整车关门耳压性能特性研究
2020-06-11关鹏潘雷顾彦
关鹏 潘雷 顾彦
摘 要：关门耳压感是影响人对车辆主观感受的重要NVH性能之一，其评价目标及分析方法在车辆开发早期至关重要。通过主观感受与试验测量的对比分析，将乘员舱压力峰值作为耳压设计的目标参数。建立两腔计算模型，应用数值计算方法分析计算，结果显示，压力曲线与试验基本吻合。基于峰值压力目标的两腔模型计算，模型简单，计算速度快且主客观结果一致性高，可应用于车辆早期开发阶段。
关键词：关门耳压;峰值压力;两腔模型
中图分类号：U462.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）10-177-04
Research on Vehicle Ear Pressure Performance Character of Slamming Door
Guan Peng， Pan Lei， Gu Yan
（ Vehicle Integration Department， Technical Center of SAIC Motor， Shanghai 201804 ）
Abstract： The performance of ear pressure is one of important subjective experience of vehicle NVH. Its evaluation and analysis method are important in the early stage of vehicle development. Through the comparative analysis of subjective experience and experimental measurement， the cabin peak pressure is taken as the target parameter of ear pressure design. The two-cavity model is established， and coded with numerical calculation. The results show that the pressure curve is in good agreement with the experiment. The advantage of two-cavity calculation is simple， efficient and consistency with subjective experiment. The method can be applied in early stage of vehicle development.
Keywords： Ear pressure; Peak pressure; Two-cavity model
CLC NO.： U462.3 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）10-177-04
前言
耳壓感的产生普遍存在于各种交通工具使用的环境当中，例如飞机的起降，高速列车进出隧道以及车辆关门的过程中。导致其产生的原因是人耳鼓膜两侧的压差使得鼓膜变形，进而出现耳压感。以整车关闭车门过程为例，关门时乘员舱压力升高，鼓膜内侧压力小于外侧，耳压感产生。由于该主观感受的大小会直接影响乘客对该车舒适性的评估，所以该性能逐渐成为影响关门声品质提升的主要因素之一。耳压感是一种主观感受，同时也是客观现象。将主观感受与客观物理量相统一，不仅能够为车辆初期设计给出明确目标，同时还可以对于该现象背后所存在的物理规律给出合理的解释。
本文通过将试验测量数据与主观感受的对比分析，提出耳压感性能评价的目标参数。并在此基础之上提取影响目标参数的主要因素，建立两腔计算模型。经过计算与试验的分析验证表明， 该方法具有建模简单、计算速度快及准确性高等特点。适用于车辆开发早期阶段的耳压感评估及优化。
1 目标参数确定
人耳的结构如图[1]（1）所示。鼓膜位于中耳腔与外耳道之间，当耳膜两侧的出现压力差时，耳压感随即产生。连接鼻咽腔的咽鼓管处于常闭状态，当外耳道压力小于中耳腔，咽鼓管会自动打开;当外耳道压力大于中耳腔，咽鼓管需吞咽才能被动打开，调节鼓膜两侧压力[2]。车门关闭的过程中，乘员舱压力逐渐升高，外耳道与周围环境相通，从而随之升高。由于该过程非常短暂（0.4秒左右），所以需被动打开的咽鼓管尚未打开，当压差达到一定阈值，耳压感产生。如何用试验测量值评估耳压感，国内外学者对此进行过相关的研究，主要因素（即目标参数）可归纳总结为以下几类[3]：压力幅值，压力变化率，瞬变压力重复和作用的时间等。本文 将通过试验与主观评测结果，确定目标参数。
1.1 试验内容
1.1.1 试验设备
试验设备主要由三部分组成：1.用于测量关门速度的关门速度传感器，如图（2a）。该传感器布置在车门锁扣处，主要用于测量车门在关闭前锁扣处的瞬间线速度。2.压力传感器（两个），如图（2b）。试验过程中该传感器分别布置在主驾人耳侧及泄压阀附近，可监测乘员舱内整个关闭车门过程中压力变化的数值。3.车门及泄压阀开关监测仪，用以监测泄压阀与车门的同步性[4]。
1.1.2 数据采集
选取不同类型车辆，不同速度下测量乘员舱压力，并全程记录压力数值变化曲线，该过程约2～3秒。
1.2 主观评测
主观评测是关门耳压性能主观评价的关键步骤，影响评价结果的有效性及合理性。主观评测的方法主要有排序法、等级评分法、数值估计法、语义细分法和成对比较法。根据本试验的具体情况，本文选择简单易行且效率高的等级评分法作为主观评测方法。
1.3 参数确定
压力随时间变化曲线如图（3）所示，此处将峰值压力所对应的时间设为0，可便于多条曲线对比。关门信号显示，在关门的瞬间，舱内压力达到峰值。A，B，C为主观评测时不同峰值压力的测量值。
通过车辆在不同关门速度下的多次试验，可以看出峰值压力与主观评测结果更趋一致如表（1）所示。故将峰值压力作为目标参数。
2 两腔模型计算
关门过程中乘员舱压力变化的仿真分析，目前主要使用三维流体分析软件完成[5，6]。使用三维仿真分析的优势在于计算结果直观，能够动态观察流场及压力场在空间分布的情况，同时能够检测空间中任意点的物理变化量。其不足在于，需要详细的模型数据，而此类数据要在车辆开发后期才能提供。最主要的是此方法建模复杂，计算资源要求较高，较难满足车辆开发前期的优化需求，而一维仿真分析方法[7]可以克服上述不足。
2.1 模型建立
两腔计算模型的建立是将影响乘员舱关门耳压的主要因素抽象为几个具体参数，以压力为目标函数，通过物理方程建立其它参数与之聯系，最终得到压力随时间变化的规律。
以本计算为例，两腔计算模型如图（4）所示。其中车内空间划分为V1，V2两部分。V1为乘员舱区域，V2为泄压阀附近且与乘员舱之间由内饰阻隔区域。且V1与V2之间有面积为A12的孔相连通。由H与R组成的矩形面积为车门的简化模型，开度为θ，高为H，半径为R。V2腔体与大气联通域的面积为A22（泄压阀）。关门过程中，气体经V1腔通过A12进入V2腔，并由泄压阀（A22）进入车外大气环境。建立V1与V2两腔体之间的联通域，是因为在实车状态下，泄压阀与乘员舱之间通常会有内饰的阻隔，且该阻隔的等效联通面积会影响乘员舱压力的峰值。此外，两腔模型的建立还可以拓展为内饰更为复杂的三腔甚至多腔模型。
2.1.1 两腔模型
经推导，两腔压力的微分表达式如下：
其中，p为舱室压力，ω（t）为关门角速度。
联立（1），（2）两式，可得舱室压力。
2.1.2 泄压阀建模
上述方程中A22即为泄压阀的等效泄漏面积，其值可由试验测量结果确定。试验结果为不同压力对应的体积流量，通过方程（7）可以得到不同压力对应的等效泄漏面积，公式如下：
其中，AF为体积流量。
据某款泄压阀试验数据，可得到不同压力下的等效泄压面积，如图（5）所示。A22的等效泄压面积随着压力升高逐渐增大，当达到一定压力后，该值保持不变。
2.2 试验验证与分析
2.2.1 内饰隔板对峰值压力的影响
以某量产车型为例，乘员舱与泄压阀之间的阻隔主要来自泄压阀附近的开孔内饰隔板。试验中分别保留及拆除该内饰隔板如图（6），试验工况为三个不同的关门速度1.5m/s、1.7m/s，2.0m/s。
记录乘员舱压力变化过程，并提取峰值压力，结果如图（7）所示。
图（7）的试验数据经整理，如表（2）所示。随着关门速度的增大，有无隔板对乘员舱峰值的影响随之增大。
2.2.2 两腔计算与试验结果比较
两腔计算所需的参数如腔体的体积，门的面积和关门半径以及联通域面积等，可以通过数模获取。车门初始的开启角度对于计算结果影响较小，本例以300为初始角。泄压阀等效面积可以通过试验结果分段拟合。以1.5m/s工况为例，图（8）是仿真与试验压力曲线的对比，乘员舱压力变化过程曲线与试验结果基本一致。
从表（3）可以看出，三种工况计算与试验的峰值压力结果误差小于5%。
3 主要影响因素分析
根据方程（11），（12）可以看出，艙室容积、门面积以及关门速度的增大，压力峰值将会增大;泄压阀及两腔联通面积的增大，压力峰值将会减小。工程设计中可优化的主要参数为关门速度，两腔间的联通面积以及泄压阀的大小，本文将研究以上三个参数对舱室峰值压力的影响。
3.1 关门速度的影响
根据试验并结合仿真分析如图（9）所示。该图显示关门速度在区间1.0～2.0m/s范围内，峰值压力与关门速度成正比，即随着关门速度的增加，峰值压力以25Pa/（0.1m/s）线性增加。因此，降低最小关门速度，是有效减小关门耳压感的重要手段之一。
3.2 两腔间联通等效面积的影响
两腔之间的等效面积（A12）可以用来衡量泄压阀与乘员舱之间的通路受内饰件影响的程度。本文以1.5m/s的关门速度为例，调整该参数，考察其对峰值压力的影响。如图（10）所示，联通域等效面积越小，峰值压力对面积的变化越敏感;联通域等效面积达到一定值后，边际效应出现，即增加联通域等效面积将不会影响峰值压力的变化，此刻对应工况为去除内饰隔板的压力峰值。因此，优化设计两腔间的等效面积，尽量避开峰值敏感范围，可以有效的降低耳压感。
3.3 泄压阀的影响
泄压阀的主要作用是平衡乘员舱内的压力，其等效面积
将直接影响到乘员舱峰值压力。本文将三种常用泄压阀对舱内峰值压力的影响进行对比，如图（11）所示。在保证乘员舱与泄压阀通道畅通的情况下，泄压阀等效面积与乘员舱峰值压力成反比。但泄压阀的选用需要兼顾空调及NVH性能及成本的要求，平衡利弊，合理选用。
4 结论
本文通过主观评测与客观试验数据分析相结合的方法，将乘员舱峰值压力作为关门耳压感评估的主要参数。采用两腔计算的仿真分析方法，取代建模复杂，耗时长且精度低的三维计算。经试验数据验证，两腔计算模型建模简单，耗时短，精度高，适合车辆前期开发阶段关门耳压感性能的评估与优化。
在此基础之上，对影响关门耳压性能的主要因素进行分析，结果显示：
（1）关门速度与峰值压力成正比，速度每增加0.1m/s，压力增加25Pa。降低最小关门速度是有效降低耳压感的手段之一。
（2）乘员舱与泄压阀之间的等效联通面积影响泄压阀的性能，该面积同时存在敏感区与边际效应区。内饰的布置需留出相关区域，满足舱内空调及关门耳压性能需求。
（3）泄压阀是舱内与外界压力平衡的主要通道，其等效面积的大小与峰值压力成反比。选用不同型号的泄压阀，需考虑对空调及整车NVH的影响。
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