基于氣壓阻力的車門關閉能量試驗分析

孟小文安月影杜矯龍張亦弛葉濱

（1.上汽大眾汽車有限公司；2.上海交通大學）

汽車車門關閉能量問題是一個系統性問題，最直接的影響是客戶關門的直觀感受，是整車舒適性評價要求之一。為了確保產品質量，提高客戶滿意度，減少市場抱怨，關閉能量問題成為各主機廠需重點解決的問題。車門在關閉過程中，影響關閉能量的因素很多，常見的影響因素包括鉸鏈、密封條、鎖機構、車門的質心/質量及關閉過程的氣壓阻力等，其中氣壓阻力與密封條的影響最大。而對氣壓阻力產生影響的有車門面積、車內體積及排風口的位置/大小等。文章以汽車后門為例，進行了氣壓阻力對車門關閉能量影響的試驗分析，確認了氣壓阻力是影響車門關閉能量的主要因素。

1 氣壓阻力模型的建立

汽車車門在關閉的過程中，所出現的氣壓阻力影響是指在給予汽車車門一定的初速度前提下，汽車車門關閉瞬間，由車門運動區域掃到的空氣在瞬間壓入車廂，在這過程中車廂內的氣體有小部分從泄壓孔等車廂縫隙中逸出，但是在關閉時壓入的氣體量遠遠大于由泄壓孔等車廂縫隙排出的氣體量，造成車廂內氣壓瞬時增大而引起的阻力，從而造成關閉車門時關閉能量增多。氣壓阻力產生的能耗占關門總能量比重比較大，它與多個因素有關，主要包括關門速度、泄壓孔位置與數量、車廂的密封性能、周圍環境狀況及車內設計布置等。因此從理論上分析，要準確計算由氣壓阻力引起的具體能量消耗是十分復雜的，很難精確計算。

1.1 氣壓阻力理論計算模型

在關閉過程中，由于車門具有一定的面積，從而使大量空氣被擠壓進入車廂內，造成車廂內空氣壓縮，氣壓升高，這個過程造成的氣壓變化使得關門阻力增加，從而需要更多的能量克服氣壓阻力做功，即消耗的關閉能量增大[1]。氣壓阻力與關門速度、泄氣口的大小與位置及空間布局等各種因素有關，此時氣壓阻力產生的能量，被簡化為一個理想的動態平衡氣體模型來進行估算。車門在關閉過程中引起的氣壓阻力的計算[2]，如式（1）所示。

式中：F——氣壓阻力，N；

P0——初始狀態車門關閉前車廂內的氣壓，為標準大氣壓，Pa；

Pn——車門關閉瞬間車廂內氣壓，Pa；

A0——車門面積，m2。

克服阻力消耗瞬間能量的計算，如式（2）所示。

式中：ds——阻力產生的瞬間位移，m。

車門關閉總能量的計算，如式（3）所示。

式中：ΔW——車門關閉的瞬間能量，J；

W氣壓——車門關閉的總能量，J。

由于在實際關門過程中多采用速度進行評價，故可以將理論模型轉化為實際速度數據處理模型計算。

1.2 氣壓阻力試驗計算模型的建立

有氣壓阻力試驗，是指除去該試驗研究的車門外，其余3個車門和玻璃全部關閉，即是有氣壓阻力的情況；反之，則為無氣壓阻力試驗。試驗開始時先用手關閉車門，然后將手離開車門，車門擁有最大動能時的能量即為初態能量，初態能量的計算，如式（4）所示。

式中：E1——車門初態動能，J；

J——根據車門質量及質心位置計算得到的車門轉動慣量，kg·m2；

ω1——車門初始角速度，rad/s。

該角速度可以通過測試得到，即為傳感器所采集數據中的最大角速度值。

有氣壓阻力車門末態能量是指車內壓強達到最大，也就是車門剛好接觸密封條時車門具有的能量，末態能量的計算，如式（5）所示。

式中：E2——車門末態動能，J；

ω2——車門接觸密封條時的角速度，rad/s。

將同一次試驗的車門角速度曲線與車內氣壓變化曲線繪制在同一張圖內，氣壓達到最大時所對應的角速度即為ω2。因此，有氣壓阻力的車門關閉能量的計算，如式（6）所示。

式中：ΔEK1——有氣壓阻力的車門關閉損耗的能量，J。

無氣壓阻力車門關門損耗的能量計算過程與有氣壓阻力關門損耗的能量相同，但此時4門處于打開狀態，計算得到無氣壓阻力車門關閉損耗的能量（ΔEK2/J）；ΔEK1與ΔEK2的差值即為關門過程中純氣壓阻力消耗能量，如式（7）所示。

式中：ΔE——純氣壓阻力消耗的車門關閉能量，J。

汽車關門過程中氣壓阻力耗能占比的計算，如式（8）所示。

式中：α——氣壓阻力耗能占總關閉能量的百分比，%。

2 試驗分析

2.1 試驗方案設計

試驗時將角速度傳感器與壓力傳感器貼在汽車車門靠近把手區域的門內飾上，如圖1所示。給予車門一個初速度，使車門關閉，并同時使用角速度傳感器與壓力傳感器收集數據，傳輸到計算機中，并對數據進行MATLAB處理，得到車門關閉過程中的速度變化曲線與該點對應的壓強變化情況。根據理論公式計算，即可得到氣壓阻力所產生的耗能及其占車門關閉總耗能的比例。

圖1 試驗方案示意圖

2.2 關門過程中氣壓阻力耗能試驗數據分析

文章涉及的試驗是將某車型后門作為控制量，關門速度作為試驗變量，研究該車型氣壓阻力消耗能量的影響。主要分為有氣壓阻力和無氣壓阻力2種條件下的試驗。試驗需要測量的變量包括不同試驗條件下車門關閉過程中的角速度變化及車廂內氣壓的變化。試驗過程中得到的角速度變化曲線將用于氣壓阻力在關門過程中消耗能量試驗的計算。試驗過程中將傳感器采集到的數據導入MATLAB軟件中進行處理，得到各次試驗的角速度曲線和氣壓變化曲線。圖2示出某車型有無氣壓阻力的條件下車門角速度變化曲線。

圖2 某車型有無氣壓阻力條件下車門角速度曲線圖

從圖2 a中可以看出，階段1為測試人員推動車門的過程，在這個過程中，車門角速度由于人做功而不斷增大；階段2為車門依次經歷兩擋限位器的過程，在經過每一擋限位器之前和之后，車門會分別失去和獲得1次能量，因此角速度就呈現為鋸齒狀；階段3為本次試驗重點研究的氣壓阻力影響過程，該過程中由于車門關閉時將部分外部氣體擠壓進車內導致車廂內部壓強在短時間內快速上升，氣壓的上升對車門產生較大的推力，阻礙車門的關閉，這就是關門過程氣壓阻力消耗能量的實質，車門角速度也因此快速下降；階段4為車門接觸密封條之后的角速度振蕩過程，由于該過程中車內空氣通過泄氣孔快速排出，車內氣壓也同時快速下降至與外部平衡狀態，因此，此時氣壓阻力對能量的消耗較小，主要影響因素是密封條和門鎖。經過數據采集分析可以看到，關門過程中各階段角速度的變化趨勢與試驗實際情況一致。

對比圖2 a中的階段3與圖2 b中的階段1可以看到，在車門接觸到密封條之前，有氣壓阻力試驗條件下的關門角速度曲線與無氣壓阻力試驗條件下的關門角速度曲線相比，有一段明顯的下降過程，這就是有氣壓阻力關門試驗和無氣壓阻力關門試驗的差異，真實地反映出氣壓阻力在關門過程中的影響，即氣壓阻力會在車門完全關閉之前的時間段內導致其角速度快速下降。布置在車內頂部的氣壓傳感器獲得的數據也監測到車廂內氣壓的變化情況，圖3示出有無氣壓阻力條件下的車內氣壓變化曲線。

圖3 某車型有無氣壓阻力條件下車內壓強變化曲線圖

對比圖3a和圖3b可以看出，在有氣壓阻力的關門試驗中，車內氣壓在車門接觸密封條之前短時間內有一個快速地提升階段，上升幅度可以達到180 Pa，而無氣壓阻力情況下車內氣壓則沒有十分明顯變化，只有車門擾動產生的一點影響。

再將有氣壓阻力關門試驗中同一次試驗的角速度曲線與氣壓變化曲線繪制在同一張圖中進行對比，如圖4所示。

圖4 有氣壓阻條件下車門角速度與車內壓強變化曲線圖

從圖4可以看出，在大約1.8 s后車內氣壓曲線開始上升，與此同時角速度曲線開始下降，在2 s時，車內氣壓達到最高，角速度降到最低。兩者的變化趨勢是相符合的。

2.3 試驗結果

表1示出某試驗車型在恰好能將車門關閉的速度狀態下，根據5組試驗數據計算得到的關門過程中氣壓阻力消耗能量的數值及占總消耗能量的百分比。

表1 某車型低速關門過程氣壓阻力耗能情況分析表

從表1可以看到，該車型在5次關門試驗中，氣壓阻力消耗能量的平均值為0.472 J[3]，且各次試驗結果均接近平均值，標準差為0.053，試驗結果比較穩定，計算的能耗占比平均值為27.6%。

3 結論

文章通過試驗的方法，使用壓力傳感器和速度傳感器采集試驗過程中的數據并分析，并通過公式進行計算，獲得了在車門剛好關閉試驗條件下，關門過程氣壓阻力消耗的平均能量為0.472 J，能量消耗占比約27.6%。同時通過MATLAB進行數據處理，得出了關門過程中車門角速度和氣壓相對應的變化曲線關系，并在進行關門氣壓阻力耗能的實車試驗時，除監測車門關閉過程中角速度變化過程，還利用氣壓傳感器監測車門內的壓強變化曲線，驗證了氣壓阻力的存在。該試驗分析結果，對未來汽車設計開發具有一定的參考價值。