汽车关门压耳感影响因素研究及优化

耿聪聪，康 明，许增满，蒋维琦，苏丽俐

（1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300162；2.北京汽车股份有限公司 汽车研究院，北京 101300）

1 研究现状

随着传统燃油车发展遇到瓶颈问题，电动汽车逐渐开始取代部分燃油车市场。目前，各大汽车公司基本全部具备电动车研发和生产资质。由于电动车没有传统发动机，路噪和风噪必然成为最重要的噪声源。为了更好地抑制风噪，首先需要有好的气密性作为保障，而提升整车气密性必然会引起明显的关门压耳感问题。鉴于此，纯电动汽车关门压耳感问题已成为亟待解决的振动、噪声及声振品质（noise vibration harshness，NVH）热点问题。当前，国内外在汽车开关门领域的NVH研究主要集中在声品质方面，只有少部分研究者对压耳感问题做了仿真研究，整车试验方面研究相对较少。Hamilton［1］分别研究了关门噪声品质的幅度、持续时间和频率成分等因素，获得了令人主观感受最舒适的关门声参考值。Petniunas等［2］通过分析关门声的响度和尖锐度，设计出了更加合理的车门结构。李淑英等［3］通过对限位器拉杆进行线性化处理，采用降低限位器滑块内弹簧刚度的方法降低关门力度。该方案成功减小了关门力，降低了关门响度，改善了该车型关门声品质。高云凯等［4］提出一种适用于瞬态问题的时频偏相干算法，该算法对某车型关门振动噪声的振源进行识别，分别从时域和频域的角度分析车门系统各部件对关门振动噪声的贡献。周加福［5］为便于计算汽车关门力中空气阻力，提出一种数值模拟和计算模型。高云凯等［6］推导和应用气压阻效应简化数学模型解决了汽车关门时气压阻效应难以定量计算的问题，并取得了较高的精度，为相关研究提供了理论依据。Lee等［7］运用动网格仿真的方法对关门过程进行了研究，发现车门关闭角速度对车内耳压影响较大。朱建华等［8］针对车门开关门感知质量问题，通过顾客感知质量调研、参考车对比分析和厂内车对比分析，确认了问题的存在并制定了合理的优化改进目标。综合比较各优化方案的质量、成本、时间、风险等因素，通过普氏分析，得到了最优解决方案。刘海琳［9］详细分析了车门关闭过程中空气压阻的形成原理及影响因素，并结合实际问题的解决，提出实用有效的减少空气压阻的改进方法。Shin等［10］利用伽玛通滤波器对信号作前处理提取关门声的量化信息，通过生理声学和统计信号处理的方法实现了对客车关门声品质的评价。张瑞［11］通过仿真的方法对泄压孔位置对关门耳压的影响进行研究，发现泄压孔的位置越集中越有利于降低压力峰值。于剑泽等［12］首次使用实际的车型及实测的车门关闭速度进行仿真分析，同时考虑车门与侧围的完全密封，为后续研究提供思路。周宗成等［13］通过对影响车门关闭力的因素的分析和研究，提出了基于气压阻力控制的改善车门关闭力过大的改善策略，并通过实车测试验证了改善策略的可行性。傅强［14］研究了车门质量、铰链、限位器、门锁、密封条和气压阻子系统对关门能量的影响。Li等［15］使用实验所测的最小关门速度作为输入条件，以SST k-ω湍流模型和理想气体作为物理模型，首次实现了实验与仿真的结合，且误差小于工程上要求的15%。尹培苗等［16］研究了影响车门关门力的主要因素、机理、降低车门关门力的设计要点、制造过程中的影响因素及装配过程中的影响因素，提出了汽车设计过程中降低车门关门力的思路。刘堃等［17］规范了车门关闭力评价方法，并通过能量法解决了车门关闭力过大问题。相龙洋等［18］发现关门时采用降低车窗的方案可以明显降低最小关门速度和车内耳压，解决了关门压耳感明显的问题。朱建华等［19］通过试验测量的方法和测量系统分析得到了准确有效的试验数据，通过数据拟合分析得出了整车气体泄漏量与关门力之间的定量关系，为改善关门力提供了参考。周双［20］利用虚拟样机技术在车门前期设计研发阶段建立多体动力学模型以分析车门关闭过程中的动力学特性，研究了影响旋转式车门关闭性能的主要因素，包括铰链、限位器、密封条、门锁、车门特性（铰链倾角、车门重力）对关门能量的影响及质心位置对旋转门最小关闭速度的影响规律，为旋转式车门的关闭性能研究提供理论与实际指导。苏丽俐博士团队通过汽车内流场仿真的方法对车内耳压模拟仿真，发现仿真结果与实际测试结果误差在15%以内，可用于汽车前期设计验证阶段。以上研究大多基于仿真分析，对整车状态下关门压耳感问题影响因素分析不够透彻，且仿真得出的解决方案并不能有效解决所有车辆关门压耳问题。

基于此，本文中通过对存在明显关门压耳感的某电动车型进行全面评价和分析，并通过仿真和试验的双重验证手段明确关门压耳感的影响因素，提出具体优化方向，为新车型开发提供参考。

2 关门压耳感影响因素理论分析

车门关闭过程中，空气被挤压进车厢而造成车厢内气压瞬间升高，人体耳膜内外气压差也瞬间增大，这种压差会通过神经系统传递至大脑，使人感受到压耳感。关门耳压的直接研究对象是控制体积内的气体，控制体积包括两部分：一部分是固定体积，主要指乘客舱内体积；另一部分是变化体积，主要指车门关闭过程中扫过的体积。

建立1个舱体模拟封闭乘客舱［21］，如图1所示。研究对象为控制体积（Vin+V2）内的气体，Vin为舱内固定体积，V2为车门关闭时通过的体积，V2=LR2θ／2，随关门角度变化，用A1模拟舱内的固定泄漏面积，包括泄压口、焊缝、车窗等。用模拟车门关闭过程中通过的面积A2=R（R+L）θ，随关门角变化，R为车门宽度；L为车门高度；θ为关门角。

图1 乘客舱简化模型示意图

关门过程中，空气被车门压进舱内，根据空气质量守恒定理，建立如下微分方程：

式中：ρ为空气密度；V为流出的空气体积；ve为空气泄漏速度；Ae为泄漏面积，Ae=A1+A2，整理方程（1）得：

根据气体等熵变化过程可知：

式中：c为等熵指数，空气的等熵指数c=7／5；Pa为大气压强，Pa=101 300 Pa；ρa为大气密度，ρa=1.225 kg/m3。

对式（3）两边求微分，得：

将式（2）代入式（4）中，整理得到：

式（5）表示车门关闭过程中舱内压强变化率，可以明确解释车门关闭过程中，整个乘客舱内气体压强变化的物理过程。d P1表示车门关闭过程中乘客舱泄漏的单位体积；d P2表示车门关闭过程中被压进乘客舱内的体积。由于车门关闭过程中控制体积逐渐变小，所以体积变化率为负值。

根据理想气体伯努利方程，得到气体泄漏速度表达式为

将式（6）代入式（5）中，整理后得到：

在实际工程研究中，关门角速度变化对应的是气压波动变化，故将体积变化率转化为角速度变化率：

当车门关闭时，乘客舱内系统会打破原有气压平衡状态，但在经过弛豫时间τ之后，乘客舱内气体可以达到新的平衡状态。弛豫时间与声速成反比，与乘客舱长成正比，故数量级为：

因此，在计算中取时间步长为10-3s，认为整个乘客舱内各个位置压强相同。关门过程中，当θ≥14.44°时，P=Pa，那么在关门过程中任意时刻舱内压强为：

3 关门压耳感基本影响因素试验分析

3.1 关闭不同车门对关门压耳感影响分析

由表1可知，同一测点下，关闭前门比关闭后门时车内关门压耳感明显，关闭同一位置的左右两侧车门时，关门耳压无明显差异。鉴于此，解决车辆关门压耳感问题，一般关注关闭前门对车内气压波动影响。

3.2 车内载客情况对关门压耳感影响分析

由表2可知，车内不同载客数量对关门压耳感略有影响，但主观感受差异不大，因此，解决车辆关门压耳感问题时，只要保证前后状态一致，无需考虑车内载客数量对车内耳压的影响。

表1 关闭不同位置车门时车内耳压 Pa

表2 不同载客数量车内关门耳压 Pa

4 关门压耳感影响主要因素试验分析

本文中所研究的关门声品质问题针对当车门以1.2 m/s的速度关闭时，车内压耳感明显的问题，特别是右后乘员位置处。

对车关门压耳感问题相关影响因素进行全面试验分析，主要试验采集分析设备包括关门耳压测试人工头、关门速度仪等，将关门耳压测试人工头布置于右后乘员座椅，在门锁处布置关门速度仪，关门耳压测试人工头布置如图2所示。

图2 关门耳压测试人工头布置图

对测试结果进行时频分析后，发现关门耳压能量主要集中在50Hz以下，该频率段恰好是人体敏感频率段，分析结果如图3所示。关门耳压波动曲线如图4所示。

图3 关门耳压图

图4 关门耳压波动曲线

4.1 空调系统对关门压耳感影响分析

4.1.1 空调循环模式对关门压耳感影响分析

通过测试对比空调吹面内外循环两种模式关门耳压发现：空调处于内循环模式时，关门压耳感比外循环明显；在封堵泄压阀的前提下，内循环关门耳压远大于外循环，说明空调循环模式对关门压耳感有较大影响。换言之，空调系统气流管道是关门时车内气体排出的主要途径之一，测试结果如表3所示。

表3 空调内外循环模式关门耳压和整车气密性

4.1.2 空调鼓风机送风量对关门压耳感影响分析

通过对空调吹面模式外循环模式下鼓风机不同挡位关门耳压的测试可知，随着鼓风机送风量的增加，关门耳压明显增大，主观感受压耳感较大，测试结果如图5所示。

图5 鼓风机不同送风量关门耳压测试结果

4.2 关门速度对关门压耳感影响分析

试验车在车窗关闭的正常状态下的最小关门速度为0.92 m/s，虽然满足前期开发对关门速度的目标要求（0.7～1.2 m/s），但在车窗关闭状态下，不同关门速度对关门耳压有一定影响。从测试结果可以看出，关门耳压峰值与关门速度成正比，关门速度越大，关门耳压峰值越大。因此，在车辆开发过程中，为降低关门速度对关门耳压的影响，要尽可能保证以较小的关门速度完成车门完全关闭，测试结果如图6所示。

图6 关门速度与关门耳压峰值的对应关系

4.3 整车气密性对关门压耳感影响分析

一般情况下，车辆关门时被车门挤压进去的气体大部分通过泄压阀和空调进风口排出，也有一小部分通过车辆一些密封不严的孔缝排出，这就是气密性对关门压耳感的影响问题。可以通过封堵整车泄露点验证气密性对关门耳压的影响，测试结果如表4所示。从测试结果可以看出：与车内空气直通的泄露点对关门耳压影响较大，底盘件焊缝、天窗漏液孔等比较隐蔽的泄露点对关门耳压影响较小。

表4 整车气密性对关门耳压的影响

4.4 气流通道对关门压耳感影响分析

在关门过程中，车门将气体压到车内，大部分气体通过泄压阀排出，而气流在通过泄压阀之前需要通过后侧围内饰板。后侧围内饰板对气流通道的通畅性有很大影响，同时泄压阀开口大小对关门压耳感也有较大影响。

分别验证后侧围内饰板和泄压阀阀体对关门耳压的影响。通过测试数据可知，拆掉侧围内饰板后关门耳压峰值降低了26 Pa，车内关门压耳感不明显。分别将单侧泄压阀和双侧泄压阀拆掉，关门耳压分别降低了11 Pa和23 Pa，说明后侧围内饰板及泄压阀对关门压耳感有较大影响，测试结果如表5所示。

表5 车内气流通道对关门耳压的影响 Pa

5 优化方案及验证

针对作为关门压耳感主要影响因素的后侧内饰板气流通道，在后侧围内饰板泄压阀位置做一定开孔处理。为避免车外噪声通过泄压阀通气孔进入车内而引起整车车内噪声增大，通过整车流畅分析和主观评价找出最佳开孔面积，开孔效果如图7、8所示。

图7 后侧围内饰板通气孔数模图

图8 后侧围内饰板开孔实物图

以CATIA数模为基础建立网格模型，利用CFD软件Star-ccm+模拟车门旋转过程中车内的压力场变化情况。在后侧围内饰板两侧分别开10 000、15 000、20 000 mm2通气孔进行仿真和试验分析，分析结果如表6所示。

表6 车内耳压仿真和试验结果 Pa

由表6可得：①车内耳压仿真分析结果和测试结果误差在10%以内，可通过仿真分析预测关门耳压；②10 000～20 000 mm2通气孔时车内耳压差别不大。考虑到10 000mm2的通气孔对减小车内噪声的贡献明显比20 000 mm2时大，因此可将10 000 mm2通气孔作为最终优化方案。

6 结论

1）关门耳压主要影响频率在50 Hz以下。

2）车门关闭过程中车内耳压变化机理：在关门瞬间，车内耳压瞬间升高，达到最大值，此时泄压阀打开自动泄压，待泄压达到一定量时车内气压达到负压，泄压阀关闭，车内气压恢复正常。

3）空调内外循环、空调鼓风机风量、关门速度、整车气密性和车内气流通道均有关系，其中是气流通道主要影响因素，且易实现工程化优化。

4）通过在后侧围内饰板增加通气孔，使车内泄压更通畅，既可以解决关门压耳感的问题，又能保证适当的关门力和最小关门速度。