气压阻效应对尾门关闭性能影响的测试研究

李超帅，李伟，林森，于波，李瑞生

（华晨汽车工程研究院 闭合件工程室，辽宁 沈阳 110141）

气压阻效应对尾门关闭性能影响的测试研究

李超帅，李伟，林森，于波，李瑞生

（华晨汽车工程研究院 闭合件工程室，辽宁 沈阳 110141）

从尾门系统关闭过程中的能量转化为切入点进行研究，提出了一种尾门系统关闭过程气压阻效应耗能计算测试方法。通过重力势能等效替换气压阻效应的理论分析，得出了尾门关闭全过程中固定泄漏面积与可变泄漏面积同时存在情况下的气压阻效应消耗能，通过动能等效替换气压阻效应的理论分析，得出了尾门关闭第二阶段仅存在固定泄漏面积情况下的气压阻效应消耗能，提供了一种测试简便，应用广泛的气压阻效应耗能测试方法。

气压阻效应；尾门；关闭性能；测试方法

CLC NO.: U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-161-03

前言

汽车尾门系统关闭力过大是新车型开发过程中经常遇到的问题，尾门关闭操作的舒适性直接影响顾客对车辆质量好坏的感官判断，因此，尾门系统关闭性能优化是汽车开发过程中需要解决的重要问题。但是，尾门的可关闭性能是尾门系统多种因素共同作用的结果，涉及尾门密封条、尾门缓冲块、尾门气弹簧、尾门锁以及乘客舱气压阻效应等的共同作用，而关于气压阻效应对尾门关闭性能的影响研究，目前主要停留在理论阶段[1～2]。

在尾门关闭过程中，空气被挤压进乘客舱造成乘客舱内气压升高，使得关门阻力增大，从而消耗关门能量，这就是气压阻效应。相对于密封条、气弹簧以及缓冲块等零部件的能量消耗，气压阻效应的耗能涉及因素复杂，与乘客舱容积大小、整车密封性能好坏、车辆排气口布置位置、以及座椅布局导致的乘客舱气流流向等因素均有关系。[3～4]因此，在新车型开发过程中，对气压阻效应的研究主要停留在理论分析模拟阶段，且模拟模型相对于实车的复杂工况简化程度较大，

难以准确计算出气压阻效应对尾门关闭能量的消耗值。

本文通过分析尾门关闭过程中能量的转化过程，提出了一种通过可测试量求解不可测试量的气压阻效应耗能计算方法，该试验方法操作简便，可广泛应用于各种车型。

1、尾门关闭过程的能量转化分析

从顾客操作的角度出发，尾门关闭过程中，拉动尾门至尾门气弹簧平衡点以下，自由释放尾门，尾门由于自身重力的作用即可关闭至全锁状态，即尾门实现自动下落达到全锁状态，反馈给顾客关门轻盈的操作感受。

在尾门由平衡点释放至完全关闭过程中，尾门重力势能减小量需大于尾门密封条、尾门缓冲块、尾门气弹簧、尾门锁以及乘客舱气压阻效应等阻力所产生的能量消耗，尾门才可自动关闭至全锁状态，即此过程中的能量转化须满足：

式中△E为尾门由自由释放位置至全锁位置重力势能减小量；W1为尾门关闭过程中密封条压缩反力消耗能量；W2为尾门关闭过程中缓冲块压缩反力消耗能量；W3为尾门关闭过程中锁体上锁消耗能量；W4为尾门关闭过程中气弹簧压缩力消耗能量；W5为尾门关闭过程中气压阻效应消耗能量。

气压阻效应的作用效果与尾门关闭过程中乘客舱气体泄漏面积直接相关，乘客舱的气体泄漏面积可分为两部分，一部分为固定泄漏面积，即整车所有门系统均处于关闭状态下，由于乘客舱排气口和密封泄漏导致的泄露面积；另一部分为可变泄露面积，即尾门关闭接触密封条之前，由于尾门开度变化导致的尾门门洞开口泄漏面积。

因此，从尾门由平衡点释放至完全关闭为止，尾门的气压阻效应可相应分为两个作用阶段，第一阶段为尾门关闭过程接触密封条之前，此阶段气体的泄漏面积包括固定泄漏面积与可变泄露面积两部分；第二阶段为尾门关闭过程接触尾门密封条之后，此阶段气体的泄漏面积仅包括固定泄漏面积。

本文通过重力势能等效替换气压阻效应的测试方法，得到了尾门关闭全过程两个阶段的气压阻效应消耗能之和；通过动能等效替换气压阻效应的测试，得到了尾门关闭第二阶段的气压组效应消耗能，两种测试方法的差值即为尾门关闭第一阶段尾门接触密封条之前固定泄漏面积与可变泄露面积同时存在时气压阻效应消耗能。

2、重力势能等效替换气压阻效应的测试原理

2.1 重力势能等效替换气压阻效应的理论依据

在车辆完整装配状态下，开启乘客舱四个侧开门至最大开度，此状态下乘客舱为完全敞开状态，可认为尾门关闭全过程中乘客舱均无气体压缩过程，因此该状态下的气压阻效应对尾门关闭无能量消耗，记录该状态下自由释放尾门可关闭至全锁位置的最小尾门开度为开度1位置。

关闭所有乘客舱侧开门至锁紧位置，且车窗玻璃均上升至全闭状态，此状态下尾门关闭过程中乘客舱产生气体压缩，气压阻效应对尾门关闭产生能量消耗达到最大，记录该状态下自由释放尾门可关闭至全锁位置的最小尾门开度为图1所示开度2位置。（注：为实现以上两种状态情况下尾门均可自动关闭至全锁位置，试验过程可采用特制小力值气弹簧，不影响测试结果准确性。）

图1 重力势能等效替换气压阻效应测试原理

在上述两个开度状态下，尾门关闭过程中密封条压缩反力消耗能量W1、缓冲块压缩反力消耗能量W2与锁体上锁消耗能量W3均相同，因此，此两个不同开度状态下重力势能变化量的差值即为尾门气弹簧消耗能量差值与气压阻效应消耗能量差值之和，即：

式中m为尾门质量，△h为开度1与开度2状态下尾门重心高度变化量，△W4为开度1与开度2状态下尾门气弹簧消耗能量差值。

2.2 不同开度下气弹簧消耗能量差值计算

图2 气弹簧压缩力-行程曲线

如图2所示，为尾门单侧气弹簧压缩力-行程曲线，尾门关闭状态下气弹簧行程为0，对应压缩力为F0，开度1位置气弹簧行程为11，对应压缩力为F1，开度2位置气弹簧行程为12，对应压缩力为F2。则开度1与开度2状态下两侧尾门气弹簧消耗能量差值△W4为图2中阴影区域梯形的面积的2倍，即：

2.3 尾门关闭全过程气压阻效应耗能表达式

将公式（3）带入公式（2）中，可得尾门关闭全过程中气压阻效应消耗能量为：

3、动能等效替换气压阻效应的测试原理

使用车门速度测试仪可对车辆进行尾门关闭速度的测量。测试设备安装方法为：在被测试尾门的下沿中线位置安装设备移动针，此针在尾门关闭过程中与尾门下沿中线位置以相同速度运动。把速度测试计安装在后保险杠上，调整好两者的相对位置，使得所测量速度为尾门恰好完全接触尾门密封条时的切向速度，并通过数据线连接速度显示器，显示器可显示移动针经过测量位置时的速度。

图3 动能等效替换气压阻效应测试原理

如图3所示，测试记录尾门由开度1位置释放经过速度测试仪的速度V1，尾门由开度2位置释放经过速度测试仪的速度V2，两个不同开度状态下尾门经过速度测试仪的动能之差即为尾门在关闭第二阶段仅存在固定泄漏面积时乘客舱气压阻效应的消耗能量，即：

式中L为速度测试位置距铰链轴线距离，d为尾门重心距铰链轴线距离。

公式（4）与公式（5）的差值即为尾门关闭第一阶段尾门接触密封条之前固定泄漏面积与可变泄露面积同时存在时气压阻效应消耗能量：

4、某小型SUV尾门气压阻效应能量消耗测试

针对某款小型SUV的尾门系统，采用上述测试方法进行数据测试后记录如表1。

代入公式（4）可得尾门关闭全过程气压阻效应的能量消耗为：

代入公式（5）可得尾门关闭第二阶段气压阻效应的能量消耗为：

代入公式（6）可得尾门关闭第一阶段气压阻效应的能量消耗为：

由此可知，该小型SUV的尾门关闭过程中第二阶段气压阻效应耗能占全过程气压阻效应耗能的89%，气压阻效应对尾门关闭的阻碍作用主要集中在尾门完全接触密封条之后，即只存在固定泄漏面积时的压缩过程。

表1 某小型SUV尾门系统测试数据

5、结论

本文通过能量转化的理论分析，提出了等效替换的气压阻效应测试研究方法，提供了一种通过可测试量求解不可测试量的气压阻效应耗能计算方法。通过理论推导与实车测试，计算得出某小型SUV尾门关闭过程中两个阶段气压阻效应的消耗能，该方法操作简便，应用广泛，具有较强的实用价值。

[1] 杨蕾.面向最优关门能量的轿车车门设计[J].机械制造,2006 (3):40～42.

[2] 高云凯.车门密封条消耗能量计算[J].同济大学学报(自然科学版), 2010,38(7):1069～1073.

[3] 张孟俊.轿车侧门系统关门能量研究与测试装置开发[J].汽车技术, 2014(11):11～15.

[4] 高云凯.基于Excel平台的车门气压阻效应计算软件的开发研究[J].汽车技术，2009(9):6～9.

Study On The Effect Of Air Pressure Resistance On The Closing Performance Of Tail Gate

Li Chaoshuai, Li Wei, Lin Sen, Yu Bo, Li Ruisheng
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute Closure Section., Liaoning Shenyang 110141 )

From the point of view of the energy conversion in the closing process of the tail gate system, a new method for calculation the energy consumption of the air pressure resistance effect in the closing process of tail gate is proposed. Based on the theoretical analysis of the effect of the gravitation potential energy of the air pressure resistance effect, the effect of the air pressure resistance effect was obtained when the fixed leakage area and the variable leakage area exist in the whole process of the closing. Based on the theoretical analysis of the effect of the kinetic energy equivalent replacement of the air pressure resistance effect, the effect of the air pressure resistance effect was obtained when only the gate was closed in the second stage. A simple and convenient method for testing the energy consumption of air pressure resistance effect was provided.

Air pressure resistance effect; Tail gate; Closing performance; Test method

U461.9

A

1671-7988 (2017)10-161-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.056

李超帅，就职于华晨汽车工程研究院。