鉸鏈對車門縫隙電磁屏蔽特性影響分析

趙 曌，徐中明，賀巖松，劉青松，丁良旭

（1.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030；2.重慶車輛檢測研究院有限公司 重慶市電磁兼容工程技術研究中心，重慶 401122）

為了實現安全、環保、舒適、節能等方面的要求，現代汽車應用了大量的電子器件。汽車電子技術的應用程度已成為衡量汽車技術水平的一個重要標志。汽車行業中70%的創新來源于汽車電子，或者與汽車電子密切關聯。統計數據表明，在國內生產的轎車中，電子部件的成本已占整車總成本的20%～30%，國外高檔轎車的這個比例已達到30%～40%。汽車電子設備一方面帶來了性能方面的提升，而另一方面，由于其工作特性，也帶來了大量的電磁輻射干擾，對車外的接收機設備造成干擾。同時，汽車電子設備也是易受干擾的敏感設備，外部的電磁干擾將會影響它的正常運行，從而影響整車的性能。

屏蔽作為一種提高電子設備電磁兼容性能的常用方法，既可以防止電子電路的輻射發射對其它電子產品的干擾，也可以防止產品外部的輻射發射耦合到產品內部電子電路中導致的內部干擾。汽車車門縫隙的存在既為外界電磁輻射干擾進入車內提供了通路，也導致了汽車內部電磁輻射的向外泄露，而車門上的鉸鏈及門鎖的存在對車門縫隙的截斷作用將會影響車門的電磁屏蔽效能。因此，研究車門鉸鏈及門鎖對縫隙的電磁耦合特性的影響具有十分重要的現實意義。

1 汽車車門的模型簡化

1.1 汽車車門的結構分析

圖1為汽車前門的結構示意圖。由圖可知，車門前部安裝有一對鉸鏈，用以實現車門的開閉以及為車門處于開啟狀態時的固定提供支撐力。車門的后部安裝了一個門鎖機構，用以在車門關閉時鎖緊。車門的縫隙結構屬于拐角趨于直角的梯級結構，縫隙之中填充了密封橡膠條。

1.2 汽車車門的模型簡化

參照某型三廂乘用車的前車門參數建立了一個車門的簡化模型，進而研究它的電磁屏蔽特性。簡化模型縫隙結構如圖2所示，帶箭頭線段所穿過的空間為電磁波在縫隙中傳播的通道。

過去的研究表明，車門縫隙結構的屏蔽效能受縫隙拐角角度變化的影響很小，所以簡化模型中縫隙的拐角角度都設定為90°[1]。因為車門各處的縫隙寬度近似，且密封性設計較好的車門縫隙寬度均在3 mm左右，所以為了提高計算效率，縫隙各個部分的寬度都設為3 mm，同時忽略縫隙內局部突變結構對電磁傳播的微擾作用，縫隙拐角處無過渡圓弧結構，且內壁光滑，無凸起、凹槽等微小結構。由于密封條材料的絕緣特性決定了它對電磁波傳播的影響很小，所以縫隙內設為空氣腔。本文主要考慮車門縫隙的電磁屏蔽特性，因此車門簡化模型的車窗部分用同車窗玻璃等厚度的理想導體填充。

2 車門縫隙電磁屏蔽仿真模型建立

2.1 縫隙的有限元法（FEM）計算

對于帶孔縫空腔的屏蔽特性已經做了很多研究，常用的研究方法有矩量法（Method of Moments，MOM）[2]、傳輸線法（Transmission Line Method，TLM）[3]、時域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）[4-5]和有限元法（Finite Element Method，FEM）[6]等。

電磁場的FEM是目前研究應用比較多的計算方法，應用范圍廣，適合分析各種復雜機構，配合現代高速、大存儲量的計算機，能夠方便地得到較為精確的結果。ANSOFT公司的HFSS軟件基于FEM進行電磁場仿真分析，是業界公認的三維電磁場設計分析的標準軟件。本文采用HFSS仿真，計算分析主要參數對車門縫隙電磁屏蔽特性的影響。

FEM求解電磁場問題的基本公式為麥克斯韋磁場微分方程，即

式中，?為拉普拉斯算子；A為矢量磁勢；μ為介質磁導率；ε為介電常數；J為電流密度；t為時間變量；φ為磁通量；n為法向量；Γ1為一類邊界；Γ2為二類邊界。

HFSS軟件求解相應電磁問題的步驟如下。

（1）區域離散。在有限元分析中，區域離散是最重要的一步，因為區域離散的方式將影響計算機內存的需求、計算時間和數值結果的精度。本文所述模型選用四面體作為基本單元，并通過軟件的自適應網格剖分功能對誤差較大的區域進行網格的細化處理，以保證仿真結果的精度。

（2）插值函數的選擇。在每一個離散單元結點上的值是我們要求的未知量，在其內部其它點上的值是依靠結點值對其進行插值。HFSS軟件在處理本文模型時選用高階多項式插值以保證精度。

（3）方程組的建立。對麥克斯韋方程利用變分方法建立誤差泛函，由于問題已經離散化為很多個子域的組合，因此，首先在每個單元內建立泛函對應的小的線性表達式；其次，將其填充到全域矩陣中的相應位置；最后應用邊界條件來得到矩陣方程的最終形式。

（4）方程組的求解。最終的方程組有確定型和本征值型兩種。確定型是從非齊次微分方程或非齊次邊界條件或從它們兩者兼有的問題中導出的。本征值型是從齊次微分方程和齊次邊界條件導出的[7]。

2.2 車門縫隙計算仿真模型

根據車門的簡化模型在HFSS軟件中建立相應的計算仿真模型，如圖3所示。據1.2所述，車門的尺寸參數如圖4所示。

激勵源選取強度為1 V/m的平面波，電場方向為z軸方向，垂直于車門平面由外向內入射，指向車廂腔體的幾何中心。頻率范圍設定為30～2 000 MHz。

上下鉸鏈同軸且初始跨距350 mm，上鉸鏈頂端相對于車門底端的高度的初始值為H=535 mm；門鎖環距車門底端360 mm，位于理想位置[8]，即鉸鏈軸線中心垂直面。

3 車門縫隙的仿真計算

某個屏蔽體的屏蔽效能定義為入射到屏蔽層的電（磁）場幅度與穿透屏蔽層傳輸的電（磁）場幅度之比，單位為dB，表達式如下。

式中：E1、H1分別為無屏蔽體時某一點的電場和磁場強度；E2、H2分別為安裝屏蔽體后同一點的電場和磁場強度。

不同位置處的屏蔽效能不同，本文中將按照屏蔽效能的定義分別計算腔體幾何中心處車門縫隙的電場和磁場屏蔽效能[9]。

3.1 鉸鏈及門鎖安裝位置對屏蔽效能的影響

車門設計中上、下鉸鏈軸應在同一條直線上，同時，上下鉸鏈的跨距與車門長度之比要大于1/3，且在結構允許的情況下跨距應盡可能大，而門鎖的理想位置應居于鉸鏈軸線中心垂直面[10-11]。

在我國，由于過去的車輛中電子器件的使用較少，電磁兼容的問題未凸顯，直到近十幾年才逐漸受到重視，而車門作為汽車誕生之時便存在的重要組件之一，在汽車工業發展的歷史長河中經過不斷改進，已經積累了相當的設計經驗，它的各項機械性能（如振動，開閉時的噪聲，開閉狀態下的受力）已得到了周全的考慮，因此不應該對車門進行結構上的大幅度改造。

當長縫隙被截斷成多段較短縫隙時，它的電磁性能會發生改變，而車門前端的一對鉸鏈以及車門后端的門鎖的存在對車門縫隙形成了截斷作用。為了盡量不影響車門本身的機械性能，綜合參考車門設計的相關文獻，仿真分析中，在保持了門鎖位置不變且始終居于鉸鏈軸線中心垂直面的情況下，逐漸加大鉸鏈跨距至上限位，此時上鉸鏈頂端距車門底端620 mm，分別仿真計算了30～2 000 MHz頻率范圍內鉸鏈位于各個位置時的電場與磁場的屏蔽效能。

上鉸鏈頂端距車門底部的距離初始值鉸鏈高度為540 mm，到達上限位時鉸鏈高度為620 mm，逐次增加10 mm進行仿真。相應地，下鉸鏈底端距車門底部的距離為770 mm鉸鏈高度。計算結果如圖5～8所示。

各曲線所對應的上鉸鏈頂端距車門底端的高度如圖9所示。

由圖5和圖6可知，在650 MHz以下，除了鉸鏈頂端距車門底端的高度為595 mm、605 mm、615 mm時在270 MHz處有明顯的驟降外，鉸鏈跨距的變化對屏蔽特性沒有顯著影響。這種驟降是由于正好處在箱體的諧振頻點上，導致從縫隙耦合進箱體的電磁波反而得到加強，造成實際屏蔽效能產生劇烈的變化，而且由于鉸鏈位置變化所導致的縫隙長度變化也會影響到縫隙的諧振頻點值。在650 MHz以上時，隨著頻率逐漸走高，鉸鏈跨距的變化對磁場屏蔽效能的影響漸趨明顯，并開始導致各個頻率上的屏蔽效能發生劇烈的波動。而且，可以看出，高頻段的屏蔽效能有明顯的降低趨勢。

由圖7和圖8可知，電場屏蔽效能的總體變化趨勢與磁場屏蔽效能類似，但是屏蔽效能的值卻要低得多，比磁場效能低約50 dB。所以在高頻段，電場屏蔽效能的值逐漸降至0 dB以下，表明此時車門由于縫隙的存在，已經不能對電場起到屏蔽作用，相反，還會由于反射等原因使腔體內部的場強變大。

3.2 實測數據對比驗證

參考GB 14023—2011布置試驗對某款乘用車進行輻射騷擾限制的測量，試驗布置如圖10所示，各試驗儀器的具體擺放位置與相應的接線方式詳見GB 14023—2011。

仿真分析中，輻射騷擾監測點的方向垂直于車門平面，實際測試時，天線方向與仿真分析中測點方向一致時的測量結果如圖11所示。可知，在干擾源輻射參數不變的情況下，隨著頻率的增加，所測得的輻射騷擾的值逐漸增大，根據前述屏蔽效能的概念，說明屏蔽效能逐漸降低。通過對采集數據的計算驗證，得出此趨勢與仿真分析的結果具有一致性，表明仿真分析的結果具備可靠性。

3.3 研究的應用性展望

車輛在投入市場之前需要在相關認證機構完成相關的檢測，電磁兼容檢測也是其中必須完成的部分，其檢測內容參考GB 14023—2011、GB—T18387等執行。以圖12為例，圖示內容為參考GB 14023—2011進行的平均值檢波器限值輻射測量，上端階梯型直線為標準所規定的限值，藍線為實際檢測中所測得的輻射量，若藍線在規定的頻率范圍內始終處于紅線以下則視為符合此標準的要求。若不達標，則要進行相應的整改，直到達標方可投入市場。

提取仿真試驗中的數據如圖13所示。

其中虛線為鉸鏈跨距為575 mm時的屏蔽效能曲線，實線為鉸鏈跨距為555 mm時的屏蔽效能曲線。由圖可知，在830～970 MHz范圍內，鉸鏈跨距增大20 mm可提高3～8 dB的屏蔽效能，而在630～700 MHz范圍內，相應的變化也會帶來最多5.5 dB屏蔽效能的降低。因此若在初次檢測中，此型車在高頻部分（820～960 MHz）的輻射量略高于或極接近標準限值（3 dB以內），而低頻部分（620～720 MHz）的表現良好的話，適當改變車門的鉸鏈跨距可以作為一種整改的參考方法。

4 結論

通過仿真計算結果的對比可知，車門鉸鏈跨距的變化在低頻段不會對車門縫隙的電磁屏蔽效能產生顯著的影響，而在高頻段則有較大影響。具體表現為相同頻率上的屏蔽效能出現很大的差異，在某些頻率點上可達30～40 dB。車門縫隙結構對電場的屏蔽能力很弱，甚至會因為反射的原因導致某些頻段內屏蔽性能出現負值。隨著頻率的增大，車門的電磁屏蔽效能整體呈下降趨勢。

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