張金清，尹輝俊

（1.廣西科技大學(xué) a.機(jī)械與汽車工程學(xué)院；b.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院 廣西 柳州 545006）

0 引言

乘用車車門關(guān)閉輕便性是評(píng)價(jià)汽車車門設(shè)計(jì)和汽車使用性能的重要指標(biāo)之一[1]。對(duì)于汽車制造商來說，車門力過大在設(shè)計(jì)中是常常遇到的問題。對(duì)于消費(fèi)者來說，關(guān)閉力過大會(huì)給其留下不完美的印象。為此，汽車行業(yè)與學(xué)術(shù)界對(duì)車門關(guān)閉力進(jìn)行了大量的研究。楊蕾[2]建立影響車門關(guān)閉能量各因素的數(shù)學(xué)模型，使用Adams的功能來建立一個(gè)車門關(guān)閉過程的仿真模型，得到各影響因素貢獻(xiàn)值，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。周雙[3]基于剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)理論及虛擬樣機(jī)技術(shù)，使用Adams多體動(dòng)力學(xué)軟件建立車門關(guān)閉的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，?jīng)過大量的數(shù)據(jù)研究分析后，發(fā)現(xiàn)如果忽略氣壓阻力效應(yīng)，對(duì)整個(gè)車門能量最大影響的是密封條，約占總能量的30%。Qu Y、Qiu P等人[4]通過在車門關(guān)閉過程中的車門關(guān)閉力特性預(yù)判車門在設(shè)計(jì)階段時(shí)所反映出的車門關(guān)閉力，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

已有的研究與探索通常使用動(dòng)力學(xué)仿真軟件獲取影響車門關(guān)閉能量因素的貢獻(xiàn)值，但開發(fā)一種方便于計(jì)算關(guān)閉能量的工具鮮有少見。本研究對(duì)影響乘用車車門關(guān)閉能量的主要因素進(jìn)行分析（氣壓阻效應(yīng)、密封條、車門鉸鏈、車門限位器、車門重量以及車門門鎖），其次分別建立相對(duì)應(yīng)的車門關(guān)閉能量數(shù)學(xué)模型。最后利用MATLAB提供的GUI便捷平臺(tái)，開發(fā)便于計(jì)算關(guān)閉能量的一種工具，用于計(jì)算各設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)門能量，并進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)對(duì)比分析。該工具對(duì)研究人員具有較強(qiáng)的交互性，有助于提高車門設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

1 車門關(guān)閉能量影響因素分析及數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 氣壓阻效應(yīng)

在車門關(guān)閉過程中，外部空氣被車門擠入到車?yán)飪?nèi)，造成汽車內(nèi)部的氣壓增大，從而增大了車門的關(guān)閉阻力，這種現(xiàn)象稱為空氣阻力效應(yīng)[5]。假設(shè)車廂內(nèi)溫度不變，空氣是一種理想氣體，并且質(zhì)量不變，由理想氣體狀態(tài)方程可得：

式中，P0為標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓；V0為車門關(guān)閉前車?yán)锏娜莘e；Pi為門在關(guān)閉時(shí)車內(nèi)的氣壓；Vi為車門關(guān)閉后車內(nèi)容積。

設(shè)車門面積A0，當(dāng)密封條被壓縮Si時(shí)，則車內(nèi)容積Vi的計(jì)算式為：

氣壓Pi的計(jì)算式為：

產(chǎn)生的空氣阻力增量：

空氣阻力耗費(fèi)的能量：

1.2 密封條

在車門關(guān)閉現(xiàn)象中，密封條有助于吸收部分能量，能量吸收的大小與它受壓而產(chǎn)生變形的特性（CLD）有關(guān)[6]。圖1是某一款乘用車密封條的CLD曲線關(guān)系圖。在關(guān)門時(shí)，密封條在力的作用下，一直被擠壓，從而不斷的耗費(fèi)能量。首先，假設(shè)把密封條劃分為n段，并且規(guī)定每100mm為一段。然后，將每小段密封條耗費(fèi)的能量進(jìn)行累加，可得到密封條耗費(fèi)的總能量：

圖1 密封條CLD曲線

式中，E密為密封條在車門關(guān)閉中所耗費(fèi)的能量；S為密封條在車門關(guān)閉中所受最大的壓縮量；F為密封條所受的壓縮力。

密封條壓縮量的計(jì)算式為：

式中，S為密封條壓縮量；R為車門開關(guān)時(shí)的旋轉(zhuǎn)半徑；θ為車門開關(guān)時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度。

乘用車車門有兩條密封條，為了模擬密封條消耗的能量與角度的關(guān)系，把密封條分3個(gè)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。如圖2所示，假設(shè)在關(guān)門時(shí)，l11，l12區(qū)域先被壓縮，壓縮完再到壓縮l21，l22，l31，l32區(qū)域，最后壓縮l41，l42區(qū)域。

圖2 密封條位置簡圖

1.3 車門鉸鏈

車門依靠著車門鉸鏈支撐，假設(shè)每個(gè)鉸鏈支撐車門重量的一半[7]。在重力的作用下，鉸鏈會(huì)產(chǎn)生摩擦力矩，其大小取決于車門鉸鏈間距、鉸鏈半徑、鉸鏈界面的摩擦系數(shù)、車門質(zhì)心到鉸鏈軸線的距離和車門重量。兩鉸鏈軸上的摩擦力矩為[8]：

式中：μh為鉸鏈內(nèi)部之間的摩擦系數(shù)；r為車門鉸鏈的旋轉(zhuǎn)半徑；rcm為車門鉸鏈轉(zhuǎn)軸線到車門的質(zhì)量重心之間的距離；h為鉸鏈間距。

第一，研究負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造，對(duì)中、古生界地層的追蹤對(duì)比和解釋，提高繪制構(gòu)造圖的精度具有重要意義，從而提高勘探目標(biāo)的成功率。

鉸鏈消耗的能量方程如下：

其中，τ鉸為鉸鏈處的摩擦力矩；Δθ為車門旋轉(zhuǎn)的角度。

1.4 車門限位器

車門限位器指的是車門在受到一定外力時(shí)，限制車門轉(zhuǎn)動(dòng)的一種裝置[9]。限位器一般有3個(gè)檔位，在關(guān)門過程中，需要交叉3個(gè)檔位，每個(gè)檔位都會(huì)受到限位彈簧的限位，必然會(huì)消耗部分能量，消耗的能量由壓縮彈簧的特性決定。當(dāng)門關(guān)閉時(shí)，車門限位器所需要的能量，就是壓縮彈簧阻力的扭矩和車門旋轉(zhuǎn)角度之間的乘積，即：

式中：E限為克服車門限位器彈簧裝置所需要的能量；T限為限位器彈簧裝置的扭矩；θ為車門旋轉(zhuǎn)的角度。

1.5 車門重量

由于車門鉸鏈軸線與車門關(guān)閉方向并未垂直，這使得車門在開閉時(shí)，重心發(fā)生變化，從而引起能量的變化[10]。車門重量消耗的能量為：

式中：m為車門本體重量；g為重力加速度9.8m/s2；h為車門本體重心垂直位移。

在關(guān)門過程中，繞著鉸鏈軸而旋轉(zhuǎn)的是車門本體重心。通過三維空間坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換獲取車門重心的的任意位置，假設(shè)車門重心坐標(biāo)為（x，y，z），經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后為（x'，y'，z'），如圖3所示。

圖3 重心坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)示意圖

式中：θ為車門的質(zhì)量重心繞著鉸鏈重心旋轉(zhuǎn)的角度，（nx，ny，nz）為鉸鏈軸線的方向向量：

（x1，y1，z1）和（x2，y2，z2）分別是車門中的上下鉸鏈中心點(diǎn)坐標(biāo)值，θ為車門質(zhì)量重心繞著鉸鏈重心旋轉(zhuǎn)的角度。

1.6 車門門鎖

車門門鎖作為鎖止車門的部件。在關(guān)門過程中，門鎖與鎖鉤發(fā)生相對(duì)嚙合運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生阻力[12]。阻力會(huì)消耗車門關(guān)閉部分能量，其大小與鎖扣力有關(guān)。圖4是某乘用車車門鎖體力和位移的曲線圖。鎖扣力與位移的乘積就是車門門鎖在車門關(guān)閉時(shí)消耗的能量，即：

圖4 鎖扣力與位移曲線

式中，E鎖為門鎖在車門關(guān)閉時(shí)所需要耗費(fèi)的能量；F鎖為車門關(guān)閉時(shí)的鎖扣力；d為車門鎖到車門鎖扣的位移。

2 車門關(guān)閉能量的可視化界面設(shè)計(jì)

2.1 GUI主界面的外觀設(shè)計(jì)

GUI界面主要由組件、圖形窗口與回應(yīng)3個(gè)基本元素組成[13-14]。本研究運(yùn)用編輯M文件的方式創(chuàng)建GUI主界面，主界面包含六個(gè)按鈕，分別對(duì)應(yīng)氣壓阻效應(yīng)、密封條、車門鉸鏈、車門限位器、車門重量與車門門鎖的子界面。任意按其中一個(gè)的按鈕，將進(jìn)入相應(yīng)的子界面，圖5為主窗口界面。

圖5 主窗口界面

2.2 主界面的代碼實(shí)現(xiàn)

主界面M文件的相關(guān)代碼如下（%后為解釋）：d=figure（‘name’，車門關(guān)閉能量系統(tǒng)）； %創(chuàng)建了主界面的標(biāo)題為車門關(guān)閉能量系統(tǒng)。

通過調(diào)用uicontrol（ ）函數(shù)來完成按鈕的建立，例 如：h=uicontrol（'style' 'pushbutton''position'，[12030010050]，'string'‘氣壓阻效應(yīng)’'FontSize'，16）；創(chuàng)立“氣壓阻效應(yīng)”按鈕，在[12030010050]中的120，300為按鈕在主界面的位置坐標(biāo)，100，50為按鈕的長寬，字體大小為16。

通過調(diào)用Set（ ）函數(shù)進(jìn)入各子界面，例如：Set（b，‘Callback’‘qiyazuxiaoying’）；%在主界面點(diǎn)擊“氣壓阻效應(yīng)”按鈕，將調(diào)用氣壓阻效因子界面對(duì)應(yīng)M文件“qiyazuxiaoying”。

2.3 子界面的創(chuàng)建

以氣壓阻力效應(yīng)子界面為例，在MATLAB中打開GUI設(shè)計(jì)界面，通過需求來設(shè)置界面的大小，調(diào)整靜態(tài)文本框、編輯文本框、坐標(biāo)軸和按鈕組件在界面的位置，如圖6所示。靜態(tài)文本框的作用是為隨后參數(shù)輸入做解釋，“可編輯”文本框可輸入?yún)?shù)，坐標(biāo)軸的作用是反映角度與氣壓阻效應(yīng)消耗能量的關(guān)系，按鈕“plot”里的回調(diào)函數(shù)包含氣壓阻效應(yīng)消耗能量算法。按鈕“close”為關(guān)閉當(dāng)前子界面。

圖6 氣壓阻效應(yīng)子界面布局

子界面設(shè)計(jì)好后，運(yùn)行可得到圖7（a）的氣壓阻效應(yīng)子界面。其他子界面的創(chuàng)建與氣壓阻效應(yīng)子界面相似，在此只給出創(chuàng)建好的界面，如圖7（b）～圖7（f）所示。

圖7 各子系統(tǒng)界面

2.4 車門關(guān)閉能量計(jì)算結(jié)果

通過前面建立的可視化界面，可以計(jì)算出車門在關(guān)閉的過程中6種影響因素對(duì)車門關(guān)閉能量的貢獻(xiàn)值。表1所示為各影響因素能量貢獻(xiàn)值，負(fù)值代表做正功，正值代表負(fù)功。由表1可知，能量最大的是車門限位器和密封條，消耗的能量分別為3.24J、1.68J，車門鉸鏈和車門門鎖最小，分別消耗的能量為0.38J、0.39J。

表1 各影響因素能量貢獻(xiàn)值

3 車門關(guān)閉能量試驗(yàn)與驗(yàn)證

實(shí)車測(cè)量按圖8所示裝置。通過測(cè)量關(guān)門速度，再根據(jù)能量轉(zhuǎn)換函數(shù)求出各個(gè)影響因素對(duì)車門關(guān)閉能量的大小。本試驗(yàn)做了表2所列的項(xiàng)目。

圖8 實(shí)車測(cè)量

表2 車門關(guān)閉能量試驗(yàn)項(xiàng)

通過實(shí)車測(cè)量來獲取各個(gè)影響因素的貢獻(xiàn)值與軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比，得到表3的數(shù)值。由表3可知，通過以上的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，各種影響因素的誤差都小于15%，滿足允許誤差范圍，說明所建立的數(shù)學(xué)模型與軟件計(jì)算結(jié)果是可靠的。

表3 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 總結(jié)

本研究從6個(gè)（氣壓阻效應(yīng)、密封條、車門鉸鏈、車門限位器、車門重量以及車門門鎖）影響車門關(guān)閉能量因素進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB GUI建立子界面。子界面實(shí)際一個(gè)隱涵算法的一應(yīng)用軟件，直接在子界面輸入相應(yīng)的參數(shù)就可計(jì)算出各個(gè)影響因素對(duì)車門關(guān)閉能量的貢獻(xiàn)值。同時(shí)，通過實(shí)物試驗(yàn)，得到各影響因素的試驗(yàn)關(guān)閉能量貢獻(xiàn)值，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，各種影響因素的誤差均小于15%，滿足要求。同時(shí)，MATLAB GUI可以提供非常便捷的操作界面，用戶不需要掌握編程技術(shù)，只需要在相應(yīng)的位置輸入相應(yīng)的參數(shù)就可以得到各影響因素對(duì)車門關(guān)閉能量的影響，所以該工具界面友好，操作方便，有助于提高車門設(shè)計(jì)的質(zhì)量。