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        汽車滑移門關(guān)門力影響研究

        2021-12-29 11:57:16周杰陳眾李濤
        汽車零部件 2021年12期
        關(guān)鍵詞:壓阻密封條關(guān)門

        周杰,陳眾,李濤

        (泛亞汽車技術(shù)中心有限公司 ,上海 201201)

        0 引言

        隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,車門關(guān)門力成為客戶滿意度的重要指標(biāo),POWER中也有專門的一項(xiàng)對(duì)新車的關(guān)門力進(jìn)行調(diào)研。隨著國內(nèi)汽車開發(fā)能力的不斷提升,主機(jī)廠聯(lián)合高校對(duì)汽車關(guān)門時(shí)所需能量進(jìn)行了深入的理論分析,并開發(fā)了關(guān)門力分析軟件,可以在項(xiàng)目開發(fā)階段對(duì)車門的關(guān)門力(使車門從開啟狀態(tài)到完全關(guān)閉所需的最小能量)進(jìn)行預(yù)判和問題原因分析,從而有效地控制關(guān)門力,提升客戶滿意度[1]。

        目前市面上中大型多用途汽車(MPV)的側(cè)后門一般采用滑移門,其沿著導(dǎo)軌軌跡滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)車門的開關(guān),相比旋轉(zhuǎn)車門,其運(yùn)動(dòng)原理完全不同,使得旋轉(zhuǎn)車門的關(guān)門力分析方法不能應(yīng)用到滑移門開發(fā)中。而且中大型MPV的車門尺寸及質(zhì)量較大,客戶關(guān)閉車門時(shí)更加費(fèi)勁,因此有關(guān)滑移門的關(guān)門力抱怨一直存在。

        通過多款滑移門車型的開發(fā),發(fā)現(xiàn)密封條和緩沖塊是滑移門關(guān)門力大的主要影響因素之一,文中通過系統(tǒng)的理論分析和實(shí)車測(cè)量校核,探討了密封條、緩沖塊和間隙控制對(duì)滑移門關(guān)門力影響的快速計(jì)算方法,從而制定了合理的滑移門密封條斷面和CLD要求,以及合理的緩沖塊干涉和剛度要求,在滿足密封、定位性能的同時(shí)降低對(duì)關(guān)門力的影響。

        1 滑移門關(guān)門力影響因素簡介

        汽車滑移門系統(tǒng)由門鈑金、導(dǎo)軌、滾輪支架、門鎖、密封條、輔助定位系統(tǒng)等零部件組成,如圖1所示,滑移門通過滾輪支架在上、中、下3根導(dǎo)軌內(nèi)滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)。

        圖1 滑移門相關(guān)零件爆炸圖

        滑移門關(guān)閉時(shí),需要克服乘客艙內(nèi)空氣被壓縮的阻力,以及密封條、門鎖、緩沖塊、定位扣等零部件接觸或壓縮產(chǎn)生的反力,因此客戶在關(guān)門時(shí),需要提供足夠的能量來克服這些反力,當(dāng)客戶需要提供非常大的能量才能關(guān)閉車門時(shí),就會(huì)感到費(fèi)力,從而引起客戶不滿[2]。影響關(guān)門力的因子如圖2所示。

        圖2 滑移門關(guān)門力影響因子

        2 滑移門關(guān)門力影響分析

        汽車滑移門關(guān)門力可以分為空氣壓阻和系統(tǒng)阻力兩大部分,其中空氣壓阻主要是由于滑移門關(guān)閉時(shí),乘客艙內(nèi)的空氣不能順暢地排出被壓縮,從而產(chǎn)生反力阻礙車門關(guān)閉。根據(jù)某MPV車型的實(shí)際測(cè)量,發(fā)現(xiàn)空氣壓阻對(duì)關(guān)門力的貢獻(xiàn)與系統(tǒng)阻力基本呈現(xiàn)1∶1的關(guān)系,因此當(dāng)降低系統(tǒng)阻力時(shí),空氣壓阻也會(huì)隨之降低,從而有效地改善關(guān)門力。

        滑移門系統(tǒng)阻力又可以分為兩大塊,其中一塊是由滑門自重和導(dǎo)軌傾角帶來的,為了降低關(guān)門力,導(dǎo)軌布置時(shí)一般會(huì)前傾一定角度,從而滑門自重就可以提供助關(guān)的能量;另一塊是由滑移門相關(guān)的零部件在滑移門關(guān)閉時(shí)接觸或壓縮產(chǎn)生反力消耗能量阻礙車門關(guān)閉?;诨崎T的實(shí)際測(cè)量,每個(gè)零部件消耗的能量大致如圖3所示。

        圖3 滑移門相關(guān)零部件消耗能量分配圖

        從圖3可知,密封條系統(tǒng)反力對(duì)關(guān)門力的影響較大。但是從圖1滑移門的零件爆炸圖可以發(fā)現(xiàn),滑移門在關(guān)閉位置,由于約束系統(tǒng)的需要,相比旋轉(zhuǎn)門,滑移門多了B、C柱的緩沖塊。緩沖塊是滑移門定位約束不可或缺的一部分,緩沖塊設(shè)計(jì)恰當(dāng)可以對(duì)滑移門起到很好的約束作用,同時(shí)對(duì)滑移門的關(guān)門力帶來較小的影響。合理的關(guān)門能量的組成中,緩沖塊對(duì)關(guān)門能量的影響約占5%。但不合理的緩沖塊設(shè)計(jì),會(huì)對(duì)關(guān)門能量帶來較大的影響,如某款MPV開發(fā)過程中,為了解決滑移門約束問題,加大緩沖塊干涉量和反力,導(dǎo)致緩沖塊對(duì)關(guān)門能量的影響占比翻番。

        更重要的是,為了滑移門穩(wěn)定的約束系統(tǒng)和較小的關(guān)門能量,密封條和緩沖塊的反力需要協(xié)調(diào)開發(fā),在保證滑移門穩(wěn)定性的同時(shí),將關(guān)門力降到最小。因此文中將著重對(duì)密封條和緩沖塊相關(guān)的影響進(jìn)行深入的理論分析和物理驗(yàn)證,制定合理的密封、緩沖策略。

        3 密封條對(duì)滑移門關(guān)門力的影響分析

        滑移門關(guān)閉時(shí)密封條被壓縮,其彈性會(huì)給滑移門一個(gè)反力,阻礙滑移門關(guān)閉,同時(shí)密封條被壓縮時(shí),其內(nèi)部的空氣由于排氣速度慢也會(huì)被壓縮形成密封條自身的空氣壓阻。

        3.1 密封條彈性力

        滑移門密封條如圖1所示,其安裝在門框上,滑移門關(guān)閉時(shí)壓縮密封條,從而起到密封作用。密封條被壓縮時(shí),就會(huì)對(duì)車門提供一定的反力。將密封條分割成N小段,每段長度一定,通過疊加每一小段密封條的能量消耗得到整段密封條的能量消耗。Fi為第i段密封條所受的壓縮力。

        則密封條壓縮消耗能量[3-4]為:

        Eseal=∑Fi·iseali

        如圖4所示,正方形為密封條4個(gè)端點(diǎn)圍成的密封條區(qū)域,三角形為車門關(guān)閉位置上中下支架確定的滑移門參考平面;以關(guān)閉位置下鉸鏈為原點(diǎn),建立滑移門參考平面局部坐標(biāo)系。

        圖4 密封條壓縮量計(jì)算模型

        根據(jù)密封條相對(duì)于參考平面位置不變?cè)恚捎?jì)算出此時(shí)密封條的全局Y向位移為:

        該密封條點(diǎn)在關(guān)閉位置圧縮量為hmax,則車門開度為Slp時(shí)的壓縮量為:

        hlp=hmax-Ys-zgap

        式中:zgap為密封條上該點(diǎn)的密封間隙調(diào)整值;根據(jù)壓縮量和CLD曲線,可插值得到該位置下密封條彈性力Fi。

        3.2 密封條排氣孔壓阻

        密封條上每隔一定間距分布著排氣孔,可以加快空氣從密封條系統(tǒng)內(nèi)流出??諝鈴呐艢饪琢鞒龅倪^程是一種非線性阻尼機(jī)構(gòu),阻尼力的大小取決于排氣孔的大小和間距,對(duì)關(guān)門能量的影響比較顯著。

        假定空氣為無黏流動(dòng),且不可壓縮,則廣義伯努利積分可表示為:

        根據(jù)對(duì)稱性要求,流動(dòng)速度U(x,t)須垂直于控制體積表面,如圖5所示。

        圖5 密封條內(nèi)控制體積示意

        假定沿流線路徑的流動(dòng)加速度為常量,則密封條內(nèi)外壓力差為:

        則作用在密封條上的排氣孔阻尼力為:

        作用在單位長度密封條上的排氣孔阻尼力為:

        代入上述各式可得:

        假定密封條受壓時(shí),垂向高度變化率遠(yuǎn)大于橫向?qū)挾茸兓剩瑒t可將上式簡化為:

        4 密封條設(shè)計(jì)優(yōu)化

        4.1 不同區(qū)域密封條彈性力對(duì)關(guān)門力的影響計(jì)算

        密封條生產(chǎn)為擠出工藝,滑移門一圈密封條的泡型一致,但裝到側(cè)圍鈑金上之后,由于壓縮方向不同,如圖6所示,密封條相對(duì)滑移門B柱、C柱、Roof和Rocker的壓縮距離不同,同時(shí),同一泡型在不同的位置對(duì)滑移門產(chǎn)生的彈性力也不一樣,從而導(dǎo)致每個(gè)區(qū)域密封條能耗不同。

        圖6 滑移門不同區(qū)域密封條壓縮方向示意

        以某滑移門的C柱和Rocker為例,車門密封條采用等截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),由于壓縮方向不同,根據(jù)CAE分析結(jié)果,這兩個(gè)區(qū)域的CLD差別很大,如圖7和圖8所示,C柱區(qū)域密封條CLD為3.86 N/100 mm,Rocker區(qū)域密封條CLD為4.53 N/100 mm,可見,Rocker密封條CLD比C柱密封條CLD大很多。

        圖7 C柱區(qū)域密封條受力分析

        圖8 Rocker區(qū)域密封條受力分析

        以該密封條CLD力值曲線,基于第3節(jié)理論分析計(jì)算,C柱區(qū)域密封條反彈力能耗0.68 J,Rocker區(qū)域密封條反彈力能耗0.25 J,整個(gè)關(guān)門過程中,C柱密封條反彈力做功是Rocker密封條的2.7倍,同樣方法可以計(jì)算出其他區(qū)域密封條能耗。

        再基于某滑移門的實(shí)際測(cè)量,各區(qū)域密封條消耗的能量(不含密封條空氣壓阻)如圖9所示,顯然滑移門C柱密封條貢獻(xiàn)最大,是其他區(qū)域(包括rocker)的3倍,和理論分析結(jié)果基本一致,所以通過降低C柱密封條在關(guān)門過程中的能耗可以有效降低滑移門關(guān)門力。

        圖9 滑移門不同區(qū)域密封條耗能示意

        4.2 不同排氣孔尺寸對(duì)關(guān)門力的影響計(jì)算

        隨著汽車市場愈加成熟,客戶對(duì)車輛的外觀要求也越來越高。受限于密封條斷面尺寸和拐角半徑,當(dāng)密封條排氣孔大于4 mm、間距小于100 mm時(shí),將不可避免地產(chǎn)生外露問題,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以避免。

        根據(jù)第3.2節(jié)理論分析,密封條排氣孔尺寸越大,排布越密集,密封條在受到擠壓時(shí)空氣排出密封條的速度也越快,空氣壓阻也就越小。如圖10所示,通過計(jì)算,當(dāng)排氣孔直徑小于3 mm時(shí),隨著排氣孔尺寸增大,關(guān)門力急劇降低;當(dāng)排氣孔直徑增大到4 mm后,隨著排氣孔的增大,關(guān)門力變化已經(jīng)非常不明顯。同樣,如圖11所示,當(dāng)排氣孔間距小于120 mm后,排氣孔間距對(duì)關(guān)門能量影響趨緩。

        圖10 關(guān)門能量和排氣孔尺寸關(guān)系

        圖11 關(guān)門能量和排氣孔間距關(guān)系

        基于以上分析,將排氣孔直徑由3 mm變?yōu)? mm,排氣孔間距由150 mm變?yōu)?20 mm, 在保證排氣孔不外露的情況下,滑移門關(guān)門能量可以降低22%。基于某滑移門的實(shí)際測(cè)量,排氣孔直徑和間距更改前后,關(guān)門能量改善2 J。

        4.3 密封間隙對(duì)關(guān)門力的影響分析

        確定了密封條的設(shè)計(jì)策略,如果不能保證穩(wěn)定的密封間隙,同樣會(huì)帶來關(guān)門力的問題[5]。比如,設(shè)計(jì)的密封間隙為15.0 mm,實(shí)車密封間隙偏小,將導(dǎo)致關(guān)門力大大增加。以某滑移門密封間隙波動(dòng)為例,如圖12所示,橫坐標(biāo)為密封間隙測(cè)量點(diǎn),1~20點(diǎn)均分布在滑移門一圈,縱坐標(biāo)為密封間隙實(shí)測(cè)值。當(dāng)制造出現(xiàn)波動(dòng),密封間隙均值從15 mm調(diào)整到13.5 mm時(shí),B柱密封條CLD增加到4.2 N/100 mm,Rocker密封條CLD增加到7.2 N/100 mm。關(guān)門能量可以由20 J增加到24 J。

        圖12 密封間隙對(duì)關(guān)門力影響示意

        5 緩沖塊的影響分析和優(yōu)化

        5.1 緩沖塊反力對(duì)關(guān)門力的影響分析

        如圖3所示,緩沖塊對(duì)關(guān)門力的影響沒有密封條顯著,但不合理的緩沖塊反力也會(huì)造成關(guān)門力大的問題。當(dāng)滑移門關(guān)閉時(shí),緩沖塊開始接觸車身,對(duì)車門產(chǎn)生反作用力,阻礙關(guān)門運(yùn)動(dòng)。

        緩沖塊在時(shí)間步長dt內(nèi)所做的功等于緩沖塊對(duì)車門的作用力乘以緩沖塊沿運(yùn)動(dòng)方向的位移:

        ΔEb=Fb·Δdb

        式中:Fb為緩沖塊對(duì)車門作用力, Δdb為車門在時(shí)間步長dt內(nèi)所移動(dòng)的距離。

        從緩沖塊開始接觸車身,到車門完全關(guān)閉,需要消耗的能量:

        Eb=∑ΔEb

        在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),緩沖塊對(duì)關(guān)門能量的影響不是簡單的線性關(guān)系。同樣的緩沖塊,同樣的壓縮量,在不同的關(guān)門速度下,緩沖塊對(duì)關(guān)門能量的貢獻(xiàn)是不同的。如圖13所示,某一車門緩沖塊在1.0 m/s的速度下壓縮的反力是在0.5 m/s速度下壓縮反力的2倍左右。將緩沖塊的這一特性稱之為動(dòng)態(tài)剛度特性,在計(jì)算緩沖塊對(duì)關(guān)門能量影響時(shí),應(yīng)考慮緩沖塊的動(dòng)態(tài)剛度特性。

        圖13 緩沖塊動(dòng)態(tài)剛度

        5.2 緩沖塊設(shè)計(jì)優(yōu)化

        如圖1所示,滑移門緩沖塊分為滑前后向約束的B柱緩沖塊和里外向約束的C柱緩沖塊。以起到前后約束作用的滑移門B柱為例,它們除了約束作用,還能有效提高滑移門系統(tǒng)模態(tài),避免壞路振動(dòng)異響[6]。因此,為避免壞路異響,首先緩沖塊要有足夠的剛度,其次在制造波動(dòng)范圍內(nèi),緩沖塊都要起到約束作用,也就是要保證緩沖塊始終和車身貼合。如圖14(b)所示,滑移門相對(duì)車身靠后時(shí),緩沖塊仍要起到作用,那么在設(shè)計(jì)理論位置時(shí),緩沖塊就得是干涉設(shè)計(jì),但當(dāng)滑移門相對(duì)車身靠前時(shí),緩沖塊就會(huì)被過分干涉,導(dǎo)致反力加劇,影響關(guān)門力。

        由此,設(shè)計(jì)變剛度緩沖塊來平衡關(guān)門反力和壞路異響尤為重要,如圖14(c)所示,變剛度緩沖塊設(shè)計(jì)狀態(tài)壓縮2 mm,這可以保證緩沖間隙變大時(shí),緩沖塊仍能和車身接觸,緩沖間隙變小時(shí),緩沖塊過分壓縮時(shí)反力不會(huì)急劇增加。

        圖14 緩沖塊形式

        為了確保緩沖塊始終接觸,設(shè)計(jì)干涉量2 mm,因此滑移門與側(cè)圍的緩沖塊間隙不能出現(xiàn)大范圍波動(dòng),需要定義該間隙的尺寸波動(dòng)在±1.5 mm以內(nèi)。采用變剛度緩沖塊后,在密封間隙波動(dòng)范圍內(nèi),當(dāng)緩沖塊間隙走上極限偏差時(shí),緩沖塊對(duì)關(guān)門能量的影響小于0.1 J,當(dāng)密封間隙走下極限差時(shí),緩沖塊對(duì)關(guān)門能量的影響約為0.8 J,當(dāng)密封間隙在名義值時(shí),緩沖塊對(duì)關(guān)門能量的影響約為0.3 J。

        緩沖塊除了起到平衡定位和關(guān)門力的作用外,在大力關(guān)滑移門時(shí),還需要起到防止滑移門撞擊到其他零件的風(fēng)險(xiǎn),因此當(dāng)車門的過關(guān)量超出目標(biāo)值,客戶在特定工況下大力關(guān)門時(shí),存在滑移門和其他零件干涉的風(fēng)險(xiǎn)。如圖15所示,滑移門以1.7 m/s速度關(guān)門時(shí),車門過關(guān)量的目標(biāo)值不大于3 mm,當(dāng)緩沖塊剛度減小時(shí),過關(guān)量達(dá)到5 mm。

        圖15 緩沖塊對(duì)車門過關(guān)量的影響

        6 結(jié)論

        密封條和緩沖塊是影響滑移門關(guān)門力的關(guān)鍵因素,有效控制密封條和緩沖塊對(duì)關(guān)門力的影響,可以降低整車空氣壓阻的貢獻(xiàn)量,從而大大降低關(guān)門力,提升滑移門操作感知質(zhì)量。

        (1)密封條泡型設(shè)計(jì)時(shí),要重點(diǎn)考慮C柱壓縮方向的CLD,設(shè)定合理的壓縮量和反力可以有效降低對(duì)關(guān)門力的影響。

        (2)密封條的排氣孔尺寸和排布距離,不僅影響美觀,也是影響關(guān)門力的關(guān)鍵因素之一,在保證外觀質(zhì)量的同時(shí)要盡量增大排氣孔尺寸,縮小排布距離,增加空氣流通,降低對(duì)關(guān)門力的影響。

        (3)B、C柱緩沖塊都要采用變剛度設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí),緩沖塊干涉2~3 mm,當(dāng)滑移門制造波動(dòng),緩沖塊間隙變大時(shí),仍能始終保持接觸狀態(tài),緩沖塊間隙變小時(shí),緩沖塊反力增加有限。

        (4)穩(wěn)定的密封間隙和緩沖塊也是控制關(guān)門力的關(guān)鍵因素,日常生產(chǎn)時(shí)要加強(qiáng)對(duì)密封間隙的監(jiān)控,確保其穩(wěn)定性,從而保證關(guān)門力的穩(wěn)定性。

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