基于能量守恒的尾門自動落鎖分析

張 偉，陳智家，陳鉦金

（浙江零跑科技股份有限公司，浙江 杭州 310053）

汽車車門關閉性能是評價汽車車門設計和汽車使用性能的重要指標之一，直接反映了車輛質量的好壞及汽車廠的生產制造水平。目前國產汽車試制或批量生產過程中大都會受到車門關閉困難問題的困擾，導致反復進行質量整改，耗費大量的人力物力[1]。因此，在車身設計中車門關閉性能倍受關注。

本文通過分析各影響因素在尾門關閉過程中產生或消耗的能量，并根據能量守恒定律，獲得尾門自動落鎖需要的能量。另外，系統分析了各影響因素的相關參數對自動落鎖的影響，為汽車尾門自動落鎖設計及質量問題改進提供理論依據，以減少后期的質量整改。

1 尾門自動落鎖定義

為便于分析，首先對自動落鎖進行量化定義。汽車尾門在關門過程中會經歷手動關門及自動關門兩個階段，從開門位置往下關門的初期，氣彈簧的支撐力矩大于尾門重力矩，需要人手施加外力才能將尾門往下關，這一區間稱之為手動關門區間。在關門過程中由于重力矩和支撐力矩不斷變化，在某一位置會達到平衡，尾門會處于懸停狀態，稱之為關門平衡點；越過這一平衡點重力矩大于支撐力矩，尾門不需要外力會自動關閉，稱之為自動關門區間，如圖1 所示。

圖1 關門區間

所謂自動落鎖，即尾門越過平衡點后尾門在自動關門區間內可以達到尾門全鎖狀態；需要說明的是，在手動關門階段，由于人手力的作用，在達到平衡點時尾門已經具備了一定的初速度，這個初速度使得尾門在此刻已經具備了一定的動能，此動能會直接影響到是否可以自動落鎖，而這個動能大小取決于人用多大的力去關門，屬于人為因素，無法對其量化計算。

本文研究的自動落鎖是指在關門平衡點時尾門處于懸停靜止狀態（即動能為0，目的是避免人為因素對系統產生影響），以這個狀態為起點，研究尾門是否可以自動落鎖。

2 自動落鎖的影響因素

影響尾門自動落鎖因素主要有密封條壓縮變形、車內氣壓阻力、門鎖作用力、鉸鏈摩擦力矩、氣彈簧、緩沖塊限位塊、尾門重量及重心以及鉸鏈軸線布置位置等因素。另外還有在生產及工藝控制方面出現的非正常或不確定因素，本文不做研究。

通過能量守恒定律，從能量的角度分析尾門是否可以自動落鎖，即在從平衡點到全鎖這一關門過程中，有哪些能量是幫助關門的，稱之為對系統做正功；有哪些能量是阻礙關門的，稱之為對系統做負功。通過對這些能量進行計算，若正功總和≥負功總和，則認為尾門可以自動落鎖；反之，則認為不能。

各因素具體影響分析如下：

1.密封條

尾門關閉過程中對密封條產生擠壓，密封條受擠壓后產生反作用力，此作用力在尾門關閉過程中消耗能量，阻礙尾門關閉。密封條對閉合力的影響主要有三個指標：壓縮負荷，壓縮量及總長度[2-3]。總長度一般由BRLINE 決定，密封條設計過程中可通過設計合理的壓縮負荷和壓縮量滿足能耗目標要求。

2.氣壓

尾門快速關閉過程中，從密封條接觸尾門密封面到完全關閉，尾門在極短的時間壓縮車內空間的空氣，車內空氣受壓后壓力上升產生一個氣壓阻，在尾門關閉過程中消耗能量，對系統做負功[4-5]。

3.門鎖

尾門關閉過程中，門鎖通過鎖扣與鎖體的嚙合達到尾門關閉，在鎖體轉動過程中必然消耗能量，鎖體和鎖扣嚙合一般設計兩級鎖緊位，每個鎖緊位均需克服回位彈簧力消耗動能，對系統做負功。

4.鉸鏈

鉸鏈對關門能量的影響在于尾門關閉過程中，鉸鏈的固定部分和活動部分的相互摩擦會損耗能量，摩擦力主要體現為鉸鏈自身旋轉阻力。此部分對系統做負功。

5.氣彈簧

尾門關閉過程中氣彈簧對尾門會有一個支撐力，此部分力對尾門做的功阻礙尾門關閉，為負功。需要說明的是，如果關門過程中氣彈簧過了死點，力臂變為負值，則此部分功為正功，計算時應計算氣彈簧負功與正功的和，一般情況下這個值還是屬于負功。

6.緩沖塊/限位塊

尾門關閉過程中，從緩沖塊限位塊與對手件接觸到尾門完全關閉，緩沖塊及限位塊會產生一個彈性勢能，此部分能量消耗尾門動能，對系統做負功。

7.尾門重量及重心

關門過程中，尾門重心Z向會有一個向下的位移，這段位移內重力勢能轉換為動能。重心及鉸鏈位置影響重力臂以及重心的Z向位移，尾門重量越大、重力臂越大、重心Z向位移越大，則重力做的功越大；尾門重力幫助關門，對系統做正功。

3 模型建立

自動落鎖的各個影響因素的數學模型分別如下：

3.1 尾門密封條

1）假設尾門關閉時，尾門平面壓縮密封條；2）密封條變形為彈性變形；3）密封條沿周長方向均勻受力。

把長度為L的密封條分割成n段，每段長ΔLi，則關閉尾門時壓縮第i段密封條所消耗的能量為

式中，Fi為尾門壓縮時第i段密封條產生的阻力；P為密封條壓縮負荷，N/m；S為密封條壓縮量，mm。

在密封條長度L上，阻力所做的總功為

可以看出，影響密封條能耗主要參數為密封條長度、壓縮負荷及壓縮量。密封條長度在車身結構設計時已基本確定，長度越長，產生的阻力越大；壓縮負荷一般由密封條材料、截面形式等決定，壓縮負荷越大，產生的阻力越大。

3.2 氣壓阻力

1）假設尾門從壓縮密封條開始至結束的運動是平動過程；2）假設駕駛室空間內的空氣為理想氣體，尾門關閉壓縮過程中忽略溫度上升值；3）假設駕駛室內空氣質量不變。根據工程熱力學理想氣體狀態方程可得[6]

式中，P0為標準大氣壓；V0為尾門關閉前車內空氣容積；Pi為關閉時駕駛室內氣壓；Vi為尾門關閉后車內空氣容積。

設尾門迎風面積為A0，密封條壓縮量為Si，則

尾門關閉過程中，當密封條壓縮量為Si時，駕駛室容積變化而產生的阻力為

由以上可得空氣壓縮阻力增量所做的功為

從式（6）可以看出，車內體積V0越大，壓縮比例越小，關門消耗的能量越小，關門越輕便，如圖8 所示；迎風面積A0（即尾門面積）越大，關閉尾門所克服的阻力越大，尾門關閉力越大。

3.3 門鎖

尾門關閉至接觸鎖扣到完全鎖上這個過程，需要提供克服鎖扣力所需的能量，設尾門閉合過程中鎖的嚙合力為f，關閉尾門鎖舌運動距離為S，則門鎖關閉能耗為

從式（7）可以看出，鎖的嚙合力越大，行程越大，則耗能越大。

3.4 尾門鉸鏈

尾門關閉過程中，尾門自身的旋轉阻力對系統做功，設鉸鏈的旋轉力矩為M,從平衡點至關閉狀態鉸鏈旋轉的角度（弧度），單個鉸鏈耗能為

從式（8）可以看出，鉸鏈旋轉阻力越大，鉸鏈轉過的弧度越大，則耗能越大。

3.5 氣彈簧

氣彈簧做的功可以用氣彈簧的支撐力矩乘轉過的弧度來計算，但由于支撐力矩與角度的函數較為復雜，故轉換為氣彈簧自身從平衡點至關門狀態行程變化量范圍內所做的功，設氣彈簧工作行程為S，從平衡點至關門狀態行程為S1，關門起始點力值為F3，關閉狀態氣彈簧力值為F4，則氣彈簧耗能為

從式（9）可以看出，氣彈簧力值越大，S1越大，則氣彈簧耗能越大。

3.6 緩沖塊、限位塊

尾門關閉過程中，從緩沖塊限位塊與對手件接觸到尾門完全關閉，設緩沖塊彈性系數為K，干涉量為x，緩沖塊個數為n，則緩沖塊做的功為

從式（10）可以看出，緩沖塊彈性系數越大，干涉量越大，個數越多則耗能越多；限位計算模型同緩沖塊。

3.7 重力

尾門在閉合過程中重力產生的勢能為

式中，m為尾門質量；h為從平衡點到關閉位置尾門重心的Z方向變化量?？梢钥闯鑫查T質量越大、重心Z向落差越大，對系統產生的能量越大。

綜合以上，各影響因素的具體數值均已模型化。

4 實際案例分析

根據能量守恒原理，幫助關門的能量應不小于阻礙關門的能量尾門才能自動落鎖，即滿足如下關系式[7]

以某車型為例，受限將各影響因素以表格新式列出，再將各因素的影響參數作為第二季輸入列出，計算過程采用上文的公式，最終可以得到各因素做的功，計算如表1 所示。

表1 能量計算

通過計算可知，幫助關門的能量為17.13 J，阻礙關門的能量為16.43 J，理論角度分析尾門可自動落鎖，但由于二者差值不大，若鈑金內間隙、密封條壓縮載荷、氣彈簧力值、環境溫度、緩沖塊干涉量等因素略有些偏差，則很可能導致不能自動落鎖。

通過實車驗證，理論計算的結果與實際情況較為接近。在新車型應用時，可以通過調節各種參數，來達到需要的效果。

5 總結和建議

通過上述分析可知，在阻礙關門的各種能量中，氣彈簧所做的貢獻最大；對這部分能量最為敏感的兩個參數是F4的值（壓縮到底時氣彈簧力值）以及S1（關門平衡點至全關位置氣彈簧行程）；而這兩個參數又受尾門重力、重心位置、鉸鏈軸線、氣彈簧布置位置、高低溫以及氣彈簧自身力值公差極限工況下的開關門力的要求等條件所制約，很難同時滿足各種要求。如滿足了自動落鎖，就滿足不了關門力的要求，導致氣彈簧支撐不起來尾門；另一方面，上述制約條件中有些因素是相互矛盾的，如為了降低F4以及S1，希望降低門重以及關門平衡點角度，但門重及關門平衡點降低了，勢必導致重力勢能也隨之降低，反而又影響自動落鎖。

綜上，尾門自動落鎖影響因素較多，各種因素相互制約，在車型設計中應對各種因素綜合考慮統籌計算，以便達到最優效果，提升尾門關閉品質。