汽车设计- 车门闭合力设计规范模板

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汽车设计-
汽车车门闭合力设计规范模板
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汽车车门闭合力设计规范模板
1范围
本规范规定了乘用车车门闭合力的设计要求，为后期新车试制过程中的车门闭合力整改提供依据。

本规范适用于众泰控股集团有限公司生产的乘用车旋转式车门闭合力开发流程及质量整改。

2术语和定义
2.1 车门闭合力定义
所谓车门闭合力，主要是指用户在关闭车门时的一种主观评价。

目前，国内汽车行业对车门闭合力没有一个准确的定义，如：车门在关闭过程中的力的大小、速度的快慢、施加力的位置及怎样评价车门闭合力等。

2.2 车门闭合力的评价
一般情况下，顾客希望用较小的力，在车门过限位一档后车门能自动关闭或自动关第一道门锁，感觉门的闭合阻力越小越好。

因此，对车门闭合性能存在几种不同的评价方式，概括起来主要有以下三种评价方式：
1. 采用测量最小关门速度V评价车门闭合性能；
2. 采用测量最小关门能量E评价车门闭合性能；
3. 采用测量最小关门力F评价车门闭合性能；
以上三种方式各有优缺点，公司目前采用测量最小关门速度来评价车门闭合性能。

2.3 闭合力测量规范
整车空载且门窗都关闭的情况下，车门上A点（外把手水平中心线上方40±5mm的门边缘处）通过B位置（车门打开时，A点距其关门时相应位置A′点的直线距离110±5mm处）时，恰好使车门关闭的速度，如图1所示。

图1 检测点位置示意图
3闭合力的影响因素
闭合力影响因素很多，铰链轴线布置、车门重量、车门重心位置、铰链转动力矩及上下铰链同轴度、限位器结构、密封条的结构及压缩载荷、门锁关闭过程中产生的作用力、车门内间隙均匀度以及关门过程中空气流通等因素。

另外，不正常的干涉、门下垂等因素也会对车门闭合力产生影响。

在对A01的测量中，各因素对车门闭合力的影响如下：
表1
推荐从能量角度来算更准确。

另，内间隙、轴线倾角无法从一个车型来实测出影响率(可以计算出影响率)。

下边分析各因素的影响、设计和制造注意点。

3.1 铰链轴线布置
综合考虑车门分缝线、车门抬升量（按照我国GJJ37-1990城市道路设计标准的，当汽车停在路边时，建议车门开启时的提升值为15～30mm[3]）等，铰链轴心线一般会布置成内倾角或前、后倾角（如图2所示）。

铰链轴线布置内倾角或后倾角，车门重量的分力会产生向心力，同时在车门关闭过程中，车门重心Z方向坐标发生变化，此变化对车门关闭提供势能，有利于车门闭合，角度越大则提供的势能越大；但向心力在开门时有反作用力，会增大开启力，故在车门设计时需结合开启力综合考虑。

图2 铰链轴线的内倾角和后倾角
表2
3.2 车门重量及重心位置
车门重量越大，则向心力越大，有利于车门闭合；车门重心位置主要影响向心力臂尺寸。

车门重量及重心对关闭力的影响要配合铰链轴线一起分析。

图3 车门重心与检测点
3.3 铰链
铰链对关门能量的影响在于车门关闭过程中，铰链的固定部分和活动部分的相互摩擦会损耗能量，摩擦力主要体现为铰链自身旋转阻力。

3.4 限位器
当开关车门时，限位盒沿着限位臂运动，由于限位臂上由高低不同的结构，限位盒内的弹簧橡胶块在限位臂不同的位置会产生不同的弹性变形，要越过每个限位的位置点，需要用不同的力，通过力的大小对车门起到限位作用。

根据限位器工作原理，看以得出限位器在车门关闭过程中存在两个方面的运动：限位器安装支架与限位臂之间的转动以及限位臂与限位盒之间的滑动，根据七运动方式可以确定限位器对车门比合理的影响：
1-限位器支架；2-限位盒
图4 限位器结构示意
图5 限位器力矩-角度曲线图
1）限位器安装支架与限位臂之间的转动力矩：在车门转动过程中始终是阻力矩，对车门闭合力有一定影响。

爱得夏此转动力矩标准：≤1.5Nm；
2）限位臂与限位盒之间的滑动摩擦阻力：限位臂与限位盒在滑动摩擦运动过程中，由于弹簧橡胶块受力压缩，会给限位臂一个挤压力，限位臂和限位盒内橡胶块之间存在一个摩擦系数(平和精工推荐此值为0.27)，车门在滑动过程中必然产生摩擦力，摩擦力在车门关闭过程中产生阻力矩，阻力矩的大小和限位器的结构及限位器布置位置相关。

3）限位盒越过限位臂凸点后，由高点跳跃到低点，限位器提供部分助动力，有利于车门关闭。

3.5 门锁作用力
车门关闭过程中，门锁通过锁扣与锁体的啮合达到车门关闭，在锁体转动过程中必然消耗能量，锁体和锁扣啮合一般设计两级锁紧位，每个锁紧位均需克服回位弹簧力消耗动能。

图5为某车型门锁啮合力曲线。

图6 克服锁扣力和位移曲线图
3.6 密封条压缩变形
车门关闭过程中对密封条产生挤压，密封条受挤压后产生反作用力，此作用力在车门关闭过程中消耗能量，阻碍车门关闭。

密封条对闭合力的影响主要有三个指标：压缩负荷，压缩量及总长度。

总长度一般由钣金结构决定，密封条设计过程中可通过设计合理的压缩负荷和压缩量满足能耗目标要求。

3.7 车内气压阻力
车门快速关闭过程中，从密封条接触门框表面到完全关闭，车门在极短的时间压缩车内空间的空气，车内空气受压后压力上升而通过没有关闭的门缝流出，该气流产生一个气压阻，在车门关闭过程中消耗能量，阻碍车门的关闭。

4
闭合力计算校核
4.1 密封条能耗
模型建立条件：① 假设车门关闭时，车门平面压缩密封条；② 密封条变形为弹性变形；③ 密封条沿周长方向均匀受力。

把长度为L 的密封条分割成n 段，每段长
i
L ∆，则关闭车门时压缩第i 段密封条所消耗的能量 001
===2s s i
i i i E FdS P L dS P L S ∆∆⎰⎰密封条 （1） 其中i F 车门压缩时第i 段密封条产生的阻力；P 为密封条压缩负荷（单位：N/m ）；S 为密封条压缩量（单位：m ）。

在密封条长度L 上，阻力所做的总功为：
=111
==22n
i i E P L S PLS
∆∑密封条 （2）
从式（2）可以看出，影响密封条能耗主要参数为密封条长度、压缩负荷及压缩量。

密封条长度在
车身结构设计时已基本确定，长度越长，产生的阻力越大；压缩负荷一般由密封条材料、截面形式等决定，压缩负荷越大，产生的阻力越大，如图7所示；密封条的压缩量设计主要是为了保证车门密封性能，压缩量越大，产生的阻力也越大，如图8所示。

图7 车门关闭力与密封条压缩负荷关系 图8 车门关闭力与密封条压缩距离关系
4.2 车内气压阻力能耗
模型建立条件：①假设车门从压缩密封条开始至结束的运动是平动过程；②假设驾驶室空间内的空气为理想气体，车门关闭压缩过程中忽略温度上升值；③假设驾驶室内空气质量不变。

根据工程热力学理想气体状态方程可得：
00i i PV PV = （3） 式中P 0为标准大气压；V 0为车门关闭前车内空气容积；P i 为关闭时驾驶室内气压；V i 为车门关闭后
车内空气容积。

设车门迎风面积为A 0 , 密封条压缩量为S i ，则：
00=i i V V A S - （4）
车门关闭过程中，当密封条压缩量为S i 时，驾驶室容积变化而产生的阻力为：
00
()i i F P P A ∆=- （5） 由式（3）、（4）和（5）可得空气压缩阻力增量所做的功为：
0000000=-ln 1S i A S
E F dS PV P A S
V ⎛⎫∆=-- ⎪⎝
⎭⎰气压阻
（6）
从式（6）可以看出，车内体积V 0越大，压缩比例越小，关门消耗的能量越小，关门越轻便，如图9所示；迎风面积A 0（即车门面积）越大，关闭车门所克服的阻力越大，车门关闭力越大，如图10所示。

图9 车门关闭力与车内体积关系 图10 车门关闭力与车门面积关系
4.3 门锁作用力能耗
车门关闭至接触锁扣到完全锁上这个过程，需要提供克服锁扣力所需的能量，图5是某车型锁 克服锁扣力和位移的曲线图，设车门闭合过程中锁扣反作用力变化区间为[F 1，F 2],关闭车门锁舌运动距离s ，则门锁关闭能耗为：
120
=+s
E ds ⎰门锁（
F F ） （7）
4.4 铰链能耗
在车门闭合过程克服铰链阻力所的功：
=F L E 铰链铰链铰链 （8） 其中，F 铰链为铰链自身旋转阻力，L 铰链为关闭车门从检测点到关闭状态铰链所运动过的路程。

4.5 重力势能
车门在闭合过程中重力产生的势能：
=E mgh 势能 （9） 其中m 为车门质量；h 为从检测点到关闭位置车门重心的Z 方向变化量。

4.6 限位器助动能量
限位器助动力在车门闭合过程运动一定距离所做的功：
=F L E 限位器限位器限位器 （10） 其中，F 限位器为限位器助动力，L 限位器为车门从检测点到关闭时限位块在限位臂上滑移的距离。

4.7 车门关闭动能
车门以关闭速度V 通过检测点产生动能：
222
1211==/22
E J mR ϖ动能（V R ）
（11） 其中，J 为转动惯量；ϖ为角速度；V 为车门关闭速度，R 1为车门重心的转动半径，R 2为检测点的转动半径。

从式（11）可以看出，车门质量越大，则关闭车门时产生的动能越大，关门越轻便；R 1越大，则产生的动能越大，关门越轻便；R 2越大，则产生的动能越小，车门关闭力越大。

4.8 能量守恒
根据能量守恒定律，在检测点关闭车门提供的最小动能应等于车门关闭过程中各因素消耗的能量：
=+++++E E E E E E E 限位器动能密封条气压阻门锁铰链势能 （12）
5
某车型关闭能量计算及结果分析
5.1 参数输入
表3 某车型前门相关参数输入
表4 某车型后门相关参数输入
由表3及4.1至4.6可以分别计算出各因素所消耗的或产生的能量（以消耗能量为正，产生能量为负），如表5所示。

表5 前门各因素消耗或产生能量结果
由表4及4.1至4.6可以分别计算出各因素所消耗的或产生的能量（以消耗能量为正，产生能量为负），如表6所示。

表6 后门各因素消耗或产生能量结果
5.3 结果分析
1)根据能量守恒定律，可以得到关闭车门最小的动能为1.61J，并由式（11）可以确定前门最小
关闭速度为0.67m/s。

2)根据能量守恒定律，可以得到关闭车门最小的动能为1.915J，并由式（11）可以确定后门最小
关闭速度为0.98m/s。

3)从计算结果来看，该车型后门的关闭速度是前门关闭速度的1.5倍，其前、后门关闭力差距主
要由车门重量、重心位置及倾角大小引起。

6结论
1）从设计方面考虑，影响车门关闭力的主要因素有密封条变形阻力、气压阻力、铰链机械阻力、限位器助动力、门锁阻力以及车门结构、铰链轴心线布置、车门重量及重心位置等；
2）车门设计时，可以通过建立数学模型来计算各影响因素对车门闭合力影响情况，并可以获得车门理论的最小关闭速度；
3）通过初步的计算结果，在设计时可以对各附件进行合理布置，并可以为质量整改提供强有力的理论指导。