汽車關門耳壓感分析

馬利宇 張小矛 鄔文睿 陳 明 徐 政 牛志鵬

(1.上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804；2. 上海市汽車動力總成重點實驗室，上海 201804)

0 前言

關門耳壓感是由車內瞬態壓力波動引起的。在車門關閉的過程中，由于大量氣體突然涌入乘員艙導致艙內氣壓突增，人耳鼓膜兩側的壓力差會使鼓膜變形，此時乘坐人員會感到“耳壓感”。關于流場內壓力變化對人耳舒適度的影響，根據參考文獻[1]中的評估方法可知，人耳舒適度與流場內人耳處的瞬態壓力峰值呈負相關。

目前，關于關門過程中的耳壓感的研究較少。2011年，Y L LEE和S H HWANG[2]使用Fluent軟件的動網格功能研究了乘員艙內壓力與關門角速度、車身氣體泄漏量的關系，結果表明，壓力峰值與關門角速度線性相關，并且可以通過降低關門角速度和增加車身氣體泄漏量的方法來降低乘員艙內壓力。SHENG L 、CUNFU C 、 XINGJUN H 等[3]研究了某商用車關門過程中的艙內壓力，發現關門速度與等效泄壓孔對艙內壓力影響較大，門的初始開啟角度對艙內壓力基本無影響。

在上訴仿真研究中，未在計算中引入泄壓閥模型，與真實車況有所差別，無法在設計早期評估泄壓閥泄壓能力。本文以某SUV為研究對象，在計算中引入泄壓閥模型，基于STAR-CCM+軟件中的morpher功能，研究了關門角速度、泄壓閥大小、同側玻璃下降，以及車門面積與乘員艙體積比值對艙內流場瞬態壓力的影響。

1 模型建立及數值仿真

關門耳壓感評估目前主要依賴試驗測試，并在實車上進行評估。隨著計算流體力學(CFD)的發展，數值仿真逐漸被應用到早期設計中。在車身設計初期，通過對關門過程進行評估，進行快速優化，可加快開發進度。

1.1 數值的計算方法

圖1 關門耳壓仿真模型

關門耳壓仿真采用某SUV為研究模型，如圖1所示。試驗中，假定車輛位于空曠路面，為節省計算時間同時保證計算精度，設定計算域為一個長6 m、寬4 m、高2 m的矩形。乘員艙內部模型中包括了擋風玻璃、方向盤、座椅等詳細特征。在保證計算結果的前提下，對局部細小特征進行簡化處理。模型采用多面體網格，最小面網格尺寸為4 mm，網格總數約為100萬個。乘員艙內部體積為3.74 m3，左前門面積為0.85 m2。文獻[3]中顯示門初始開啟角度對結果影響很小，本文統一設定為40°。

將計算域外表面設定為壓力出口，汽車內外表面以及地面設為壁面邊界，為模擬泄壓閥的泄壓作用，將泄壓閥安裝孔定義為質量流量邊界條件，數值的大小使用自定義函數，計算中通過監測泄壓閥區域的壓力，可以通過模擬泄壓閥的空氣流量而獲得，本文泄壓閥輸入特性如圖2所示。

圖2 泄壓閥輸入特性

由于門的運動，門區域的網格會出現變形，為保證計算收斂，計算采用STAR-CCM+軟件中的morpher[4]功能結合網格重構，保證網格質量。當門完全關閉時，門與門框之間的間隙為0°，數值上無法實現，故設定門與門框間隙為0.5°時，將間隙邊界條件改為壁面，保證無氣體從門框泄漏。

計算采用K-Omega湍流模型，在門關閉過程中，大量氣體短時間內被壓進乘員艙，故氣體采用可壓縮理想氣體假設。

2 試驗驗證

圖3 試驗設備示意圖

為驗證本文計算方法的合理性，并量化壓力值的仿真結果，對關門過程中內流場壓力值進行了測試，試驗設備如圖3所示，在左前門鎖體正對著的車門外板上安裝速度傳感器，后排座椅位置放置壓力傳感器，可以測得不同關門速度下測點壓力的變化。

表1為關門角速度為1.2 rad/s時，仿真與試驗結果壓力峰值對比，仿真結果與試驗結果相吻合，誤差為7%，精度處于可接受范圍以內，滿足工程需求。

表1 測點壓力峰值對比

圖4為仿真與試驗測點瞬態壓力對比，可以看出兩者趨勢與走向一致，故可用本計算模型進行仿真分析。

圖4 仿真與試驗測點瞬態壓力的對比

3 計算結果與分析

3.1 不同關門角速度的影響

研究了壓力隨時間變化與關門角速度的關系，圖5分別為關門角速度為1.2 rad/s、1.5 rad/s和3 rad/s時，測點的瞬態壓力變化曲線。當關門角速度為1.2 rad/s時，壓力峰值為108 Pa，當關門角速度上升為3 rad/s時，壓力峰值快速增長至194 Pa，結果增加近80%。主要原因是隨著關門角速度的增加，更多的氣體被“推入”乘員艙，導致艙內氣體質量增多。

圖6示出了壓力峰值與關門角速度的關系。隨著關門角速度的增大，峰值壓力接近線性增加。對于汽車的生產設計而言，可以通過增加控制裝置來限制關門角速度，從而獲得較好的乘坐體驗。

圖5 不同關門角速度測點瞬態壓力對比

圖6 不同關門角速度測點壓力峰值

3.2 不同泄壓閥大小的影響

研究了不同泄壓閥大小對瞬態壓力變化的影響，泄壓閥的大小決定了同樣壓力下通過泄壓閥的氣體流量，不同泄壓閥對比見圖7。同樣壓力下，通過泄壓閥B的氣體流量為泄壓閥A的2倍。圖8為關門角速度為1.5 rad/s時，安裝不同泄壓閥后測點的壓力變化，結果顯示，將泄壓閥增大后，測點壓力峰值由138 Pa降低至124 Pa，下降10%，而且壓力恢復到0的時間變短。主要原因是泄壓閥增大后，關門過程中通過泄壓閥流出乘員艙的氣體流量增加，減小了乘員艙內氣體總質量。

圖7 不同泄壓閥輸入特性對比

圖8 安裝不同泄壓閥測點瞬態壓力對比

3.3 同側玻璃下降的影響

在關門過程中，壓力峰值大小與整車是否可以合理泄壓存在一定關系，如果將玻璃在關門過程中下降一段距離，等于增加了氣體泄漏路徑。

研究了同側玻璃下降對關門過程中內流場壓力的影響，如圖9所示，同側玻璃下降30 mm，壓力峰值由138 Pa降低至52 Pa，下降約62%。

圖9 玻璃下降對測點瞬態壓力影響

但玻璃下降方案會導致關門聲品質下降，故是否選用，需進一步評估。

3.4 車門面積與乘員艙體積比值的影響

為評估車門面積與乘員艙體積比值對壓力變化的影響，選取某2座小車仿真結果作為對比。表2為計算模型參數，該2座小車是典型的“小車大門”結構，其車門面積與乘員艙體積比值為0.47，約為某SUV的2倍。

表2 計算模型參數

圖10為兩輛車仿真結果的對比，在關門速度一致的前提下，該兩座小車測點壓力峰值為322 Pa，約為SUV的2.3倍。

車門面積與乘員艙體積比值大的車更容易存在耳壓感風險，主要原因是在門關閉過程中，一方面車門面積大導致更多的氣體被“推入”乘員艙，因此艙內氣體質量增加，另一方面乘員艙體積較小導致氣體受壓縮程度更大。

4 結論

采用三維CFD方法計算了關門過程中乘員艙瞬態壓力的變化，結論如下：

(1)關門角速度強烈影響著壓力峰值的大小，且隨著關門角速度的增大，峰值壓力近乎呈線性增加。因此，降低關門角速度是降低壓力峰值，從而降低關門耳壓感的有效手段。

(2)泄壓閥泄壓能力增加一倍時，測點壓力峰值下降10%，因此，合理選擇泄壓閥大小可以降低耳壓感。

(3)玻璃下降方案可有效降低壓力峰值大小，但會導致關門聲品質下降。

(4)車門面積與乘員艙體積比值大的車更容易有耳壓感風險。

綜上所述，車門面積、乘員艙體積的大小和關門速度決定了關門過程中艙內流場壓力峰值，進一步決定了是否存在耳壓感，而采用大泄壓閥和玻璃下降的手段本質上都是增大了氣體泄漏的途徑，建議在整車設計中，根據車門面積與乘員艙體積比值和關門速度對應選擇大小合適的泄壓閥，以及判斷是否需要采用玻璃下降這種方法進行泄壓。