氣壓阻效應(yīng)對尾門關(guān)閉性能影響的測試研究

李超帥，李偉，林森，于波，李瑞生

（華晨汽車工程研究院 閉合件工程室，遼寧 沈陽 110141）

氣壓阻效應(yīng)對尾門關(guān)閉性能影響的測試研究

李超帥，李偉，林森，于波，李瑞生

（華晨汽車工程研究院 閉合件工程室，遼寧 沈陽 110141）

從尾門系統(tǒng)關(guān)閉過程中的能量轉(zhuǎn)化為切入點進行研究，提出了一種尾門系統(tǒng)關(guān)閉過程氣壓阻效應(yīng)耗能計算測試方法。通過重力勢能等效替換氣壓阻效應(yīng)的理論分析，得出了尾門關(guān)閉全過程中固定泄漏面積與可變泄漏面積同時存在情況下的氣壓阻效應(yīng)消耗能，通過動能等效替換氣壓阻效應(yīng)的理論分析，得出了尾門關(guān)閉第二階段僅存在固定泄漏面積情況下的氣壓阻效應(yīng)消耗能，提供了一種測試簡便，應(yīng)用廣泛的氣壓阻效應(yīng)耗能測試方法。

氣壓阻效應(yīng)；尾門；關(guān)閉性能；測試方法

CLC NO.: U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-161-03

前言

汽車尾門系統(tǒng)關(guān)閉力過大是新車型開發(fā)過程中經(jīng)常遇到的問題，尾門關(guān)閉操作的舒適性直接影響顧客對車輛質(zhì)量好壞的感官判斷，因此，尾門系統(tǒng)關(guān)閉性能優(yōu)化是汽車開發(fā)過程中需要解決的重要問題。但是，尾門的可關(guān)閉性能是尾門系統(tǒng)多種因素共同作用的結(jié)果，涉及尾門密封條、尾門緩沖塊、尾門氣彈簧、尾門鎖以及乘客艙氣壓阻效應(yīng)等的共同作用，而關(guān)于氣壓阻效應(yīng)對尾門關(guān)閉性能的影響研究，目前主要停留在理論階段[1～2]。

在尾門關(guān)閉過程中，空氣被擠壓進乘客艙造成乘客艙內(nèi)氣壓升高，使得關(guān)門阻力增大，從而消耗關(guān)門能量，這就是氣壓阻效應(yīng)。相對于密封條、氣彈簧以及緩沖塊等零部件的能量消耗，氣壓阻效應(yīng)的耗能涉及因素復(fù)雜，與乘客艙容積大小、整車密封性能好壞、車輛排氣口布置位置、以及座椅布局導(dǎo)致的乘客艙氣流流向等因素均有關(guān)系。[3～4]因此，在新車型開發(fā)過程中，對氣壓阻效應(yīng)的研究主要停留在理論分析模擬階段，且模擬模型相對于實車的復(fù)雜工況簡化程度較大，

難以準確計算出氣壓阻效應(yīng)對尾門關(guān)閉能量的消耗值。

本文通過分析尾門關(guān)閉過程中能量的轉(zhuǎn)化過程，提出了一種通過可測試量求解不可測試量的氣壓阻效應(yīng)耗能計算方法，該試驗方法操作簡便，可廣泛應(yīng)用于各種車型。

1、尾門關(guān)閉過程的能量轉(zhuǎn)化分析

從顧客操作的角度出發(fā)，尾門關(guān)閉過程中，拉動尾門至尾門氣彈簧平衡點以下，自由釋放尾門，尾門由于自身重力的作用即可關(guān)閉至全鎖狀態(tài)，即尾門實現(xiàn)自動下落達到全鎖狀態(tài)，反饋給顧客關(guān)門輕盈的操作感受。

在尾門由平衡點釋放至完全關(guān)閉過程中，尾門重力勢能減小量需大于尾門密封條、尾門緩沖塊、尾門氣彈簧、尾門鎖以及乘客艙氣壓阻效應(yīng)等阻力所產(chǎn)生的能量消耗，尾門才可自動關(guān)閉至全鎖狀態(tài)，即此過程中的能量轉(zhuǎn)化須滿足：

式中△E為尾門由自由釋放位置至全鎖位置重力勢能減小量；W1為尾門關(guān)閉過程中密封條壓縮反力消耗能量；W2為尾門關(guān)閉過程中緩沖塊壓縮反力消耗能量；W3為尾門關(guān)閉過程中鎖體上鎖消耗能量；W4為尾門關(guān)閉過程中氣彈簧壓縮力消耗能量；W5為尾門關(guān)閉過程中氣壓阻效應(yīng)消耗能量。

氣壓阻效應(yīng)的作用效果與尾門關(guān)閉過程中乘客艙氣體泄漏面積直接相關(guān)，乘客艙的氣體泄漏面積可分為兩部分，一部分為固定泄漏面積，即整車所有門系統(tǒng)均處于關(guān)閉狀態(tài)下，由于乘客艙排氣口和密封泄漏導(dǎo)致的泄露面積；另一部分為可變泄露面積，即尾門關(guān)閉接觸密封條之前，由于尾門開度變化導(dǎo)致的尾門門洞開口泄漏面積。

因此，從尾門由平衡點釋放至完全關(guān)閉為止，尾門的氣壓阻效應(yīng)可相應(yīng)分為兩個作用階段，第一階段為尾門關(guān)閉過程接觸密封條之前，此階段氣體的泄漏面積包括固定泄漏面積與可變泄露面積兩部分；第二階段為尾門關(guān)閉過程接觸尾門密封條之后，此階段氣體的泄漏面積僅包括固定泄漏面積。

本文通過重力勢能等效替換氣壓阻效應(yīng)的測試方法，得到了尾門關(guān)閉全過程兩個階段的氣壓阻效應(yīng)消耗能之和；通過動能等效替換氣壓阻效應(yīng)的測試，得到了尾門關(guān)閉第二階段的氣壓組效應(yīng)消耗能，兩種測試方法的差值即為尾門關(guān)閉第一階段尾門接觸密封條之前固定泄漏面積與可變泄露面積同時存在時氣壓阻效應(yīng)消耗能。

2、重力勢能等效替換氣壓阻效應(yīng)的測試原理

2.1 重力勢能等效替換氣壓阻效應(yīng)的理論依據(jù)

在車輛完整裝配狀態(tài)下，開啟乘客艙四個側(cè)開門至最大開度，此狀態(tài)下乘客艙為完全敞開狀態(tài)，可認為尾門關(guān)閉全過程中乘客艙均無氣體壓縮過程，因此該狀態(tài)下的氣壓阻效應(yīng)對尾門關(guān)閉無能量消耗，記錄該狀態(tài)下自由釋放尾門可關(guān)閉至全鎖位置的最小尾門開度為開度1位置。

關(guān)閉所有乘客艙側(cè)開門至鎖緊位置，且車窗玻璃均上升至全閉狀態(tài)，此狀態(tài)下尾門關(guān)閉過程中乘客艙產(chǎn)生氣體壓縮，氣壓阻效應(yīng)對尾門關(guān)閉產(chǎn)生能量消耗達到最大，記錄該狀態(tài)下自由釋放尾門可關(guān)閉至全鎖位置的最小尾門開度為圖1所示開度2位置。（注：為實現(xiàn)以上兩種狀態(tài)情況下尾門均可自動關(guān)閉至全鎖位置，試驗過程可采用特制小力值氣彈簧，不影響測試結(jié)果準確性。）

圖1 重力勢能等效替換氣壓阻效應(yīng)測試原理

在上述兩個開度狀態(tài)下，尾門關(guān)閉過程中密封條壓縮反力消耗能量W1、緩沖塊壓縮反力消耗能量W2與鎖體上鎖消耗能量W3均相同，因此，此兩個不同開度狀態(tài)下重力勢能變化量的差值即為尾門氣彈簧消耗能量差值與氣壓阻效應(yīng)消耗能量差值之和，即：

式中m為尾門質(zhì)量，△h為開度1與開度2狀態(tài)下尾門重心高度變化量，△W4為開度1與開度2狀態(tài)下尾門氣彈簧消耗能量差值。

2.2 不同開度下氣彈簧消耗能量差值計算

圖2 氣彈簧壓縮力-行程曲線

如圖2所示，為尾門單側(cè)氣彈簧壓縮力-行程曲線，尾門關(guān)閉狀態(tài)下氣彈簧行程為0，對應(yīng)壓縮力為F0，開度1位置氣彈簧行程為11，對應(yīng)壓縮力為F1，開度2位置氣彈簧行程為12，對應(yīng)壓縮力為F2。則開度1與開度2狀態(tài)下兩側(cè)尾門氣彈簧消耗能量差值△W4為圖2中陰影區(qū)域梯形的面積的2倍，即：

2.3 尾門關(guān)閉全過程氣壓阻效應(yīng)耗能表達式

將公式（3）帶入公式（2）中，可得尾門關(guān)閉全過程中氣壓阻效應(yīng)消耗能量為：

3、動能等效替換氣壓阻效應(yīng)的測試原理

使用車門速度測試儀可對車輛進行尾門關(guān)閉速度的測量。測試設(shè)備安裝方法為：在被測試尾門的下沿中線位置安裝設(shè)備移動針，此針在尾門關(guān)閉過程中與尾門下沿中線位置以相同速度運動。把速度測試計安裝在后保險杠上，調(diào)整好兩者的相對位置，使得所測量速度為尾門恰好完全接觸尾門密封條時的切向速度，并通過數(shù)據(jù)線連接速度顯示器，顯示器可顯示移動針經(jīng)過測量位置時的速度。

圖3 動能等效替換氣壓阻效應(yīng)測試原理

如圖3所示，測試記錄尾門由開度1位置釋放經(jīng)過速度測試儀的速度V1，尾門由開度2位置釋放經(jīng)過速度測試儀的速度V2，兩個不同開度狀態(tài)下尾門經(jīng)過速度測試儀的動能之差即為尾門在關(guān)閉第二階段僅存在固定泄漏面積時乘客艙氣壓阻效應(yīng)的消耗能量，即：

式中L為速度測試位置距鉸鏈軸線距離，d為尾門重心距鉸鏈軸線距離。

公式（4）與公式（5）的差值即為尾門關(guān)閉第一階段尾門接觸密封條之前固定泄漏面積與可變泄露面積同時存在時氣壓阻效應(yīng)消耗能量：

4、某小型SUV尾門氣壓阻效應(yīng)能量消耗測試

針對某款小型SUV的尾門系統(tǒng)，采用上述測試方法進行數(shù)據(jù)測試后記錄如表1。

代入公式（4）可得尾門關(guān)閉全過程氣壓阻效應(yīng)的能量消耗為：

代入公式（5）可得尾門關(guān)閉第二階段氣壓阻效應(yīng)的能量消耗為：

代入公式（6）可得尾門關(guān)閉第一階段氣壓阻效應(yīng)的能量消耗為：

由此可知，該小型SUV的尾門關(guān)閉過程中第二階段氣壓阻效應(yīng)耗能占全過程氣壓阻效應(yīng)耗能的89%，氣壓阻效應(yīng)對尾門關(guān)閉的阻礙作用主要集中在尾門完全接觸密封條之后，即只存在固定泄漏面積時的壓縮過程。

表1 某小型SUV尾門系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

5、結(jié)論

本文通過能量轉(zhuǎn)化的理論分析，提出了等效替換的氣壓阻效應(yīng)測試研究方法，提供了一種通過可測試量求解不可測試量的氣壓阻效應(yīng)耗能計算方法。通過理論推導(dǎo)與實車測試，計算得出某小型SUV尾門關(guān)閉過程中兩個階段氣壓阻效應(yīng)的消耗能，該方法操作簡便，應(yīng)用廣泛，具有較強的實用價值。

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[2] 高云凱.車門密封條消耗能量計算[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010,38(7):1069～1073.

[3] 張孟俊.轎車側(cè)門系統(tǒng)關(guān)門能量研究與測試裝置開發(fā)[J].汽車技術(shù), 2014(11):11～15.

[4] 高云凱.基于Excel平臺的車門氣壓阻效應(yīng)計算軟件的開發(fā)研究[J].汽車技術(shù)，2009(9):6～9.

Study On The Effect Of Air Pressure Resistance On The Closing Performance Of Tail Gate

Li Chaoshuai, Li Wei, Lin Sen, Yu Bo, Li Ruisheng
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute Closure Section., Liaoning Shenyang 110141 )

From the point of view of the energy conversion in the closing process of the tail gate system, a new method for calculation the energy consumption of the air pressure resistance effect in the closing process of tail gate is proposed. Based on the theoretical analysis of the effect of the gravitation potential energy of the air pressure resistance effect, the effect of the air pressure resistance effect was obtained when the fixed leakage area and the variable leakage area exist in the whole process of the closing. Based on the theoretical analysis of the effect of the kinetic energy equivalent replacement of the air pressure resistance effect, the effect of the air pressure resistance effect was obtained when only the gate was closed in the second stage. A simple and convenient method for testing the energy consumption of air pressure resistance effect was provided.

Air pressure resistance effect; Tail gate; Closing performance; Test method

U461.9

A

1671-7988 (2017)10-161-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.056

李超帥，就職于華晨汽車工程研究院。