基于能量的車門關(guān)閉輕便性分析與研究

江松偉　莊成

摘 要：隨著汽車消費(fèi)的日益發(fā)展和成熟，消費(fèi)者對(duì)汽車的使用體驗(yàn)要求也不斷提升，其中車門關(guān)閉的輕便性也成為衡量汽車品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。本文基于能量對(duì)車門關(guān)閉性能進(jìn)行研究，建立車門關(guān)閉過(guò)程的計(jì)算模型，對(duì)車門關(guān)閉及影響因素進(jìn)行理論分析和對(duì)比測(cè)量試驗(yàn)，提供一種定量的評(píng)價(jià)方法。

關(guān)鍵詞：車門關(guān)閉輕便性 關(guān)門速度 關(guān)門能量 評(píng)價(jià)方法

Analysis and Research on the Portability of Car Door Closing Based on Energy

Jiang Songwei，Zhuang Cheng

Abstract：With the increasing development and maturity of automobile consumption， consumers' requirements for automobile experience have also been continuously improved. Among them， the portability of closing the door has become one of the important indicators for measuring automobile quality. This paper studies the closing performance of the door based on energy， establishes a calculation model of the door closing process， conducts theoretical analysis and comparative measurement tests on door closing and influencing factors， and provides a quantitative evaluation method.

Key words：door closing portability， door closing speed， door closing energy; evaluation method

汽車車門關(guān)閉過(guò)程中是否沉重，密封性能是否良好，關(guān)閉是否輕便、靈活都是用戶直接感受的項(xiàng)目，根據(jù)君迪公司的新車質(zhì)量調(diào)查顯示，顧客對(duì)車門關(guān)閉輕便性的抱怨次數(shù)呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì) 。本文通過(guò)確定影響車門關(guān)閉力的主要因素，基于能量的觀點(diǎn)，提出定量計(jì)算和測(cè)定建立車門關(guān)閉能量計(jì)算模型，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和質(zhì)量管理提供參考方法和數(shù)據(jù)。

1 車門關(guān)閉機(jī)理分析

1.1 車身結(jié)構(gòu)原理說(shuō)明

汽車的車門與車身的通過(guò)密封條進(jìn)行密封配合，起到防水防風(fēng)、隔音降噪的作用。在車門關(guān)閉狀態(tài)下，車內(nèi)空間近似為一個(gè)密閉空間。當(dāng)車門快速關(guān)閉時(shí)，其受力極其復(fù)雜，從密封條開(kāi)始接觸門框表面到車門完全關(guān)閉，車門密封膠條被壓縮直到車門鎖止，車門在極短的時(shí)間內(nèi)壓縮車內(nèi)密閉空間的空氣。從力學(xué)角度來(lái)看，限位器、車內(nèi)空氣、密封膠條及緩沖膠粒、車門鎖、車門鉸鏈、車門重心變化等等，在車門關(guān)閉過(guò)程中都會(huì)相互產(chǎn)生作用。

1.2 現(xiàn)有車門關(guān)閉性能評(píng)價(jià)方式

通常情況下，我們以車門關(guān)閉使用的力來(lái)衡量車門的關(guān)閉的輕便性。但從實(shí)際操作的方便性出發(fā)，常常使用車門關(guān)閉“最小速度”來(lái)評(píng)價(jià)車門關(guān)閉的輕便性。如圖1所示，將車輛置于水平狀態(tài)，所有車窗玻璃和行李廂（或后背門）完全關(guān)閉，測(cè)量車門上的A點(diǎn)通過(guò)B點(diǎn)時(shí)的最小速度（恰好是車門能鎖閉所需要最小速度），我們稱為車門關(guān)閉最小速度，用符號(hào)V表示。其中A點(diǎn)位置為車外門把手水平線上方60mm±10mm位置 ，B點(diǎn)位于為車門A點(diǎn)在打開(kāi)100±10mm時(shí)對(duì)應(yīng)的位置。一般情況下，當(dāng)車門最小關(guān)閉速度在1.0±0.2m/s是比較理想的，速度越小表示車門關(guān)閉的輕便性好。

使用車門關(guān)閉最小速度的評(píng)價(jià)方法存在兩個(gè)局限，一是對(duì)于不同級(jí)別車型不夠客觀且缺乏可比性，如車門關(guān)閉最小速度相同的兩個(gè)車型，質(zhì)量較大的車門相比質(zhì)量較小的車門，因?yàn)橐铀俚较嗤乃俣龋@然質(zhì)量更大的車門，需要施加更大的力而感受更難關(guān)閉。二是車門關(guān)閉最小速度不能直接分解到車門系統(tǒng)的各要素進(jìn)行控制，故對(duì)質(zhì)量改善和設(shè)計(jì)優(yōu)化較為困難。

從接近顧客感受和體驗(yàn)，可以使用車門關(guān)閉最小能量對(duì)車門關(guān)閉輕便性進(jìn)行評(píng)價(jià)：當(dāng)使用較小的力和較短的行程（做功較少）推動(dòng)車門，車門獲得較小動(dòng)能后能完全鎖止，顧客會(huì)有車門關(guān)閉輕快的體驗(yàn)。反之若須使用更大的力和較長(zhǎng)的行程（做功較大）推動(dòng)車門，車門獲得更高的動(dòng)能才能完全鎖止，顧客會(huì)有車門關(guān)閉困難的體驗(yàn)。

2 車門關(guān)閉能量分析

2.1 車門關(guān)閉能量及影響因素分析

車門關(guān)閉最小能量作是克服關(guān)門阻力所需的最小能量，能量的損耗是多種因素共同作用的結(jié)果。從力學(xué)角度來(lái)看，限位器阻力、車內(nèi)空氣阻力、密封條壓縮阻力、車門鎖機(jī)械阻力、車門鉸鏈摩擦阻力、車門質(zhì)心變化重力等，都會(huì)在車門關(guān)閉過(guò)程中都會(huì)對(duì)車門產(chǎn)生作用力。依據(jù)參考文獻(xiàn)[1]提供的數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法，進(jìn)行系統(tǒng)各因素能量測(cè)算。其中車門鉸鏈、鎖扣對(duì)車門關(guān)閉過(guò)程的影響較小，下面討論忽略。

2.2 限位器阻力

車門限位器是控制車門開(kāi)閉角度的裝置，通常有2～3個(gè)擋位使車門駐留在不同的角度，且需要施加一定的力才能脫出檔位，一旦跳出次擋位，車門就會(huì)在限位器儲(chǔ)備的能量的作用下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。限位器阻力主要是由力學(xué)特性所決定，并通過(guò)作用于車門上的扭矩對(duì)車門運(yùn)動(dòng)進(jìn)行影響，其扭矩大小與車門轉(zhuǎn)過(guò)角度曲線在產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙上獲得。限位器在車門關(guān)閉瞬間起到了推動(dòng)車門關(guān)閉的作用，減小了車門關(guān)閉力。通過(guò)給定的限位器扭矩曲線圖，進(jìn)行不定函數(shù)總積分值。

2.3 空氣壓縮阻力

根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)算方法，依據(jù)工程熱力學(xué)理想氣體狀態(tài)方程可得P0V0=PiVi，

式中P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pi為車門關(guān)閉時(shí)車內(nèi)密閉空間氣壓，V0為車門關(guān)閉前車內(nèi)空間氣體體積（密封膠條未壓縮空間），Vi為車門關(guān)閉時(shí)車內(nèi)空間氣體體積（密封膠條已壓縮）。

設(shè)車門迎風(fēng)面積為A0，密封條壓縮量為Si，則：Vi=V0-A0Si

密封條被壓縮Si深度后，駕駛室內(nèi)氣體壓力：

車門關(guān)閉過(guò)程中，當(dāng)密封條壓縮量為Si時(shí)，駕駛室容積空間變小而產(chǎn)生的阻力增量：

空氣壓縮阻力增量所做功：

Wa=Wai=0sFids =-P0V0ln（1-）- P0A0S

2.4 密封膠條變形阻力

把長(zhǎng)度為L(zhǎng)的密封條分割成n段，每段長(zhǎng)△L i則每段密封條在壓縮正面量Si下所產(chǎn)生的阻力Fi=km△LiSi

關(guān)閉車門時(shí)壓縮第i段密封條所消耗的能量Pi=0sFids =km△LiS2

式中：S為密封條名義壓縮量（m）。在密封條長(zhǎng)度L上，阻力所做的總功Pm可視為所有n段阻力功之和，當(dāng)△Li 足夠小時(shí)：Pm=

2.5 車門自身重力影響

根據(jù)車型的關(guān)閉性能要求，車門鏈軸線的方向通常設(shè)計(jì)為向車廂內(nèi)傾斜的，車門在關(guān)閉過(guò)程中，車門質(zhì)量的變化可以提供車門關(guān)閉的能量。根據(jù)能量守恒定律，通過(guò)車門質(zhì)量高度變化量和車門重力，計(jì)算在車門關(guān)閉過(guò)程中的能量變化。

2.6 數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果

通過(guò)上述數(shù)學(xué)模型計(jì)算某車型前門關(guān)閉能量消耗為5.58J，車門重力系統(tǒng)貢獻(xiàn)能量1.05J，故車門關(guān)閉所需最小能量為4.53J。其中關(guān)閉能量消耗中，車內(nèi)氣阻和限位器系統(tǒng)合計(jì)達(dá)占比達(dá)85.7%，是影響車門關(guān)閉性能的最主要因素。

（1）車門面積A0越大，關(guān)閉車門所需克服的阻力越大，車門關(guān)閉能量越大。

（2）駕駛室容積空間Vo越大，駕駛室內(nèi)空氣壓縮比例越小，關(guān)門關(guān)閉能量越小。

（3）車門密封條彈性系數(shù)km越大，關(guān)門關(guān)閉能量越大。

3 應(yīng)用關(guān)門能量設(shè)備分析運(yùn)用

3.1 車門關(guān)閉能量測(cè)定試驗(yàn)方案

根據(jù)前面分析和理論驗(yàn)算，我們已得出車門關(guān)閉的要素，并進(jìn)行模型建立和定量分析。接下來(lái)我們利用某品牌能量測(cè)量?jī)x并設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，對(duì)車門關(guān)閉過(guò)程能量各系統(tǒng)能量消耗進(jìn)行測(cè)定分析和驗(yàn)證。

通過(guò)對(duì)比總能量誤差為在10%以內(nèi)，說(shuō)明車門關(guān)閉能量/力分析工具有較好準(zhǔn)確性。限位器的誤差原因可能是由于實(shí)際裝配與設(shè)計(jì)位置的偏差造成。車內(nèi)氣壓阻力誤差可能一方面是建立系統(tǒng)模型時(shí)需要必要的簡(jiǎn)化。而密封膠條的誤差，可能由于車門與車身內(nèi)間隙及密封膠條彈性標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)績(jī)的偏差。另外引起注意的是，當(dāng)車門內(nèi)間隙局部超出設(shè)定公差導(dǎo)致膠條過(guò)度壓縮時(shí)，密封膠條的彈性系統(tǒng)不再適用，此時(shí)膠條系統(tǒng)的消耗能量會(huì)陡然增大，理論計(jì)算方法顯然則不適用。

4 基于能量評(píng)價(jià)模型建立和應(yīng)用

以車門關(guān)閉能量模型的理論計(jì)算和實(shí)績(jī)測(cè)定為基礎(chǔ)，進(jìn)一步探討和建立一套基于能量的評(píng)價(jià)方法和體制，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和品質(zhì)管理提供定量的基準(zhǔn)和具體解決方法。

4.1 關(guān)門能量評(píng)價(jià)——分析明確各影響要素的關(guān)門能量占比

（1）通過(guò)顧客體驗(yàn)評(píng)價(jià)，通過(guò)車門關(guān)閉輕便性主觀感受與能量的關(guān)聯(lián)對(duì)比試驗(yàn)和整理，參考文獻(xiàn)[2]提供的方法，形成車門關(guān)閉能量的管理標(biāo)準(zhǔn)，用于產(chǎn)品評(píng)價(jià)和質(zhì)量監(jiān)控，如表3。同時(shí)通過(guò)關(guān)門能量標(biāo)準(zhǔn)，明確系統(tǒng)各主要因素的能量和占比，通過(guò)各個(gè)系統(tǒng)部件規(guī)格設(shè)計(jì)，保證能量值管理相關(guān)要素，如因設(shè)計(jì)需要某個(gè)子系統(tǒng)的能量較高時(shí)，應(yīng)從總能量上進(jìn)行控制，降紙其它子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能量消耗，從而整體最優(yōu)保證。

（2）從前面分析得出，車內(nèi)氣阻和限位器對(duì)車門關(guān)閉輕便性有非常大的影響，且量產(chǎn)階段是難以通過(guò)規(guī)格設(shè)計(jì)變更來(lái)改善。故在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和選型階段，一定要進(jìn)行充分的檢證。如上面某車型總體能量適中，但其限位器消耗占總能量42.3%，故產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)不同結(jié)構(gòu)的限位器系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化車門關(guān)閉能量。而對(duì)于車內(nèi)氣阻壓力改善，如參考文獻(xiàn)[3]中的方法，可從減少密封膠條壓縮體積變化量和增大泄壓裝置的排氣面積進(jìn)行改善。

（3）量產(chǎn)品質(zhì)管理時(shí)，通過(guò)各系統(tǒng)消耗能量分解，構(gòu)建影響關(guān)門能量削離分析表，快速分析相關(guān)要素關(guān)門能量狀態(tài)，定期監(jiān)控每各系統(tǒng)的能量消耗/貢獻(xiàn)情況，發(fā)現(xiàn)明顯偏差時(shí)，以對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行專項(xiàng)調(diào)查對(duì)策，提升對(duì)應(yīng)的速度和準(zhǔn)確度。如限位器可通過(guò)直接的能量測(cè)量和單品荷重結(jié)果分析，從制造上降低限位器荷重及波動(dòng)量，改善車門關(guān)閉的效果。膠條壓縮所消耗異常偏大時(shí)，要分析車門配合內(nèi)間隙是否有超差，利用排除試驗(yàn)快速鎖定影響門難關(guān)原因并明確對(duì)策方向。

（4）通過(guò)車門關(guān)閉能量模型和評(píng)價(jià)基準(zhǔn)解析，利用關(guān)門能量?jī)x建立的日常監(jiān)控管理數(shù)據(jù)，通過(guò)關(guān)門能量對(duì)不良現(xiàn)象對(duì)比分析，可以快速解析和定位問(wèn)題影響原素并采取對(duì)策。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析和對(duì)比試驗(yàn)，基于能量的觀點(diǎn)對(duì)影響汽車車門關(guān)閉輕便性的關(guān)鍵因素進(jìn)行了較為全面的分析，并從顧客體驗(yàn)的角度提出基于能量的評(píng)價(jià)方法和基準(zhǔn)，建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)和量產(chǎn)品質(zhì)管理的分析方法和改善對(duì)策。由于該在關(guān)門能量方面的研究文獻(xiàn)較少，本文通過(guò)自主的摸索和研究，探討并通立能量設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)使用方法、關(guān)門能量削離分析，量產(chǎn)測(cè)量日常監(jiān)控和改善的方法等，通過(guò)對(duì)多款車型的數(shù)據(jù)研究已初步形成一套標(biāo)準(zhǔn)化的量產(chǎn)快速分析管理經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)較好的用戶體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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