞬時速度

兩種狀態的關門速度均為1.2m/s，并且在關門瞬間兩條曲線的速度衰減率基本一致。其中，一檔位的關門速度曲線受收限位器檔位的影響，未出現中間的波動。

2.4 壓耳感仿真

仿真計算以駕駛員左耳和右后乘員左耳位置為壓力監測點，如圖5所示。仿真模擬真實的測試環境，研究表明，受手車內氣流流動特性影響，關左前門時駕駛員左耳和右后乘員左耳感受到的壓耳感最明顯。選定壓力監測點后，導入速度曲線，分別計算車門開度一檔位與最大開度兩種狀態的關門耳壓。瞬時速度的采樣頻率為1kHz，仿真計算的時間步長設置為2ms，充分保證計算的準確性。

圖5 壓力監測點

2.5 仿真結果

車門一檔位位置以1.2m/s的速度關閉時駕駛員左耳耳壓為172.3Pa；右后乘員左耳耳壓169.7Pa。監測點壓力變化曲線如圖6所示：

圖6 車門一檔位監測點壓力變化

由圖可知，監測點壓力在0.8s左右達到峰值。在關門過程中，乘員耳壓在車門關閉瞬間會急劇增加至峰值而后穩定衰減，這與實際和推測結果相符，并且駕駛員位置耳壓較右后位置先達到峰值，這與關門過程車內流場特性有關。

車門最大開度位置以1.2m/s的速度關閉時駕駛員左耳耳壓為173.4Pa；右后乘員左耳耳壓171.5Pa。監測點壓力變化曲線如圖7所示：

圖7 車門最大開度位置監測點壓力變化

由圖可知，監測點壓力在 1.25s左右達到峰值。由于較大開度，車門由初始位置至完全關閉的過程所需時間更長，但壓力變化趨勢與車門開度一檔位時變化一致。

對比不同車門開度的仿真結果，駕駛員左耳耳壓相差1.1Pa，誤差為0.6%；右后位置左耳耳壓相差1.8Pa，誤差為1.1%。計算結果顯示關門速度相同時，車門開度對關門時車內峰值壓力幾乎沒有影響。

3 試驗測試

為了進一步驗證仿真結果的準確性，對該車型進行車門開度一檔位和最大檔位關門耳壓測試。關門耳壓測試過程可以采集瞬時關門速度也可監測車內壓力變化，每組測試結果與車門轉速相對應。試驗測試針對車門關門速度為1.2m/s的工況進行測試。關門速度大小的定義取決于車門經過速度監測點時的瞬時速度，如果測試過程中車門轉動經過監測點的速度為1.2m/s。那么測試得到的峰值壓力為1.2m/s速度下的關門耳壓。

3.1 耳壓監測設備

試驗測試車型與仿真數模中車型一致，采用專用的耳壓測試設備人工頭（最大量程±500Pa，測量精度 0.1Pa，采樣間隔為5ms），如圖8所示：

圖8 耳壓測試設備及監測點位置

3.2 試驗步驟

（1）測試車輛準備。將測試車輛停放在水平、寬敞的空間，不影響車門正常開閉，環境溫度在25℃左右。

（2）檢查車輛狀態。測試前確保車窗及車輛除測試車門外的其他車門處于關閉狀態；車內空調系統調至內循環；清理車內雜物；確保座椅調節到正常乘坐位置，以減小測量誤差。

（3）測試設備準備。將關門速度測試儀關門能量測試儀布置，測量車門的旋轉半徑與速度半徑。將關門耳壓測試設備固定在駕駛員及右后乘員位置，監測相應位置的壓力變化。在進行關門耳壓測試前還進行了試關門，確保關門過程無其他外界影響因素，避免對測試結果產生干擾。

（4）測試。測試前將車門打開至限位器一檔位位置和最大檔位，每種狀態測量三次并取平均值。

（5）設備整理。實驗測試完畢，將不同測試設備分別整理完畢放歸原位。測試車輛停放至停車位。

（6）數據整理。關門耳壓測試采用手動關門方式，手動關門時關門速度大小具有隨機性，因此需要從每組數據中篩選出所需數據。

4 結果對比

4.1 耳壓測試值

經測試，車門處于一檔位時監測點壓力分別為駕駛員耳壓167.7Pa，右后左耳耳壓171.6Pa；車門處于最大檔位時監測點壓力分別為駕駛員耳壓170.5Pa，右后左耳耳壓175.3Pa，車門開度不同對關門時駕駛員位置峰值壓力差為2.8Pa；右后位置峰值壓力差為3.7Pa，測試結果顯示車門開度對關門時車內峰值壓力幾乎沒有影響。

4.2 仿真與實驗對比

通過仿真計算結果可知不同車門開度下測得的監測點峰值壓力基本一致。為進一步驗證仿真結果的準確性和一致性，將仿真結果與同狀態下的測試值進行對比。車門處于一檔位的結果對比如圖9所示：

圖9 車門一檔位位置監測點壓力對比圖

對比結果顯示，仿真結果與測試得到的監測點壓力變化趨勢基本一致。當車門處于一檔位時駕駛員位置壓力的計算值與測試值相差4.6Pa；右后位置壓力的計算值與測試值相差1.9Pa，誤差均在3%以內，結果一致性較好。

車門處于最大檔位的結果對比如圖10所示：

圖10 車門最大開度位置監測點壓力對比圖

對比結果顯示，仿真與測試結果壓力變化趨勢基本一致，1.25s左右壓力達到峰值。當車門處于最大開度時駕駛員位置壓力的計算值與測試值相差2.9Pa；右后位置壓力的計算值與測試值相差3.8Pa，誤差均在3%以內，結果一致性較好。

5 結束語

本文基于現有關門耳壓研究方法探究車門開度對關門時車內峰值壓力的影響。研究過程針對車門在一檔位和最大檔位時以1.2m/s的關門速度關門的工況，并與測試結果進行了對比。結果顯示相同關門速度，同一監測點的峰值耳壓與車門開度無關。車門開度35°和70°得到的車內壓力基本相同，誤差在 3%以內。并且仿真計算結果與試驗測試結果一致性較好。因此，在以后的研究過程中可以以車門一檔位位置作為主要研究狀態，同時也可以為汽車關門耳壓計算和優化提供一定的參考。