汽車關門壓耳感影響因素研究及優化

耿聰聰，康 明，許增滿，蔣維琦，蘇麗俐

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300162；2.北京汽車股份有限公司 汽車研究院，北京 101300）

1 研究現狀

隨著傳統燃油車發展遇到瓶頸問題，電動汽車逐漸開始取代部分燃油車市場。目前，各大汽車公司基本全部具備電動車研發和生產資質。由于電動車沒有傳統發動機，路噪和風噪必然成為最重要的噪聲源。為了更好地抑制風噪，首先需要有好的氣密性作為保障，而提升整車氣密性必然會引起明顯的關門壓耳感問題。鑒于此，純電動汽車關門壓耳感問題已成為亟待解決的振動、噪聲及聲振品質（noise vibration harshness，NVH）熱點問題。當前，國內外在汽車開關門領域的NVH研究主要集中在聲品質方面，只有少部分研究者對壓耳感問題做了仿真研究，整車試驗方面研究相對較少。Hamilton［1］分別研究了關門噪聲品質的幅度、持續時間和頻率成分等因素，獲得了令人主觀感受最舒適的關門聲參考值。Petniunas等［2］通過分析關門聲的響度和尖銳度，設計出了更加合理的車門結構。李淑英等［3］通過對限位器拉桿進行線性化處理，采用降低限位器滑塊內彈簧剛度的方法降低關門力度。該方案成功減小了關門力，降低了關門響度，改善了該車型關門聲品質。高云凱等［4］提出一種適用于瞬態問題的時頻偏相干算法，該算法對某車型關門振動噪聲的振源進行識別，分別從時域和頻域的角度分析車門系統各部件對關門振動噪聲的貢獻。周加福［5］為便于計算汽車關門力中空氣阻力，提出一種數值模擬和計算模型。高云凱等［6］推導和應用氣壓阻效應簡化數學模型解決了汽車關門時氣壓阻效應難以定量計算的問題，并取得了較高的精度，為相關研究提供了理論依據。Lee等［7］運用動網格仿真的方法對關門過程進行了研究，發現車門關閉角速度對車內耳壓影響較大。朱建華等［8］針對車門開關門感知質量問題，通過顧客感知質量調研、參考車對比分析和廠內車對比分析，確認了問題的存在并制定了合理的優化改進目標。綜合比較各優化方案的質量、成本、時間、風險等因素，通過普氏分析，得到了最優解決方案。劉海琳［9］詳細分析了車門關閉過程中空氣壓阻的形成原理及影響因素，并結合實際問題的解決，提出實用有效的減少空氣壓阻的改進方法。Shin等［10］利用伽瑪通濾波器對信號作前處理提取關門聲的量化信息，通過生理聲學和統計信號處理的方法實現了對客車關門聲品質的評價。張瑞［11］通過仿真的方法對泄壓孔位置對關門耳壓的影響進行研究，發現泄壓孔的位置越集中越有利于降低壓力峰值。于劍澤等［12］首次使用實際的車型及實測的車門關閉速度進行仿真分析，同時考慮車門與側圍的完全密封，為后續研究提供思路。周宗成等［13］通過對影響車門關閉力的因素的分析和研究，提出了基于氣壓阻力控制的改善車門關閉力過大的改善策略，并通過實車測試驗證了改善策略的可行性。傅強［14］研究了車門質量、鉸鏈、限位器、門鎖、密封條和氣壓阻子系統對關門能量的影響。Li等［15］使用實驗所測的最小關門速度作為輸入條件，以SST k-ω湍流模型和理想氣體作為物理模型，首次實現了實驗與仿真的結合，且誤差小于工程上要求的15%。尹培苗等［16］研究了影響車門關門力的主要因素、機理、降低車門關門力的設計要點、制造過程中的影響因素及裝配過程中的影響因素，提出了汽車設計過程中降低車門關門力的思路。劉堃等［17］規范了車門關閉力評價方法，并通過能量法解決了車門關閉力過大問題。相龍洋等［18］發現關門時采用降低車窗的方案可以明顯降低最小關門速度和車內耳壓，解決了關門壓耳感明顯的問題。朱建華等［19］通過試驗測量的方法和測量系統分析得到了準確有效的試驗數據，通過數據擬合分析得出了整車氣體泄漏量與關門力之間的定量關系，為改善關門力提供了參考。周雙［20］利用虛擬樣機技術在車門前期設計研發階段建立多體動力學模型以分析車門關閉過程中的動力學特性，研究了影響旋轉式車門關閉性能的主要因素，包括鉸鏈、限位器、密封條、門鎖、車門特性（鉸鏈傾角、車門重力）對關門能量的影響及質心位置對旋轉門最小關閉速度的影響規律，為旋轉式車門的關閉性能研究提供理論與實際指導。蘇麗俐博士團隊通過汽車內流場仿真的方法對車內耳壓模擬仿真，發現仿真結果與實際測試結果誤差在15%以內，可用于汽車前期設計驗證階段。以上研究大多基于仿真分析，對整車狀態下關門壓耳感問題影響因素分析不夠透徹，且仿真得出的解決方案并不能有效解決所有車輛關門壓耳問題。

基于此，本文中通過對存在明顯關門壓耳感的某電動車型進行全面評價和分析，并通過仿真和試驗的雙重驗證手段明確關門壓耳感的影響因素，提出具體優化方向，為新車型開發提供參考。

2 關門壓耳感影響因素理論分析

車門關閉過程中，空氣被擠壓進車廂而造成車廂內氣壓瞬間升高，人體耳膜內外氣壓差也瞬間增大，這種壓差會通過神經系統傳遞至大腦，使人感受到壓耳感。關門耳壓的直接研究對象是控制體積內的氣體，控制體積包括兩部分：一部分是固定體積，主要指乘客艙內體積；另一部分是變化體積，主要指車門關閉過程中掃過的體積。

建立1個艙體模擬封閉乘客艙［21］，如圖1所示。研究對象為控制體積（Vin+V2）內的氣體，Vin為艙內固定體積，V2為車門關閉時通過的體積，V2=LR2θ／2，隨關門角度變化，用A1模擬艙內的固定泄漏面積，包括泄壓口、焊縫、車窗等。用模擬車門關閉過程中通過的面積A2=R（R+L）θ，隨關門角變化，R為車門寬度；L為車門高度；θ為關門角。

圖1 乘客艙簡化模型示意圖

關門過程中，空氣被車門壓進艙內，根據空氣質量守恒定理，建立如下微分方程：

式中：ρ為空氣密度；V為流出的空氣體積；ve為空氣泄漏速度；Ae為泄漏面積，Ae=A1+A2，整理方程（1）得：

根據氣體等熵變化過程可知：

式中：c為等熵指數，空氣的等熵指數c=7／5；Pa為大氣壓強，Pa=101 300 Pa；ρa為大氣密度，ρa=1.225 kg/m3。

對式（3）兩邊求微分，得：

將式（2）代入式（4）中，整理得到：

式（5）表示車門關閉過程中艙內壓強變化率，可以明確解釋車門關閉過程中，整個乘客艙內氣體壓強變化的物理過程。d P1表示車門關閉過程中乘客艙泄漏的單位體積；d P2表示車門關閉過程中被壓進乘客艙內的體積。由于車門關閉過程中控制體積逐漸變小，所以體積變化率為負值。

根據理想氣體伯努利方程，得到氣體泄漏速度表達式為

將式（6）代入式（5）中，整理后得到：

在實際工程研究中，關門角速度變化對應的是氣壓波動變化，故將體積變化率轉化為角速度變化率：

當車門關閉時，乘客艙內系統會打破原有氣壓平衡狀態，但在經過弛豫時間τ之后，乘客艙內氣體可以達到新的平衡狀態。弛豫時間與聲速成反比，與乘客艙長成正比，故數量級為：

因此，在計算中取時間步長為10-3s，認為整個乘客艙內各個位置壓強相同。關門過程中，當θ≥14.44°時，P=Pa，那么在關門過程中任意時刻艙內壓強為：

3 關門壓耳感基本影響因素試驗分析

3.1 關閉不同車門對關門壓耳感影響分析

由表1可知，同一測點下，關閉前門比關閉后門時車內關門壓耳感明顯，關閉同一位置的左右兩側車門時，關門耳壓無明顯差異。鑒于此，解決車輛關門壓耳感問題，一般關注關閉前門對車內氣壓波動影響。

3.2 車內載客情況對關門壓耳感影響分析

由表2可知，車內不同載客數量對關門壓耳感略有影響，但主觀感受差異不大，因此，解決車輛關門壓耳感問題時，只要保證前后狀態一致，無需考慮車內載客數量對車內耳壓的影響。

表1 關閉不同位置車門時車內耳壓 Pa

表2 不同載客數量車內關門耳壓 Pa

4 關門壓耳感影響主要因素試驗分析

本文中所研究的關門聲品質問題針對當車門以1.2 m/s的速度關閉時，車內壓耳感明顯的問題，特別是右后乘員位置處。

對車關門壓耳感問題相關影響因素進行全面試驗分析，主要試驗采集分析設備包括關門耳壓測試人工頭、關門速度儀等，將關門耳壓測試人工頭布置于右后乘員座椅，在門鎖處布置關門速度儀，關門耳壓測試人工頭布置如圖2所示。

圖2 關門耳壓測試人工頭布置圖

對測試結果進行時頻分析后，發現關門耳壓能量主要集中在50Hz以下，該頻率段恰好是人體敏感頻率段，分析結果如圖3所示。關門耳壓波動曲線如圖4所示。

圖3 關門耳壓圖

圖4 關門耳壓波動曲線

4.1 空調系統對關門壓耳感影響分析

4.1.1 空調循環模式對關門壓耳感影響分析

通過測試對比空調吹面內外循環兩種模式關門耳壓發現：空調處于內循環模式時，關門壓耳感比外循環明顯；在封堵泄壓閥的前提下，內循環關門耳壓遠大于外循環，說明空調循環模式對關門壓耳感有較大影響。換言之，空調系統氣流管道是關門時車內氣體排出的主要途徑之一，測試結果如表3所示。

表3 空調內外循環模式關門耳壓和整車氣密性

4.1.2 空調鼓風機送風量對關門壓耳感影響分析

通過對空調吹面模式外循環模式下鼓風機不同擋位關門耳壓的測試可知，隨著鼓風機送風量的增加，關門耳壓明顯增大，主觀感受壓耳感較大，測試結果如圖5所示。

圖5 鼓風機不同送風量關門耳壓測試結果

4.2 關門速度對關門壓耳感影響分析

試驗車在車窗關閉的正常狀態下的最小關門速度為0.92 m/s，雖然滿足前期開發對關門速度的目標要求（0.7～1.2 m/s），但在車窗關閉狀態下，不同關門速度對關門耳壓有一定影響。從測試結果可以看出，關門耳壓峰值與關門速度成正比，關門速度越大，關門耳壓峰值越大。因此，在車輛開發過程中，為降低關門速度對關門耳壓的影響，要盡可能保證以較小的關門速度完成車門完全關閉，測試結果如圖6所示。

圖6 關門速度與關門耳壓峰值的對應關系

4.3 整車氣密性對關門壓耳感影響分析

一般情況下，車輛關門時被車門擠壓進去的氣體大部分通過泄壓閥和空調進風口排出，也有一小部分通過車輛一些密封不嚴的孔縫排出，這就是氣密性對關門壓耳感的影響問題。可以通過封堵整車泄露點驗證氣密性對關門耳壓的影響，測試結果如表4所示。從測試結果可以看出：與車內空氣直通的泄露點對關門耳壓影響較大，底盤件焊縫、天窗漏液孔等比較隱蔽的泄露點對關門耳壓影響較小。

表4 整車氣密性對關門耳壓的影響

4.4 氣流通道對關門壓耳感影響分析

在關門過程中，車門將氣體壓到車內，大部分氣體通過泄壓閥排出，而氣流在通過泄壓閥之前需要通過后側圍內飾板。后側圍內飾板對氣流通道的通暢性有很大影響，同時泄壓閥開口大小對關門壓耳感也有較大影響。

分別驗證后側圍內飾板和泄壓閥閥體對關門耳壓的影響。通過測試數據可知，拆掉側圍內飾板后關門耳壓峰值降低了26 Pa，車內關門壓耳感不明顯。分別將單側泄壓閥和雙側泄壓閥拆掉，關門耳壓分別降低了11 Pa和23 Pa，說明后側圍內飾板及泄壓閥對關門壓耳感有較大影響，測試結果如表5所示。

表5 車內氣流通道對關門耳壓的影響 Pa

5 優化方案及驗證

針對作為關門壓耳感主要影響因素的后側內飾板氣流通道，在后側圍內飾板泄壓閥位置做一定開孔處理。為避免車外噪聲通過泄壓閥通氣孔進入車內而引起整車車內噪聲增大，通過整車流暢分析和主觀評價找出最佳開孔面積，開孔效果如圖7、8所示。

圖7 后側圍內飾板通氣孔數模圖

圖8 后側圍內飾板開孔實物圖

以CATIA數模為基礎建立網格模型，利用CFD軟件Star-ccm+模擬車門旋轉過程中車內的壓力場變化情況。在后側圍內飾板兩側分別開10 000、15 000、20 000 mm2通氣孔進行仿真和試驗分析，分析結果如表6所示。

表6 車內耳壓仿真和試驗結果 Pa

由表6可得：①車內耳壓仿真分析結果和測試結果誤差在10%以內，可通過仿真分析預測關門耳壓；②10 000～20 000 mm2通氣孔時車內耳壓差別不大。考慮到10 000mm2的通氣孔對減小車內噪聲的貢獻明顯比20 000 mm2時大，因此可將10 000 mm2通氣孔作為最終優化方案。

6 結論

1）關門耳壓主要影響頻率在50 Hz以下。

2）車門關閉過程中車內耳壓變化機理：在關門瞬間，車內耳壓瞬間升高，達到最大值，此時泄壓閥打開自動泄壓，待泄壓達到一定量時車內氣壓達到負壓，泄壓閥關閉，車內氣壓恢復正常。

3）空調內外循環、空調鼓風機風量、關門速度、整車氣密性和車內氣流通道均有關系，其中是氣流通道主要影響因素，且易實現工程化優化。

4）通過在后側圍內飾板增加通氣孔，使車內泄壓更通暢，既可以解決關門壓耳感的問題，又能保證適當的關門力和最小關門速度。