车门铰链倾角对车门关闭力影响的研究

包 涛，习俊通，徐武彬，许培星

（1.广西科技大学机械工程学院，广西 柳州 545000；2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）

1 引言

国内外汽车的生产和实践表明：白车身的生产能力直接决定了整车的生产能力并且很大程度上影响着汽车的更新换代[1]。车门作为人们对汽车首先接触的对象，其质量的好坏会直接影响人们对整车的第一印象。因此，现在人们对车门的感知质量的关注度越来越高，而且汽车关闭力会直接影响到人们对整车质量的评价结果。

从JD POWER 对新车质量问题的调研报告中可以看出，顾客经常抱怨的问题之一便是车门关闭力过大[2]。因此研究影响车门关闭力的因素，对提高车门感知质量，甚至整车的质量有着重大意义。正因为如此，研究人员对车门关闭力的影响因素展开了众多的研究。文献[3]基于车门物理模型，进行三维车门旋转关闭数值模拟，采用显示方法仿真车门关闭速度随时间变化的动态特性。针对密封系统的摩擦特征、安装方式、压缩行为等，建立其三维仿真模型，有效预测车门最小关闭速度。为车门密封系统的三维装配与压缩仿真提供了可行的方法。文献[4]通过样车与对标车之间的对比，研究其中的差异，并通过分析各个影响关门声品质的因素，找到贡献度最大的因素来定位影响目标车辆的关门声品质的关键因素，并提出可以针对车门系统与车身中影响关门声最大的零部件进行优化，从而提高改善车门的关门声品质。

在分析影响车门关闭力的因素的基础上，重点分析了铰链倾角对车门关闭力的影响，并通过Adams 仿真和相关实验台测试，给出基于车门关闭力最小目标下某种车门的铰链倾角的设计参数。

2 车门关闭力的影响因素

2.1 气压阻效应对车门关闭力的影响

车门从最大开度至完全闭合的快速关闭过程，导致车厢空气在短时间内受到剧烈压缩。在汽车门窗都关闭且忽略排气孔影响的情况下，伴随车厢压力的升高，车内被压缩空气将从未完全闭合的门缝中流出，从而对车门产生气压阻效应[5]。关闭车门的过程中，空气阻力消耗的关门能量即为空气压缩阻力增量所做的功，如式（1）所示。

式中：P0—标准大气压；

V0—车门关闭前（即密封胶条未压缩状态）车厢内的容积空间；

A0—车门迎风面积；

S—密封胶条被压缩量。

2.2 密封胶条对车门关闭力的影响

根据福特汽车公司的研究实验表明：汽车车门关闭力的大小很大一部分是由密封胶条的变形阻力所产生的，其大小约占车门关闭力的大小的（30～50）%[6]。根据对密封胶条压缩变形过程的研究表明，其压缩作用力主要有以下两个部分组成。

2.2.1 密封胶条中泡管部分的压缩作用力

传统计算与校核车门密封胶条整体压缩负荷采用分段累加法[7]。将整段密封胶条分段，如图1 所示。累加每段的压缩能耗可得到整段密封胶条的总能耗，如式（2）所示。

图1 压缩负荷分段累加法Fig.1 The Method of Compression Load Subsection Summation

式中：Ep—整段密封胶条的压缩能耗；

S1、S2—各段密封胶条最大压缩量；

F1、F2—CLD 曲线1 和CLD 曲线2 中由压缩量决定的负载函数；

n、m—分割后的密封胶条段数。

密封胶条的CLD 曲线（CompressionLoad Deflection，CLD）是由密封胶条所受负载和所受负载时的压缩量来共同确定的。因此，CLD 曲线对车门的关闭力起到决定性的影响。

2.2.2 密封胶条中排气孔部分的气阻效应

泡管腔内的气体流速随着密封系统压缩会逐渐变快，在排气孔处溢出时会形成非线性阻尼力。密封系统排气孔气阻效应的模型，如图2 所示。计算公式[8]，如式（3）所示。

式中：Fd—长度为L的密封胶条所产生的阻尼力；F—整段密封胶条所产生的阻尼力；ρ—空气密度；A，h以及W（=A/h）分别为密封胶条的横截面面积、平均高度与宽度；D—排气孔直径。

图2 排气孔阻尼力计算模型Fig.2 The Calculation Model of Damper Force of Exhaust Hole

2.2.3 限位器对车门关闭力的影响

限位器限制车门的最大开度，并能够使其稳定的悬停在多个控制档位中的某个限定处，起着保证乘客上下车的空间、防止车门与车体相碰以及避免车门自动关闭的作用，其中的档位设计要求为在车门关闭过程中跨档位要顺畅。目前汽车较为普遍使用的三挡拉带式限位器，其优点为结构简单、性价比高。限位器所消耗的能量可以用限位器转矩与车门绕铰链轴线旋转角度的乘积的积分来表示，如式（4）所示。

式中：Ex—限位器所消耗的能量；Tx—限位器转矩；θ—车门绕铰链轴线旋转角度。

2.2.4 门锁对车门关闭力的影响

门锁是汽车重要的安全件，由分别固定在车门与车身上的两个零件构成，通过门锁可以有效的固定车门，防止其自动打开，并由简单杠杆运动或打开门把手的动作将其脱开。门锁必须工作可靠，保证在一定冲击力作用下门锁不会自动脱开是车门自动打开。车门在关闭过程中门锁消耗的能量为锁体力与位移的乘积[9]，如式（5）所示。

式中：Em—门锁所消耗的能量；K锁体—由门锁、复位弹簧的物理性质决定的门锁系数；h—门把手到铰链轴的距离；θ—门锁在接触锁扣到完全锁止的过程中的角度变化量；d—锁体力经过的位移。

2.2.5 车门铰链对车门关闭力的影响

车门铰链对车门关闭力的影响包括两个方面：（1）车门在关闭过程中，铰链的固定部分与活动部分间的摩擦损耗能量影响[10]。铰链上活动部分与固定部分摩擦引起的摩擦力和由重力引起的附加力矩在铰链轴上产生的径向力（即附加的摩擦力矩），这使关闭力相应的增加，如式（6）所示。

式中：FG—重力提供的自动关闭力；

G—车门重量；

μ—车门铰链上活动部分与固定部分之间的摩擦系数；

h—车门重心与铰链轴之间的距离；

D—上铰链与下铰链之间的距离；

R—车门拉手与铰链轴之间的距离；

d—铰链轴之间的轴径。

铰链摩擦所消耗的能量可以用铰链转矩与车门绕铰链轴线旋转角度的乘积的积分来表示，如式（7）所示。

式中：Ej—门锁所消耗的能量；Tj—车门绕铰链轴线旋转角度。

（2）铰链轴倾角导致车门重力的分力变化影响，铰链轴线的内倾与后倾可以有效地降低车门关闭力。铰链轴在平面XZ内的倾角为α 时的方向向量为（sinα，0，cosα）；在平面YZ内的倾角为β 时的方向向量为（0，sinβ，cosβ）。根据力的平行四边形法则，如图3 所示。

图3 铰链轴倾角引起的关闭力Fig.3 The Force by the Closure of Hinge Shaft Angle Caused

车门重力的分力产生的自动关闭力，如式（8）所示。

其中，M1=G′H=GHsinαcosθ（车门的重力XY平面内分力对铰链轴所形成的转矩）；M2=G′H′=GHsinβcosθ（车门的重力YZ平面内分力对铰链轴所形成的转矩）。式中：α—车门铰链在平面XZ倾角；β—车门铰链在平面XZ倾角；θ—车门开度角。

通过对车门关闭力影响因素的分析及其数学模型的建立，可以分析得出影响车门关闭力的主要因素有气压阻效应、密封胶条、车门铰链、限位器以及门锁。减小车厢体内部的气压最适宜的方法为在前期设计时增设通风排气孔。车门与车身的间隙决定了密封胶条的压缩量，而压缩量越大，密封性能越好；压缩量越小，越容易受外界环境的影响。减小车门铰链的转矩以及对车门铰链轴倾角的合理设计来减小对车门关闭力的影响。车门限位器主要起着限位作用，这是因为限位器弹簧在车门关闭过程中会存储能量并提供相应能量，所以限位器弹簧的弹性系数的选择是否合理关系到车门在开、关时的越档是否能够顺利进行。减小门锁的转矩能够有效地减小车门关闭力。

这里主要以车门铰链为研究对象，研究车门铰链倾角对车门关闭力的影响。

3 基于Adams 仿真铰链倾角与车门关闭力的最优解

首先利用三维设计软件UG 建立不同的铰链轴倾角的车门几何模型，然后将车门导入ADAMS/View 中，设置几何参数、约束条件等，然后进行运动仿真计算，再对理论数学模型进行验证，最后对得出的仿真计算结论进行分析处理。

虚拟样机分析软件ADAMS 很适合对复杂的车门子系统进行设计和仿真研究。将车门数模导入DAMS/View 中，随后设置几何参数、约束条件等，然后进行不同铰链倾角下车门关闭力的运动仿真计算，最后得出车门关闭力最小情况下铰链倾角的组合。

3.1 ADAMS 建模的主要流程

车门关闭力仿真模型的建立步骤如下：（1）在三维设计软件UG 中建立左前车门的三维模型，并且真实的表达出车门系统的相应特性参数，并以*.x_t 的格式输出；（2）将左前车门的三维模型转化为ADAMS 机构模型，并用ADAMS 中的约束来表示气压阻效应、密封胶条、车门铰链、限位器以及门锁等五大影响因素；（3）利用ADAMS 运动仿真软件进行运动仿真分析，得出车门关闭能量曲线，为车门的设计提供更可靠的依据。

3.2 仿真分析计算

将车门的运动模型、约束副、驱动源创建完成之后，如图4所示。ADAMS 会利用得到的数据进行自主计算，然后模拟出真实的车门关闭过程。

图4 车门关闭力仿真模型Fig.4 The Simulation Model of Door Closing Force

3.3 仿真结果分析

为获得最佳的车门铰链倾角，对不同车门铰链倾角的ADAMS 车门模型进行运动仿真，关闭不同车门铰链倾角时车门所需要的最小车门关闭能量，如表1 所示（部分数据）。

表1 关闭车门所需能量（仿真数据）Tab.1 The Energy Required To Close theDoors（The Simulation Data）

根据仿真结果可以看出，在内倾角为3°且后倾角为2°时，关闭车门所需要的最小车门关闭能量最小，故该角度是最佳的车门铰链倾角。

4 基于速度法测量铰链倾角与车门关闭力的最优解

4.1 速度法对车门关闭力进行测试

这里把速度评价法进行改进，利用两组速度测量装置分别测出车门在关闭过程时起初位置的速度与车门完全关闭时的速度，在保证初速度恒定的情况下，改变车门铰链倾角的大小，测试车门关闭瞬间的速度。车门完全关闭时的瞬时速度越大，则表明车门关闭力的性能越佳，那么该状态下的车门铰链倾角越适宜。

4.2 车门铰链倾角调节实验台整体设计方案

为了量化车门倾角对车门关闭力的影响，设计车门铰链倾角调节实验台进行实物测试。物理试验台结构，如图5 所示。试验台主要结构包括主体结构、倾角调节模块、铰链跨距调节模块以及测量（包括倾角和速度）模块。

图5 实验台整体结构Fig.5 The Structure of the Test Bench

在车门关闭的初始位置和门锁位置分别安装速度测量装置。该装置由光电开关传感器、中间继电器、时间继电器、复位开关、开关电源以及电源接口组成，如图6 所示。

图6 速度测量装置Fig.6 The Device of Velocity Measuring

4.3 试验结果

从表2（部分数据）中可以分析得出内倾角为4°、后倾角为2°的时候，车门关闭时的所需能量最小，此时，关门所需要的车门关闭力也最小。

表2 关闭车门所需能量（试验数据）Tab.2 The Energy Required to Close the Doors（the Test Data）

5 结论

实验结论为铰链的内倾角为4°、后倾角为2°时，关闭车门所需要的车门关闭力为最小，而Adams 仿真分析中，得到了在内倾角为3°、后倾角为2°时，关闭车门所需要的车门关闭力为最小。因为在仿真过程中存在气压阻效应、密封胶条等因素的影响，而实验台排除了这些因素的影响，只针对车门铰链倾角进行实验，所以仿真结果和实验结果存在一定的误差，但是这个1°的误差是合理的，所以在设计车门的过程时，建议将该款车门的铰链倾角应按照内倾角为3°、后倾角为2°来进行设计。