車門鉸鏈傾角對車門關閉力影響的研究

包 濤，習俊通，徐武彬，許培星

（1.廣西科技大學機械工程學院，廣西 柳州 545000；2.上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240）

1 引言

國內外汽車的生產和實踐表明：白車身的生產能力直接決定了整車的生產能力并且很大程度上影響著汽車的更新換代[1]。車門作為人們對汽車首先接觸的對象，其質量的好壞會直接影響人們對整車的第一印象。因此，現在人們對車門的感知質量的關注度越來越高，而且汽車關閉力會直接影響到人們對整車質量的評價結果。

從JD POWER 對新車質量問題的調研報告中可以看出，顧客經常抱怨的問題之一便是車門關閉力過大[2]。因此研究影響車門關閉力的因素，對提高車門感知質量，甚至整車的質量有著重大意義。正因為如此，研究人員對車門關閉力的影響因素展開了眾多的研究。文獻[3]基于車門物理模型，進行三維車門旋轉關閉數值模擬，采用顯示方法仿真車門關閉速度隨時間變化的動態特性。針對密封系統的摩擦特征、安裝方式、壓縮行為等，建立其三維仿真模型，有效預測車門最小關閉速度。為車門密封系統的三維裝配與壓縮仿真提供了可行的方法。文獻[4]通過樣車與對標車之間的對比，研究其中的差異，并通過分析各個影響關門聲品質的因素，找到貢獻度最大的因素來定位影響目標車輛的關門聲品質的關鍵因素，并提出可以針對車門系統與車身中影響關門聲最大的零部件進行優化，從而提高改善車門的關門聲品質。

在分析影響車門關閉力的因素的基礎上，重點分析了鉸鏈傾角對車門關閉力的影響，并通過Adams 仿真和相關實驗臺測試，給出基于車門關閉力最小目標下某種車門的鉸鏈傾角的設計參數。

2 車門關閉力的影響因素

2.1 氣壓阻效應對車門關閉力的影響

車門從最大開度至完全閉合的快速關閉過程，導致車廂空氣在短時間內受到劇烈壓縮。在汽車門窗都關閉且忽略排氣孔影響的情況下，伴隨車廂壓力的升高，車內被壓縮空氣將從未完全閉合的門縫中流出，從而對車門產生氣壓阻效應[5]。關閉車門的過程中，空氣阻力消耗的關門能量即為空氣壓縮阻力增量所做的功，如式（1）所示。

式中：P0—標準大氣壓；

V0—車門關閉前（即密封膠條未壓縮狀態）車廂內的容積空間；

A0—車門迎風面積；

S—密封膠條被壓縮量。

2.2 密封膠條對車門關閉力的影響

根據福特汽車公司的研究實驗表明：汽車車門關閉力的大小很大一部分是由密封膠條的變形阻力所產生的，其大小約占車門關閉力的大小的（30～50）%[6]。根據對密封膠條壓縮變形過程的研究表明，其壓縮作用力主要有以下兩個部分組成。

2.2.1 密封膠條中泡管部分的壓縮作用力

傳統計算與校核車門密封膠條整體壓縮負荷采用分段累加法[7]。將整段密封膠條分段，如圖1 所示。累加每段的壓縮能耗可得到整段密封膠條的總能耗，如式（2）所示。

圖1 壓縮負荷分段累加法Fig.1 The Method of Compression Load Subsection Summation

式中：Ep—整段密封膠條的壓縮能耗；

S1、S2—各段密封膠條最大壓縮量；

F1、F2—CLD 曲線1 和CLD 曲線2 中由壓縮量決定的負載函數；

n、m—分割后的密封膠條段數。

密封膠條的CLD 曲線（CompressionLoad Deflection，CLD）是由密封膠條所受負載和所受負載時的壓縮量來共同確定的。因此，CLD 曲線對車門的關閉力起到決定性的影響。

2.2.2 密封膠條中排氣孔部分的氣阻效應

泡管腔內的氣體流速隨著密封系統壓縮會逐漸變快，在排氣孔處溢出時會形成非線性阻尼力。密封系統排氣孔氣阻效應的模型，如圖2 所示。計算公式[8]，如式（3）所示。

式中：Fd—長度為L的密封膠條所產生的阻尼力；F—整段密封膠條所產生的阻尼力；ρ—空氣密度；A，h以及W（=A/h）分別為密封膠條的橫截面面積、平均高度與寬度；D—排氣孔直徑。

圖2 排氣孔阻尼力計算模型Fig.2 The Calculation Model of Damper Force of Exhaust Hole

2.2.3 限位器對車門關閉力的影響

限位器限制車門的最大開度，并能夠使其穩定的懸停在多個控制檔位中的某個限定處，起著保證乘客上下車的空間、防止車門與車體相碰以及避免車門自動關閉的作用，其中的檔位設計要求為在車門關閉過程中跨檔位要順暢。目前汽車較為普遍使用的三擋拉帶式限位器，其優點為結構簡單、性價比高。限位器所消耗的能量可以用限位器轉矩與車門繞鉸鏈軸線旋轉角度的乘積的積分來表示，如式（4）所示。

式中：Ex—限位器所消耗的能量；Tx—限位器轉矩；θ—車門繞鉸鏈軸線旋轉角度。

2.2.4 門鎖對車門關閉力的影響

門鎖是汽車重要的安全件，由分別固定在車門與車身上的兩個零件構成，通過門鎖可以有效的固定車門，防止其自動打開，并由簡單杠桿運動或打開門把手的動作將其脫開。門鎖必須工作可靠，保證在一定沖擊力作用下門鎖不會自動脫開是車門自動打開。車門在關閉過程中門鎖消耗的能量為鎖體力與位移的乘積[9]，如式（5）所示。

式中：Em—門鎖所消耗的能量；K鎖體—由門鎖、復位彈簧的物理性質決定的門鎖系數；h—門把手到鉸鏈軸的距離；θ—門鎖在接觸鎖扣到完全鎖止的過程中的角度變化量；d—鎖體力經過的位移。

2.2.5 車門鉸鏈對車門關閉力的影響

車門鉸鏈對車門關閉力的影響包括兩個方面：（1）車門在關閉過程中，鉸鏈的固定部分與活動部分間的摩擦損耗能量影響[10]。鉸鏈上活動部分與固定部分摩擦引起的摩擦力和由重力引起的附加力矩在鉸鏈軸上產生的徑向力（即附加的摩擦力矩），這使關閉力相應的增加，如式（6）所示。

式中：FG—重力提供的自動關閉力；

G—車門重量；

μ—車門鉸鏈上活動部分與固定部分之間的摩擦系數；

h—車門重心與鉸鏈軸之間的距離；

D—上鉸鏈與下鉸鏈之間的距離；

R—車門拉手與鉸鏈軸之間的距離；

d—鉸鏈軸之間的軸徑。

鉸鏈摩擦所消耗的能量可以用鉸鏈轉矩與車門繞鉸鏈軸線旋轉角度的乘積的積分來表示，如式（7）所示。

式中：Ej—門鎖所消耗的能量；Tj—車門繞鉸鏈軸線旋轉角度。

（2）鉸鏈軸傾角導致車門重力的分力變化影響，鉸鏈軸線的內傾與后傾可以有效地降低車門關閉力。鉸鏈軸在平面XZ內的傾角為α 時的方向向量為（sinα，0，cosα）；在平面YZ內的傾角為β 時的方向向量為（0，sinβ，cosβ）。根據力的平行四邊形法則，如圖3 所示。

圖3 鉸鏈軸傾角引起的關閉力Fig.3 The Force by the Closure of Hinge Shaft Angle Caused

車門重力的分力產生的自動關閉力，如式（8）所示。

其中，M1=G′H=GHsinαcosθ（車門的重力XY平面內分力對鉸鏈軸所形成的轉矩）；M2=G′H′=GHsinβcosθ（車門的重力YZ平面內分力對鉸鏈軸所形成的轉矩）。式中：α—車門鉸鏈在平面XZ傾角；β—車門鉸鏈在平面XZ傾角；θ—車門開度角。

通過對車門關閉力影響因素的分析及其數學模型的建立，可以分析得出影響車門關閉力的主要因素有氣壓阻效應、密封膠條、車門鉸鏈、限位器以及門鎖。減小車廂體內部的氣壓最適宜的方法為在前期設計時增設通風排氣孔。車門與車身的間隙決定了密封膠條的壓縮量，而壓縮量越大，密封性能越好；壓縮量越小，越容易受外界環境的影響。減小車門鉸鏈的轉矩以及對車門鉸鏈軸傾角的合理設計來減小對車門關閉力的影響。車門限位器主要起著限位作用，這是因為限位器彈簧在車門關閉過程中會存儲能量并提供相應能量，所以限位器彈簧的彈性系數的選擇是否合理關系到車門在開、關時的越檔是否能夠順利進行。減小門鎖的轉矩能夠有效地減小車門關閉力。

這里主要以車門鉸鏈為研究對象，研究車門鉸鏈傾角對車門關閉力的影響。

3 基于Adams 仿真鉸鏈傾角與車門關閉力的最優解

首先利用三維設計軟件UG 建立不同的鉸鏈軸傾角的車門幾何模型，然后將車門導入ADAMS/View 中，設置幾何參數、約束條件等，然后進行運動仿真計算，再對理論數學模型進行驗證，最后對得出的仿真計算結論進行分析處理。

虛擬樣機分析軟件ADAMS 很適合對復雜的車門子系統進行設計和仿真研究。將車門數模導入DAMS/View 中，隨后設置幾何參數、約束條件等，然后進行不同鉸鏈傾角下車門關閉力的運動仿真計算，最后得出車門關閉力最小情況下鉸鏈傾角的組合。

3.1 ADAMS 建模的主要流程

車門關閉力仿真模型的建立步驟如下：（1）在三維設計軟件UG 中建立左前車門的三維模型，并且真實的表達出車門系統的相應特性參數，并以*.x_t 的格式輸出；（2）將左前車門的三維模型轉化為ADAMS 機構模型，并用ADAMS 中的約束來表示氣壓阻效應、密封膠條、車門鉸鏈、限位器以及門鎖等五大影響因素；（3）利用ADAMS 運動仿真軟件進行運動仿真分析，得出車門關閉能量曲線，為車門的設計提供更可靠的依據。

3.2 仿真分析計算

將車門的運動模型、約束副、驅動源創建完成之后，如圖4所示。ADAMS 會利用得到的數據進行自主計算，然后模擬出真實的車門關閉過程。

圖4 車門關閉力仿真模型Fig.4 The Simulation Model of Door Closing Force

3.3 仿真結果分析

為獲得最佳的車門鉸鏈傾角，對不同車門鉸鏈傾角的ADAMS 車門模型進行運動仿真，關閉不同車門鉸鏈傾角時車門所需要的最小車門關閉能量，如表1 所示（部分數據）。

表1 關閉車門所需能量（仿真數據）Tab.1 The Energy Required To Close theDoors（The Simulation Data）

根據仿真結果可以看出，在內傾角為3°且后傾角為2°時，關閉車門所需要的最小車門關閉能量最小，故該角度是最佳的車門鉸鏈傾角。

4 基于速度法測量鉸鏈傾角與車門關閉力的最優解

4.1 速度法對車門關閉力進行測試

這里把速度評價法進行改進，利用兩組速度測量裝置分別測出車門在關閉過程時起初位置的速度與車門完全關閉時的速度，在保證初速度恒定的情況下，改變車門鉸鏈傾角的大小，測試車門關閉瞬間的速度。車門完全關閉時的瞬時速度越大，則表明車門關閉力的性能越佳，那么該狀態下的車門鉸鏈傾角越適宜。

4.2 車門鉸鏈傾角調節實驗臺整體設計方案

為了量化車門傾角對車門關閉力的影響，設計車門鉸鏈傾角調節實驗臺進行實物測試。物理試驗臺結構，如圖5 所示。試驗臺主要結構包括主體結構、傾角調節模塊、鉸鏈跨距調節模塊以及測量（包括傾角和速度）模塊。

圖5 實驗臺整體結構Fig.5 The Structure of the Test Bench

在車門關閉的初始位置和門鎖位置分別安裝速度測量裝置。該裝置由光電開關傳感器、中間繼電器、時間繼電器、復位開關、開關電源以及電源接口組成，如圖6 所示。

圖6 速度測量裝置Fig.6 The Device of Velocity Measuring

4.3 試驗結果

從表2（部分數據）中可以分析得出內傾角為4°、后傾角為2°的時候，車門關閉時的所需能量最小，此時，關門所需要的車門關閉力也最小。

表2 關閉車門所需能量（試驗數據）Tab.2 The Energy Required to Close the Doors（the Test Data）

5 結論

實驗結論為鉸鏈的內傾角為4°、后傾角為2°時，關閉車門所需要的車門關閉力為最小，而Adams 仿真分析中，得到了在內傾角為3°、后傾角為2°時，關閉車門所需要的車門關閉力為最小。因為在仿真過程中存在氣壓阻效應、密封膠條等因素的影響，而實驗臺排除了這些因素的影響，只針對車門鉸鏈傾角進行實驗，所以仿真結果和實驗結果存在一定的誤差，但是這個1°的誤差是合理的，所以在設計車門的過程時，建議將該款車門的鉸鏈傾角應按照內傾角為3°、后傾角為2°來進行設計。