以轎車后門關(guān)閉力較大的問(wèn)題為研究背景，利用速度測(cè)試儀對(duì)樣車進(jìn)行關(guān)門速度測(cè)試，得到僅克服氣壓阻效應(yīng)的車門關(guān)閉速度為0.3m/s。建立仿真分析所需的汽車流體仿真分析網(wǎng)格模型，利用CFD軟件進(jìn)行考慮氣壓阻效應(yīng)的車門關(guān)閉力仿真分析，得到了關(guān)門過(guò)程中車門所受的力和力矩、駕駛艙內(nèi)氣壓變化情況及排風(fēng)口氣流流量等，找到一種能準(zhǔn)確求解車門關(guān)閉氣壓阻效應(yīng)的新方法。
汽車質(zhì)量調(diào)研結(jié)果顯示，車門開(kāi)閉的輕便性始終是客戶抱怨最多的質(zhì)量問(wèn)題之一[1]，因此，在車身設(shè)計(jì)過(guò)程中倍受關(guān)注?？蛻敉P(guān)心的是通過(guò)手給車門初始速度后的車門關(guān)閉時(shí)刻速度。文章僅從氣壓阻效應(yīng)方面考慮對(duì)關(guān)門力的影響，通過(guò)大量的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到合理的關(guān)門初速度，以此初速度為仿真分析初始條件，進(jìn)行關(guān)門過(guò)程CFD仿真分析。仿真分析可以得到車門所受氣壓力及駕駛艙內(nèi)氣壓力變化等，為車門關(guān)閉過(guò)程中氣壓阻效應(yīng)能量消耗提供數(shù)據(jù)參考。
車門關(guān)閉氣壓阻效應(yīng)中，密封條壓縮阻力和氣壓阻力是影響關(guān)門力的主要因素【2】，文章主要研究氣壓阻效應(yīng)的貢獻(xiàn)量。
隨著現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)和制造工藝的提高，整車密封性能越來(lái)越好，在車門關(guān)閉后，若不考慮駕駛室通氣裝置，則駕駛室基本上形成一個(gè)充滿大氣壓的密閉空間。
車門快速關(guān)閉過(guò)程中，從密封條接觸門框表面到車門完全關(guān)閉，車門在極短的時(shí)間內(nèi)壓縮駕駛室密閉空間的空氣，空氣被壓縮后壓力上升而通過(guò)沒(méi)有關(guān)閉
的門縫流出。所以快速關(guān)閉車門的過(guò)程相當(dāng)于對(duì)駕駛室密閉空間空氣的壓縮過(guò)程，被壓縮的空氣對(duì)車門產(chǎn)生氣壓阻效應(yīng)。反之，快速打開(kāi)車門的過(guò)程相當(dāng)于對(duì)駕駛室密閉空間的抽真空過(guò)程【3】。
2 影響車門關(guān)閉力的因素
車門關(guān)閉過(guò)程中乘客需要在門上施加一個(gè)動(dòng)能，用來(lái)克服能量損耗，而能量的損耗是多種因素共同作用的結(jié)果，包括氣壓阻效應(yīng)、車門特性、密封條、鉸鏈、門鎖及限位器。從力學(xué)角度講，駕駛室內(nèi)壓縮空氣的外推力、密封條被壓縮后產(chǎn)生的阻力、車門鉸鏈的機(jī)械阻力、車門轉(zhuǎn)動(dòng)軸線設(shè)計(jì)的前傾和內(nèi)傾產(chǎn)生的重力以及車門鎖及限位器產(chǎn)生的阻力等在車門關(guān)閉過(guò)程中都會(huì)對(duì)車門產(chǎn)生作用【4】。圖1示出車門在關(guān)閉過(guò)程中的能量分配示意圖。
3 車門關(guān)閉速度測(cè)試
3.1 車門關(guān)閉速度測(cè)試設(shè)備
人們一直認(rèn)為車門閉合需要進(jìn)行“力”的設(shè)計(jì)；但從設(shè)計(jì)、分析及檢驗(yàn)的方便性角度出發(fā)，車門關(guān)閉是用“速度”來(lái)進(jìn)行表征的。通過(guò)對(duì)目標(biāo)客戶人群進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合不同年齡、性別及身體狀態(tài)等，統(tǒng)計(jì)得出合理的車門關(guān)閉速度在0.8~1.3s。
使用車門關(guān)閉速度測(cè)試計(jì)1052對(duì)某款車進(jìn)行車門關(guān)閉速度測(cè)量。圖2示出速度測(cè)試計(jì)1052示意圖。
設(shè)備安裝方法為：在被測(cè)試車門外把手外沿安裝移動(dòng)針，此針在車門關(guān)閉過(guò)程中與車門以相同的速度運(yùn)動(dòng)。圖3示出移動(dòng)針安裝示意圖。把速度測(cè)試計(jì)安裝
在可與移動(dòng)針相切的側(cè)圍上，如圖4所示。調(diào)整好兩者的相對(duì)位置，并通過(guò)數(shù)據(jù)線連接速度顯示器，快速擺動(dòng)車門，查看顯示器上速度變化情況是否滿足設(shè)備要求。
3.2 車門關(guān)閉速度測(cè)試方法
本測(cè)試主要分為3步：
1)汽車基本狀態(tài)檢查。汽車處于空載狀態(tài)，關(guān)閉非測(cè)試車門和車窗以及測(cè)試車門的車窗，確認(rèn)汽車無(wú)漏風(fēng)處。
2)按照3．1節(jié)安裝速度測(cè)試計(jì)。
3)確定車門測(cè)試初始位置。由于車門裝有限位器，通常車門開(kāi)啟位置分為全開(kāi)、2擋和1擋3個(gè)擋位。本測(cè)試規(guī)定車門測(cè)試范圍為1擋到車門關(guān)閉的過(guò)程，如圖5所示。
恰好能使車門關(guān)閉所達(dá)到的速度稱為車門關(guān)閉速度，此速度作為評(píng)價(jià)關(guān)門輕便程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也是仿真分析的輸人條件。
3.3 車門關(guān)閉速度測(cè)試結(jié)果
測(cè)試車門開(kāi)啟到車門限位器第1擋，施加初始速度，至車門完全關(guān)閉，分別記錄每次車門關(guān)閉速度的大小?？紤]氣壓阻效應(yīng)的影響，分別對(duì)4輛車進(jìn)行全車車門關(guān)閉和尾門開(kāi)啟狀態(tài)的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果，如表1所示。
取4輛車測(cè)量值的平均值，全車車門關(guān)閉狀態(tài)車門關(guān)閉速度為1.2m/s，尾門開(kāi)啟狀態(tài)車門關(guān)閉速度為0.9m/s，得到僅克服氣壓阻效應(yīng)的關(guān)門速度為0.3m/s。
4 車門關(guān)閉氣壓阻效應(yīng)仿真分析
4.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分
綜合考慮網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算精度，利用前處理軟件ANSA建立了完整的內(nèi)飾數(shù)據(jù)、排風(fēng)口數(shù)據(jù)、左右后門、鉸鏈、門框、密封條(壓縮后)外表面數(shù)據(jù)及整車造型面數(shù)據(jù)，得到一個(gè)封閉空間的計(jì)算域。圖6示出汽車流體仿真分析網(wǎng)格示意圖。
4.2 邊界條件和計(jì)算設(shè)置
計(jì)算中假定空氣為理想氣體，車門關(guān)閉速度為0.3m/s，車門運(yùn)動(dòng)范圍為1擋到車門完全關(guān)閉位置，總計(jì)算時(shí)間為0.71s，每步計(jì)算時(shí)間0.001s；設(shè)定駕駛艙
排風(fēng)口為壓力出口。
4.3 分析結(jié)果及評(píng)價(jià)
圖7示出車門關(guān)閉過(guò)程速度云圖。通過(guò)圖7可以看出，車門關(guān)閉前0.6s，大部分氣流都隨著車門運(yùn)動(dòng)排出車外，只有一小部分氣流擠入車內(nèi)。
圖8和圖9分別示出車門關(guān)閉過(guò)程中受力和力矩曲線圖。通過(guò)圖8和圖9可以看到，車門關(guān)閉前0.6s受力和力矩很小，在0.6s之后車門與門框距離逐漸接近，
車門所受艙內(nèi)空氣反作用力也逐漸增大，車門關(guān)閉瞬間車門受力最大，關(guān)閉位置也是鎖鉤鉤住鎖環(huán)的位置，故可以用關(guān)閉時(shí)刻的力和力矩來(lái)評(píng)價(jià)氣壓阻效應(yīng)的影響。
車門從開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)到關(guān)閉位置時(shí)，氣壓消耗的能量(w/j)為：
根據(jù)公式計(jì)算得出氣壓阻效應(yīng)所消耗的能量為2.32J。通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)及仿真分析得到車門關(guān)閉過(guò)程中6個(gè)影響因素耗能及貢獻(xiàn)率，如表2所示。
從表2可知，氣壓阻和密封條在關(guān)門過(guò)程中能量消耗占主導(dǎo)地位，而重力和限位器對(duì)車門關(guān)閉是有利的，其他2個(gè)因素對(duì)車門能量消耗貢獻(xiàn)量較小。車門關(guān)閉過(guò)程中排風(fēng)口監(jiān)測(cè)面壓力很小，可以忽略不計(jì)，但瞬間的變化量很大。圖10示出車門關(guān)閉過(guò)程排風(fēng)口壓力變化曲線圖。通過(guò)圖10可以看出，關(guān)門瞬間氣流不能迅速通過(guò)排風(fēng)口排出，而是需要緩沖幾秒鐘才能平衡駕駛室內(nèi)外的壓力，導(dǎo)致駕駛室內(nèi)氣壓瞬間增大，尤其是快速關(guān)門時(shí)駕駛員和乘員耳部有較強(qiáng)烈的壓迫感，主觀感覺(jué)不適。
5 結(jié)論
1)文章分析了車門關(guān)閉過(guò)程中能量損耗的6個(gè)影響因素，并通過(guò)仿真結(jié)果結(jié)合試驗(yàn)得到了6個(gè)因素能量消耗貢獻(xiàn)率；
2)使用車門關(guān)閉速度測(cè)試計(jì)可以測(cè)量出車門關(guān)閉瞬間的萼度，此速度作為評(píng)價(jià)關(guān)門輕便程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也是仿真分析的必要輸入條件；
3)通過(guò)仿真分析結(jié)果可以看出，關(guān)門過(guò)程中只有車門接近門框時(shí)，車門所受艙內(nèi)空氣反作用力才逐漸增大，大部分氣流在車門關(guān)閉前排出車外；
4)通過(guò)有限元方法，有效地求出了車門所受氣壓阻效應(yīng)的力和能量消耗，使氣壓阻效應(yīng)的研究從試驗(yàn)階段上升到仿真分析階段，在工程設(shè)計(jì)中具有一定的參考價(jià)值。
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