重型卡車車門關閉阻力的分析和優化

張凱鵬，馬玉金

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

隨著重型商用車技術的發展，客戶對車輛高端化、精細化和舒適性要求越來越高，車門關閉品質作為影響乘員駕乘感受的一項主要性能指標，用戶對其關注度越來越高，要求車輛有厚重的關門聲、良好的密封性以及輕便、靈活的關閉性能，車門關閉阻力的優化也是重卡產品開發的難點之一，其優化方法的研究對車輛性能提升有重要意義。

1 車門關閉阻力產生機理和影響因素

重型商用車車門的關閉力可分為兩種：靜態和動態關閉力，靜態關閉力影響因素主要包括車門密封條反彈力和門鎖閉合力；動態關閉力影響因素，包括：空氣壓縮阻力、密封條反彈力、車門鉸鏈、限位器摩擦阻力、門鎖閉合力和車門后傾及內傾的重力分力，其中空氣阻力、密封條反彈力和門鎖閉合力是影響車門關閉阻力的主要因素。

針對某公司生產的重卡產品存在關門沉重、關閉力大問題，首先采用試驗方法對車門關閉阻力進行測試，識別各影響因素對車門關閉力的影響情況，汽車行業常采用加能炮對車門關閉時的能量損耗進行測量，某重卡車門各影響因素能耗結果見表1。

表1 各影響因素產生能耗占比

1.1 密封條反彈力

由于車門密封條一般采用具有彈性的塑料制品且斷面屬于空腔結構，車門密封條的反彈力主要是車門關閉過程中密封條壓縮對車門產生的反向作用力，影響密封條壓縮力主要包括：密封條的材料、密度、斷面以及車門與側圍密封間隙，車門密封條反彈力一般占到車門關閉阻力的40%-50%，可以通過密封條的壓縮負荷計算出來，但是需要有幾個假設條件（1）車門關閉時門框與密封條垂直壓縮；（2）密封條壓縮量不大于10mm，重卡一般為7-8mm；（3）密封條沿車門周邊受壓力是均勻的。

一般對于密封條的力學特性采用壓縮負荷或壓變力來表示，通常取100mm 密封條壓縮到一定壓縮量的力值；一般重卡車門采用兩道密封條，分別是門洞密封條和頭道密封條，且頭道密封條的斷面不止一種，故頭道密封條的反彈力需分段計算，密封條反彈力：

其中，P 代表不同密封條的壓縮負荷，L門、L頭1、L頭2、L接分別為門框條的長度、頭道1 斷面的長度、頭道2 斷面的長度、頭道接角的長度。上述計算方法為理論計算方法，但通常密封條反彈力多采用試驗方法測得，測量時應拆除門洞上的鎖扣，并進行多次測量取平均值，且門洞與側圍間隙尺寸偏差較小。

1.2 空氣阻力

車門在關閉過程中密封條與密封面接觸壓縮，當密封條壓縮至極限位置時，壓縮駕駛室內空氣，車廂內部空氣壓力增大，對車門產生反向力。針對空氣壓縮阻力可采用近似方法進行計算，但在計算之前必須假設駕駛室內部完全密封的空間。

壓縮時駕駛室內氣壓：

其中：V 為駕駛室內空氣容量，P 為標準大氣壓，S 為車門迎風面積，v 為車門中心瞬時速度。

車門所受空氣阻力：

從公式中可以看到，車門的迎風面積對車門關閉阻力影響較大，同時駕駛室內部空間越大，空氣壓縮阻力越小，在產品設計之初應考慮這些因素。

1.3 門鎖的閉合力

關門過程中門鎖舌與鎖扣嚙合產生阻力，正常狀態下門鎖鎖止有兩檔，門鎖的關閉力也多采用試驗的方法進行測量，測量時應拆除密封條，多次測量取平均值。

1.4 限位器過檔力

車門限位器的作用主要是為了限制車門開度且對車門開閉舒適性及安全性有重要作用，停泊在坡道且車門打開時，打開車門時，保證車門至少停留在某一檔位不關閉；同時在開關車門時具有良好的手感。

關閉車門時，限位器殼體在臂桿上運動，通過凹槽時會產生過檔力。通過實車調查分析，限位器過檔力對車門關閉力整體影響較小。

1.5 鉸鏈旋轉阻力

車門開啟和關閉時，以上下鉸鏈軸為中心軸線旋轉運動，需要克服鉸鏈軸與軸套間存在摩擦阻力。重型商用車設計扭矩為0.5Nm～3Nm，試驗測試發現鉸鏈旋轉阻力對車門關閉力整體影響較小。

1.6 其他影響因素

車門鉸鏈軸線的布置也會影響車門關閉阻力，鉸鏈軸線向內、向后傾斜會產生有利于車門關閉的力矩；另外車門系統各零部件精度和可靠性會影響產品一致性，導致車門關閉力和關閉品質不能達到設計預期的效果，在生產和工藝環節應加以控制。

2 優化措施

某商用車車門關閉力偏大，對客戶的體驗以及保持產品競爭力有影響，故根據識別的影響因素進行優化，主要從密封條、門鎖及排氣閥結構等進行優化，提升關閉聲品質同時降低關閉阻力。

2.1 密封條斷面優化

密封條反彈力主要是關門時密封條的壓縮變形和密封條內部的空氣壓縮引起的反作用力，可以通過優化密封條斷面結構和材料密度減小壓縮力，同時要保證車門的密封性，可采用CAE 分析方法對密封條壓變力進行分析，以達到優化壓縮力的目的。優化后前后門密封條斷面結構及CAE 分析結果如圖1 和圖2 所示。

圖1 優化前后車門密封條斷面結構

圖2 密封條壓變力CAE 分析對比

優化密封條斷面后，頭道和門洞密封條壓變力分別從原來的4.07 N/100mm、9.8N/100mm 分別下降至3.34N/100mm和8.03N/100mm，力值下降約22%。

2.2 排氣閥結構

通過在駕駛室后圍設計兩排氣單向閥結構，排氣閥尺寸120mm×60mm，以減小車門關閉時空氣壓縮阻力，如圖3所示。增加排氣閥后，駕駛室車門關閉力降低約13%。

圖3 排氣單向閥

2.3 門鎖結構優化

門鎖主要通過優化鎖體內部鎖舌控制彈簧尺寸和材料，降低鎖體與鎖扣半鎖和全鎖狀態下嚙合阻力，通過結構優化，在取消限位器和密封條情況下對門鎖嚙合阻力進行測試，全鎖狀態下阻力下降8N，同比降低45.7%，鎖體更改前后結構如圖4 所示。優化前后限位器三檔力值如表2 所示。

圖4 鎖體更改前后結構

2.4 限位器結構優化

圖5 限位器更改前后結構對比

為了降低限位器過檔力，對限位臂凹槽形狀及限位臂材料進行優化，限位臂和外包塑件采用分體式結構，在確保檔位清晰的同時降低過檔力，優化前后限位器結構如圖5 所示，限位器3 檔轉動力矩值見表2。

表2 限位器優化前后轉動力矩

2.5 其它改進措施

由于車門鉸鏈對車門關閉阻力影響較小，本文未介紹鉸鏈優化過程，另外由于車門旋轉軸線更改會影響車門整體布置及開閉過程中與周邊零部件間隙，故未對軸線布置進行優化，但在產品設計階段都應考慮這些因素；另外對于車門系統零部件及裝配精度的控制雖然不是優化車門關閉阻力的措施，但卻對車門關閉力和車門關閉的感官品質有很大影響。

3 結論

（1）重卡駕駛室設計時可以先通過數學模型對影響車門關閉阻力的密封條反彈力和空氣壓縮阻力進行估算，并進行優化；（2）密封條設計過程中可以通過CAE 分析對斷面進行優化，設計階段應充分應用計算手段達到最優化設計的目的；（3）另外若結構允許，車身應增加單項排氣閥以減小空氣壓縮阻力；（4）另外在車門系統布置時應充分考慮鉸鏈軸線布置角度，以改善車門關閉阻力。（5）產品開發階段還應充分考慮限位器的結構，不同類型的限位器和結構對車門關閉力會有一定影響。