汽车关门耳压感分析

马利宇 张小矛 邬文睿 陈 明 徐 政 牛志鹏

(1.上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804；2. 上海市汽车动力总成重点实验室，上海 201804)

0 前言

关门耳压感是由车内瞬态压力波动引起的。在车门关闭的过程中，由于大量气体突然涌入乘员舱导致舱内气压突增，人耳鼓膜两侧的压力差会使鼓膜变形，此时乘坐人员会感到“耳压感”。关于流场内压力变化对人耳舒适度的影响，根据参考文献[1]中的评估方法可知，人耳舒适度与流场内人耳处的瞬态压力峰值呈负相关。

目前，关于关门过程中的耳压感的研究较少。2011年，Y L LEE和S H HWANG[2]使用Fluent软件的动网格功能研究了乘员舱内压力与关门角速度、车身气体泄漏量的关系，结果表明，压力峰值与关门角速度线性相关，并且可以通过降低关门角速度和增加车身气体泄漏量的方法来降低乘员舱内压力。SHENG L 、CUNFU C 、 XINGJUN H 等[3]研究了某商用车关门过程中的舱内压力，发现关门速度与等效泄压孔对舱内压力影响较大，门的初始开启角度对舱内压力基本无影响。

在上诉仿真研究中，未在计算中引入泄压阀模型，与真实车况有所差别，无法在设计早期评估泄压阀泄压能力。本文以某SUV为研究对象，在计算中引入泄压阀模型，基于STAR-CCM+软件中的morpher功能，研究了关门角速度、泄压阀大小、同侧玻璃下降，以及车门面积与乘员舱体积比值对舱内流场瞬态压力的影响。

1 模型建立及数值仿真

关门耳压感评估目前主要依赖试验测试，并在实车上进行评估。随着计算流体力学(CFD)的发展，数值仿真逐渐被应用到早期设计中。在车身设计初期，通过对关门过程进行评估，进行快速优化，可加快开发进度。

1.1 数值的计算方法

图1 关门耳压仿真模型

关门耳压仿真采用某SUV为研究模型，如图1所示。试验中，假定车辆位于空旷路面，为节省计算时间同时保证计算精度，设定计算域为一个长6 m、宽4 m、高2 m的矩形。乘员舱内部模型中包括了挡风玻璃、方向盘、座椅等详细特征。在保证计算结果的前提下，对局部细小特征进行简化处理。模型采用多面体网格，最小面网格尺寸为4 mm，网格总数约为100万个。乘员舱内部体积为3.74 m3，左前门面积为0.85 m2。文献[3]中显示门初始开启角度对结果影响很小，本文统一设定为40°。

将计算域外表面设定为压力出口，汽车内外表面以及地面设为壁面边界，为模拟泄压阀的泄压作用，将泄压阀安装孔定义为质量流量边界条件，数值的大小使用自定义函数，计算中通过监测泄压阀区域的压力，可以通过模拟泄压阀的空气流量而获得，本文泄压阀输入特性如图2所示。

图2 泄压阀输入特性

由于门的运动，门区域的网格会出现变形，为保证计算收敛，计算采用STAR-CCM+软件中的morpher[4]功能结合网格重构，保证网格质量。当门完全关闭时，门与门框之间的间隙为0°，数值上无法实现，故设定门与门框间隙为0.5°时，将间隙边界条件改为壁面，保证无气体从门框泄漏。

计算采用K-Omega湍流模型，在门关闭过程中，大量气体短时间内被压进乘员舱，故气体采用可压缩理想气体假设。

2 试验验证

图3 试验设备示意图

为验证本文计算方法的合理性，并量化压力值的仿真结果，对关门过程中内流场压力值进行了测试，试验设备如图3所示，在左前门锁体正对着的车门外板上安装速度传感器，后排座椅位置放置压力传感器，可以测得不同关门速度下测点压力的变化。

表1为关门角速度为1.2 rad/s时，仿真与试验结果压力峰值对比，仿真结果与试验结果相吻合，误差为7%，精度处于可接受范围以内，满足工程需求。

表1 测点压力峰值对比

图4为仿真与试验测点瞬态压力对比，可以看出两者趋势与走向一致，故可用本计算模型进行仿真分析。

图4 仿真与试验测点瞬态压力的对比

3 计算结果与分析

3.1 不同关门角速度的影响

研究了压力随时间变化与关门角速度的关系，图5分别为关门角速度为1.2 rad/s、1.5 rad/s和3 rad/s时，测点的瞬态压力变化曲线。当关门角速度为1.2 rad/s时，压力峰值为108 Pa，当关门角速度上升为3 rad/s时，压力峰值快速增长至194 Pa，结果增加近80%。主要原因是随着关门角速度的增加，更多的气体被“推入”乘员舱，导致舱内气体质量增多。

图6示出了压力峰值与关门角速度的关系。随着关门角速度的增大，峰值压力接近线性增加。对于汽车的生产设计而言，可以通过增加控制装置来限制关门角速度，从而获得较好的乘坐体验。

图5 不同关门角速度测点瞬态压力对比

图6 不同关门角速度测点压力峰值

3.2 不同泄压阀大小的影响

研究了不同泄压阀大小对瞬态压力变化的影响，泄压阀的大小决定了同样压力下通过泄压阀的气体流量，不同泄压阀对比见图7。同样压力下，通过泄压阀B的气体流量为泄压阀A的2倍。图8为关门角速度为1.5 rad/s时，安装不同泄压阀后测点的压力变化，结果显示，将泄压阀增大后，测点压力峰值由138 Pa降低至124 Pa，下降10%，而且压力恢复到0的时间变短。主要原因是泄压阀增大后，关门过程中通过泄压阀流出乘员舱的气体流量增加，减小了乘员舱内气体总质量。

图7 不同泄压阀输入特性对比

图8 安装不同泄压阀测点瞬态压力对比

3.3 同侧玻璃下降的影响

在关门过程中，压力峰值大小与整车是否可以合理泄压存在一定关系，如果将玻璃在关门过程中下降一段距离，等于增加了气体泄漏路径。

研究了同侧玻璃下降对关门过程中内流场压力的影响，如图9所示，同侧玻璃下降30 mm，压力峰值由138 Pa降低至52 Pa，下降约62%。

图9 玻璃下降对测点瞬态压力影响

但玻璃下降方案会导致关门声品质下降，故是否选用，需进一步评估。

3.4 车门面积与乘员舱体积比值的影响

为评估车门面积与乘员舱体积比值对压力变化的影响，选取某2座小车仿真结果作为对比。表2为计算模型参数，该2座小车是典型的“小车大门”结构，其车门面积与乘员舱体积比值为0.47，约为某SUV的2倍。

表2 计算模型参数

图10为两辆车仿真结果的对比，在关门速度一致的前提下，该两座小车测点压力峰值为322 Pa，约为SUV的2.3倍。

车门面积与乘员舱体积比值大的车更容易存在耳压感风险，主要原因是在门关闭过程中，一方面车门面积大导致更多的气体被“推入”乘员舱，因此舱内气体质量增加，另一方面乘员舱体积较小导致气体受压缩程度更大。

4 结论

采用三维CFD方法计算了关门过程中乘员舱瞬态压力的变化，结论如下：

(1)关门角速度强烈影响着压力峰值的大小，且随着关门角速度的增大，峰值压力近乎呈线性增加。因此，降低关门角速度是降低压力峰值，从而降低关门耳压感的有效手段。

(2)泄压阀泄压能力增加一倍时，测点压力峰值下降10%，因此，合理选择泄压阀大小可以降低耳压感。

(3)玻璃下降方案可有效降低压力峰值大小，但会导致关门声品质下降。

(4)车门面积与乘员舱体积比值大的车更容易有耳压感风险。

综上所述，车门面积、乘员舱体积的大小和关门速度决定了关门过程中舱内流场压力峰值，进一步决定了是否存在耳压感，而采用大泄压阀和玻璃下降的手段本质上都是增大了气体泄漏的途径，建议在整车设计中，根据车门面积与乘员舱体积比值和关门速度对应选择大小合适的泄压阀，以及判断是否需要采用玻璃下降这种方法进行泄压。