汽车车门闭合力分析研究

张映红 刘国弟 汪建安 王毅 徐勇

摘 要：汽车车身设计在整车设计中有举足轻重的作用，而车门的设计又是车身设计中的一个难点和重点，如何判断车门结构的合理性，设计和优化车门系统，是一项非常重要的工作，文章详细研究了车门系统设计的整个过程，为后续车型车门系统设计开发提供了参考和依据。

关键词：车门设计；闭合力；优化

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-231-03

Abstract： Automobile body design plays an important role in the design of the whole vehicle， and the design of the car door is a difficult and key point in the design of the car body. How to judge the rationality of the door structure and design and optimize the door system is a very important work. This paper studies the whole process of the door system design in detail， which provides a reference and basis for the design and development of the door system of the following car models.

Keywords： Door design； closing force； Optimization

CLC NO.： U462 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-231-03

前言

在汽车行业闭合件为车门系统含四门两盖，在车身设计中是一个相对独立的模块，其贯穿整车设计的始终。从前期的市场调研，选型同类对标车，到效果图定稿，CAS面的输出到主模型架构完成[1]。

在轿车车门的工程设计中，闭合力设计始终是一个难点，如果设计不好，或出现闭合力過大，或出现漏风漏雨、车内噪声值过高等问题[2]。J.D.POWER的新车质量调研结果显示，开关门力超重始终是顾客抱怨最多的质量问题之一[3]。

本文采用关门速度评价方式进行闭合性能研究，通过理论分析结合CAE计算模拟给出分析结论。

1 门闭合力影响因素分析

空载且门窗均关闭的状况下，车门上的A 点，通过B位置时，恰好能使车门关闭所达到的速度称为车门关闭速度，用符号V 表示，A点为“门外把手”水平中心线上方60+5mm的门边缘处，B位置为车门打开时，A点距离其关门时相应位置A'点的直线距离为60+5mm处，其示意图如图[4]：

2 门闭合力的设计

门闭合力设计流程：

2.1 设定车门闭合速度目标

结合实际车型情况，合理制定各门闭合速度，推荐闭合速度：V≤1.2m/s；假设对前门和后门使用相同的速度关门，我们能否将门给关上，针对此问题做推算（假设铰链、密封条、空气阻力不计的情况下），前后门均以V=1.0 m/s的速度，M1=29.4kg（前），R1=0.515m，R2=1.002m， H1=0.507268m，H2=0.505364m；根据动能公式： ；门质心位置及转动惯量得出门的动能提供量： 门从关闭测量位置到关闭位置，势能提供能量： 根据动能公式和势能公式，前门从关闭测量位置到关闭位置，动能和势能共提供能量计算得： ，若后门也用V=1.0 m/s速度关门，M2=24.1 kg（后），R1'=0.443m，R2'=0.9442m，H1'=0.507268m，H2' =0.505364m，此速度具备的关门能量为： ，若对影响前后门闭合力的其它因素进行等效设定：即前后车门铰链、轴线同轴度、限位器，门锁及其它未知（如空气流通）消耗能量基本相同，设为E其它因素。则前门能量与后门能量的比值为：

E前门能量/ E后门能量= 1.57倍，考虑到其它因素消耗的能量后，其剩余给密封条的能量比值为：E前门能量-E其它因素）/（E后门能量-E其它因素）>1.57倍，而前门密封条长度3350mm，后门密封条长度3100mm，如果密封条单位长度消耗能量相同的话，则前后门密封条消耗的能量比值为：E前门密封条消耗/ E后门密封条消耗= 1.08倍；

由上述定性计算可知，前后门关门速度相同，则前门提供给密封条消耗的能量情况优于后门；后门在其它因素都不改变的情况下能够关上，只能提升关门速度，因为后门的闭合速度总是比前门要高些。

2.2 闭合力影响因素

影响门闭合力的因素很多，我们主要从结构布置和能量耗损两个方面进行考虑，能量消耗或增加类因素包含铰链、限位器、车门重心升降、气压阻、密封条等，在设计和优化过程中需要考虑其结构对闭合力的影响。

2.3 计算门闭合力所有因素的能量消耗值

2.3.1 密封条阻力

假定密封条在小变形范围内为线性弹性变形，密封条的弹性系数为km，按照车身设计规范，密封条的压缩量s≤10mm，沿密封条周长方向受力均匀，在密封条长度L上，密封条在压缩面量S（m）下，△Li足够小时，所有n段所产生的阻力所做的总功为Pm可视为：

2.3.2 气压阻力

车门在压缩驾驶室空气的瞬间位移量很小，可以假定过程运动是近似的平动过程。

设驾驶室容积空间内的空气为理想气体，则根据工程热力学理想气体状态方程可得：

P0为标准大气压；Pi车门关闭时驾驶室容积空间内气体压力；V0为车门关闭前驾驶室容积空间（密封条为未压缩空间）；Vi为车门关闭后驾驶室容积空间（密封条已被压缩）；车门迎风面积为A0密封条压缩量为Si，则：

2.3.3 车门运动阻力

车门运动阻力总功为密封条变形阻力和气压阻力所做功之和，表达式如下：

计算得出关闭车门所需克服的阻力越大，车门关闭力越大，驾驶室内空气压缩比例越小，关门越轻便，密封条被压缩距离越大，车门关闭力越大。

2.4 预设密封截面结构，初步确定密封条压缩特性曲线

密封截面的结构设计，可以参照已有车型，或沿用密封条所对应的结构，压缩特性曲线可以由供应商提供。

2.5 密封截面设定，对密封条进行CAE分析

根据密封截面各尺寸的设定，对密封条进行CAE分析，其内容主要針对以下过程：

a.关门过程中，密封条的状态变化及应力分布；b.关门过程中，密封条的反作用力变动范围；c.关门后，密封条对钣金的密封面积，或称为压覆面积。

2.6 根据模拟结果，调整各处密封截面结构

针对模拟结果，主要考察两方面是否满足：

a.压覆面积是否满足密封要求；b.密封条反作用力所消耗的能量是否小于或等于预分配值。如不满足，优先调整密封截面形状，使之兼顾密封条压覆面积和反作用力的要求；如仍无法解决问题，则可以适当调整密封条压缩特性曲线。

3 总结

通过对设计的试制结果看，其闭合力设计技术是可行的，车门闭合速度均在允许范围内，达到了预期的设计目标。

参考文献

[1] 陈宇.汽车车门的设计研究[D].湖南.湖南大学.硕士论文.2014.11.

[2] 李春芳.左春柽.车门闭合力研究若干问题的综述[J].机械管理开发.2011.8.

[3] Raviray Nayak， Kee Im， Optimization of the side swing door closing effort[J].The society of Automotive Engineers Intem-ational， 2003， （1）：871.