基于MATLAB GUI乘用車車門關閉能量分析與研究

張金清，尹輝俊

（1.廣西科技大學 a.機械與汽車工程學院；b.創新創業學院 廣西 柳州 545006）

0 引言

乘用車車門關閉輕便性是評價汽車車門設計和汽車使用性能的重要指標之一[1]。對于汽車制造商來說，車門力過大在設計中是常常遇到的問題。對于消費者來說，關閉力過大會給其留下不完美的印象。為此，汽車行業與學術界對車門關閉力進行了大量的研究。楊蕾[2]建立影響車門關閉能量各因素的數學模型，使用Adams的功能來建立一個車門關閉過程的仿真模型，得到各影響因素貢獻值，并進行試驗驗證。周雙[3]基于剛柔耦合多體動力學理論及虛擬樣機技術，使用Adams多體動力學軟件建立車門關閉的剛柔耦合模型，經過大量的數據研究分析后，發現如果忽略氣壓阻力效應，對整個車門能量最大影響的是密封條，約占總能量的30%。Qu Y、Qiu P等人[4]通過在車門關閉過程中的車門關閉力特性預判車門在設計階段時所反映出的車門關閉力，并通過試驗驗證。

已有的研究與探索通常使用動力學仿真軟件獲取影響車門關閉能量因素的貢獻值，但開發一種方便于計算關閉能量的工具鮮有少見。本研究對影響乘用車車門關閉能量的主要因素進行分析（氣壓阻效應、密封條、車門鉸鏈、車門限位器、車門重量以及車門門鎖），其次分別建立相對應的車門關閉能量數學模型。最后利用MATLAB提供的GUI便捷平臺，開發便于計算關閉能量的一種工具，用于計算各設計參數的關門能量，并進行實物試驗對比分析。該工具對研究人員具有較強的交互性，有助于提高車門設計的質量。

1 車門關閉能量影響因素分析及數學模型的建立

1.1 氣壓阻效應

在車門關閉過程中，外部空氣被車門擠入到車里內，造成汽車內部的氣壓增大，從而增大了車門的關閉阻力，這種現象稱為空氣阻力效應[5]。假設車廂內溫度不變，空氣是一種理想氣體，并且質量不變，由理想氣體狀態方程可得：

式中，P0為標準的大氣壓；V0為車門關閉前車里的容積；Pi為門在關閉時車內的氣壓；Vi為車門關閉后車內容積。

設車門面積A0，當密封條被壓縮Si時，則車內容積Vi的計算式為：

氣壓Pi的計算式為：

產生的空氣阻力增量：

空氣阻力耗費的能量：

1.2 密封條

在車門關閉現象中，密封條有助于吸收部分能量，能量吸收的大小與它受壓而產生變形的特性（CLD）有關[6]。圖1是某一款乘用車密封條的CLD曲線關系圖。在關門時，密封條在力的作用下，一直被擠壓，從而不斷的耗費能量。首先，假設把密封條劃分為n段，并且規定每100mm為一段。然后，將每小段密封條耗費的能量進行累加，可得到密封條耗費的總能量：

圖1 密封條CLD曲線

式中，E密為密封條在車門關閉中所耗費的能量；S為密封條在車門關閉中所受最大的壓縮量；F為密封條所受的壓縮力。

密封條壓縮量的計算式為：

式中，S為密封條壓縮量；R為車門開關時的旋轉半徑；θ為車門開關時的旋轉角度。

乘用車車門有兩條密封條，為了模擬密封條消耗的能量與角度的關系，把密封條分3個區域進行計算。如圖2所示，假設在關門時，l11，l12區域先被壓縮，壓縮完再到壓縮l21，l22，l31，l32區域，最后壓縮l41，l42區域。

圖2 密封條位置簡圖

1.3 車門鉸鏈

車門依靠著車門鉸鏈支撐，假設每個鉸鏈支撐車門重量的一半[7]。在重力的作用下，鉸鏈會產生摩擦力矩，其大小取決于車門鉸鏈間距、鉸鏈半徑、鉸鏈界面的摩擦系數、車門質心到鉸鏈軸線的距離和車門重量。兩鉸鏈軸上的摩擦力矩為[8]：

式中：μh為鉸鏈內部之間的摩擦系數；r為車門鉸鏈的旋轉半徑；rcm為車門鉸鏈轉軸線到車門的質量重心之間的距離；h為鉸鏈間距。

第一，研究負反轉構造，對中、古生界地層的追蹤對比和解釋，提高繪制構造圖的精度具有重要意義，從而提高勘探目標的成功率。

鉸鏈消耗的能量方程如下：

其中，τ鉸為鉸鏈處的摩擦力矩；Δθ為車門旋轉的角度。

1.4 車門限位器

車門限位器指的是車門在受到一定外力時，限制車門轉動的一種裝置[9]。限位器一般有3個檔位，在關門過程中，需要交叉3個檔位，每個檔位都會受到限位彈簧的限位，必然會消耗部分能量，消耗的能量由壓縮彈簧的特性決定。當門關閉時，車門限位器所需要的能量，就是壓縮彈簧阻力的扭矩和車門旋轉角度之間的乘積，即：

式中：E限為克服車門限位器彈簧裝置所需要的能量；T限為限位器彈簧裝置的扭矩；θ為車門旋轉的角度。

1.5 車門重量

由于車門鉸鏈軸線與車門關閉方向并未垂直，這使得車門在開閉時，重心發生變化，從而引起能量的變化[10]。車門重量消耗的能量為：

式中：m為車門本體重量；g為重力加速度9.8m/s2；h為車門本體重心垂直位移。

在關門過程中，繞著鉸鏈軸而旋轉的是車門本體重心。通過三維空間坐標旋轉變換獲取車門重心的的任意位置，假設車門重心坐標為（x，y，z），經過旋轉坐標變換后為（x'，y'，z'），如圖3所示。

圖3 重心坐標旋轉示意圖

式中：θ為車門的質量重心繞著鉸鏈重心旋轉的角度，（nx，ny，nz）為鉸鏈軸線的方向向量：

（x1，y1，z1）和（x2，y2，z2）分別是車門中的上下鉸鏈中心點坐標值，θ為車門質量重心繞著鉸鏈重心旋轉的角度。

1.6 車門門鎖

車門門鎖作為鎖止車門的部件。在關門過程中，門鎖與鎖鉤發生相對嚙合運動，從而產生阻力[12]。阻力會消耗車門關閉部分能量，其大小與鎖扣力有關。圖4是某乘用車車門鎖體力和位移的曲線圖。鎖扣力與位移的乘積就是車門門鎖在車門關閉時消耗的能量，即：

圖4 鎖扣力與位移曲線

式中，E鎖為門鎖在車門關閉時所需要耗費的能量；F鎖為車門關閉時的鎖扣力；d為車門鎖到車門鎖扣的位移。

2 車門關閉能量的可視化界面設計

2.1 GUI主界面的外觀設計

GUI界面主要由組件、圖形窗口與回應3個基本元素組成[13-14]。本研究運用編輯M文件的方式創建GUI主界面，主界面包含六個按鈕，分別對應氣壓阻效應、密封條、車門鉸鏈、車門限位器、車門重量與車門門鎖的子界面。任意按其中一個的按鈕，將進入相應的子界面，圖5為主窗口界面。

圖5 主窗口界面

2.2 主界面的代碼實現

主界面M文件的相關代碼如下（%后為解釋）：d=figure（‘name’，車門關閉能量系統）； %創建了主界面的標題為車門關閉能量系統。

通過調用uicontrol（ ）函數來完成按鈕的建立，例 如：h=uicontrol（'style' 'pushbutton''position'，[12030010050]，'string'‘氣壓阻效應’'FontSize'，16）；創立“氣壓阻效應”按鈕，在[12030010050]中的120，300為按鈕在主界面的位置坐標，100，50為按鈕的長寬，字體大小為16。

通過調用Set（ ）函數進入各子界面，例如：Set（b，‘Callback’‘qiyazuxiaoying’）；%在主界面點擊“氣壓阻效應”按鈕，將調用氣壓阻效因子界面對應M文件“qiyazuxiaoying”。

2.3 子界面的創建

以氣壓阻力效應子界面為例，在MATLAB中打開GUI設計界面，通過需求來設置界面的大小，調整靜態文本框、編輯文本框、坐標軸和按鈕組件在界面的位置，如圖6所示。靜態文本框的作用是為隨后參數輸入做解釋，“可編輯”文本框可輸入參數，坐標軸的作用是反映角度與氣壓阻效應消耗能量的關系，按鈕“plot”里的回調函數包含氣壓阻效應消耗能量算法。按鈕“close”為關閉當前子界面。

圖6 氣壓阻效應子界面布局

子界面設計好后，運行可得到圖7（a）的氣壓阻效應子界面。其他子界面的創建與氣壓阻效應子界面相似，在此只給出創建好的界面，如圖7（b）～圖7（f）所示。

圖7 各子系統界面

2.4 車門關閉能量計算結果

通過前面建立的可視化界面，可以計算出車門在關閉的過程中6種影響因素對車門關閉能量的貢獻值。表1所示為各影響因素能量貢獻值，負值代表做正功，正值代表負功。由表1可知，能量最大的是車門限位器和密封條，消耗的能量分別為3.24J、1.68J，車門鉸鏈和車門門鎖最小，分別消耗的能量為0.38J、0.39J。

表1 各影響因素能量貢獻值

3 車門關閉能量試驗與驗證

實車測量按圖8所示裝置。通過測量關門速度，再根據能量轉換函數求出各個影響因素對車門關閉能量的大小。本試驗做了表2所列的項目。

圖8 實車測量

表2 車門關閉能量試驗項

通過實車測量來獲取各個影響因素的貢獻值與軟件計算結果對比，得到表3的數值。由表3可知，通過以上的試驗結果與計算結果，各種影響因素的誤差都小于15%，滿足允許誤差范圍，說明所建立的數學模型與軟件計算結果是可靠的。

表3 計算與試驗結果對比

4 總結

本研究從6個（氣壓阻效應、密封條、車門鉸鏈、車門限位器、車門重量以及車門門鎖）影響車門關閉能量因素進行分析，建立相應的數學模型，運用MATLAB GUI建立子界面。子界面實際一個隱涵算法的一應用軟件，直接在子界面輸入相應的參數就可計算出各個影響因素對車門關閉能量的貢獻值。同時，通過實物試驗，得到各影響因素的試驗關閉能量貢獻值，對比試驗結果與計算結果，各種影響因素的誤差均小于15%，滿足要求。同時，MATLAB GUI可以提供非常便捷的操作界面，用戶不需要掌握編程技術，只需要在相應的位置輸入相應的參數就可以得到各影響因素對車門關閉能量的影響，所以該工具界面友好，操作方便，有助于提高車門設計的質量。