基于气压阻效应的车门关闭力仿真试验
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车门关闭过程中排风口监测面压力很小, 可以忽 略不计,但瞬间的变化量很大。 图 10 示出车门关闭过 程排风口压力变化曲线图。 通过图 10 可以看出,关门 瞬间气流不能迅速通过排风口排出, 而是需要缓冲几 秒钟才能平衡驾驶室内外的压力, 导致驾驶室内气压 瞬间增大, 尤其是快速关门时驾驶员和乘员耳部有较 强烈的压迫感,主观感觉不适。
试车门和车窗以及测试车门的车窗,确认汽车无漏风处。 2) 按照 3.1 节安装速度测试计。 3) 确定车门测试初始位置。 由于车门装有限位器,
通常车门开启位置分为全开、2 挡和 1 挡 3 个挡位。 本 测试规定车门测试范围为 1 挡到车门关闭的过程,如 图 5 所示。
关闭位置 测试段 1挡
图 1 车门关闭过程中能量分配示意图
0.45 s
0.50 s
0.55 s
0.60 s
0.65 s
0.71 s
车门从开始转动到关闭位置时, 气压消耗的能量 ( ω/J) 为:
ω=F R dθ 2
式中:θ— ——关门角度,( °) ; F— ——车门所受的力,N; R— ——车门宽度,m。 根据公式计算得出气压阻效应所消耗的能量为
2.32 J。 通过相关试验及仿真分析得到车门关闭过程中 6 个影响因素耗能及贡献率,如表 2 所示。
力 矩/N·m
30 20 10
0 - 10 - 20 - 30 - 40
0.00
FOCU2S01技5术年聚3焦月
技术看点
x向 y向 z向
0.14
0.28
0.42
0.56
0.70
时 间 /s
图 9 车门关闭过程中力矩曲线图
图 6 汽车流体仿真分析网格示意图
4.2 边界条件和计算设置 计算中假定空气为理想气体, 车门关闭速度为
图 5 车门开启位置挡位示意图
恰好能使车门关闭所达到的速度称为车门关闭速
度,此速度作为评价关门轻便程度的评价标准,也是仿
真分析的输入条件。
3.3 车门关闭速度测试结果
测试车门开启到车门限位器第 1 挡, 施加初始速
度,至车门完全关闭,分别记录每次车门关闭速度的大
小。 考虑气压阻效应的影响,分别对 4 辆车进行全车车
车门快速关闭过程中, 从密封条接触门框表面到 车门完全关闭, 车门在极短的时间内压缩驾驶室密闭 空间的空气, 空气被压缩后压力上升而通过没有关闭 的门缝流出。 所以快速关闭车门的过程相当于对驾驶 室密闭空间空气的压缩过程, 被压缩的空气对车门产 生气压阻效应。 反之,快速打开车门的过程相当于对驾 驶室密闭空间的抽真空过程[3]。
0.9 m/s,得到仅克服气压阻效应的关门速度为 0.3 m/s。
4 车门关闭气压阻效应仿真分析
4.1 几何模型及网格划分
综合考虑网格数量和计算精度, 利用前处理软件
- 45 -
技术聚焦 FOCUS
ANSA 建立了完整的内饰数据、排风口数据、左右后门、 铰链、门框、密封条( 压缩后) 外表面数据及整车造型面 数据,得到一个封闭空间的计算域。 图 6 示出汽车流体 仿真分析网格示意图。
0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0.000
0.00
左排风口 右排风口
0.14 0.28 0.42 0.56 0.70 时 间 /s
图 10 车门关闭过程排风口压力变化曲线图
- 46 -
2015(3)
Feature
FOCUS 技术聚焦
0.3 m/s,车门运动范围为 1 挡到车门完全关闭位置,总 计算时间为 0.71 s,每步计算时间 0.001 s,设定驾驶舱 排风口为压力出口。 4.3 分析结果及评价
图 7 示出车门关闭过程速度云图。 通过图 7 可以 看出,车门关闭前 0.6 s,大部分气流都随着车门运动排 出车外,只有一小部分气流挤入车内。
表 2 车门关闭过程中各影响因素能量消耗及贡献率
因素
能量/J
贡 献 率 /%
气压阻
-2.32
-51.6
密封条
-2.16
-48.0
重力
+0.61
+13.6
限位器
+0.15
+3.3
锁
-0.27
-6.0
铰链
-0.51
-11.3
总计
4.50
100.0
注:“ - ”代表车门关闭能量损失,“ +”代表车门关闭能量增加。
车门密封条密封性影响
因子分析
陈泱 李婉婉 韩东方 郑娟 潘坡 郭恒如 (泛亚汽车技术中心有限公司)
摘要:车门密封条开发过程中,发现同一泡管的压缩位置及方向随着密封条位于车门上的位置不同而改变的问题。通过 MARC 软件对密封条泡管方案进行压缩变形 FEA 分析,优化泡管形状、泡管内部屈服应力点的分布、密封条断面泡管的支撑 结构以及压缩面形状,定性找出密封性相关因子的影响规律,最终使泡管满足车门上所有位置压缩负荷在 4.5~6.0 N,接触宽度 在 3 mm 以上的要求。按照此方法设计的密封条断面面积相对于业界平均水平减小 15%,得到具备高性价比的密封条断面。 关键词:车门主密封条;泡管;FEA;密封压强;压缩负荷;接触宽度
门关闭和尾门开启状态的测试。 测试结果,如表 1 所示。
表 1 车门关闭速度测试结果
m/s
测试车 1# 2# 3# 4#
全车车门关闭 1.19 1.21 1.21 1.20
开尾门 0.88 0.90 0.91 0.90
取 4 辆车测量值的平均值, 全车车门关闭状态车
门关闭速度为 1.2 m/s, 尾门开启状态车门关闭速度为
汽车质量调研结果显示, 车门开闭的轻便性始终 是客户抱怨最多 的 质 量 问 题 之 一[1],因 此 ,在 车 身 设 计 过程中倍受关注。 客户往往关心的是通过手给车门初 始速度后的车门关闭时刻速度。 文章仅从气压阻效应 方面考虑对关门力的影响, 通过大量的试验统计得到 合理的关门初速度,以此初速度为仿真分析初始条件, 进行关门过程 CFD 仿真分析。 仿真分析可以得到车门 所受气压力及驾驶舱内气压力变化等, 为车门关闭过 程中气压阻效应能量消耗提供数据参考。
使用车门关闭速度测试计 1052 对 某 款 车 进 行 车 门关闭速度测量。 图 2 示出速度测试计 1052 示意图。
速度显示器 固定测速计
移动针
图 2 速度测试计 1052 示意图
设备安装方法为: 在被测试车门外把手外沿安装 移动针, 此针在车门关闭过程中与车门以相同的速度 运动。 图 3 示出移动针安装示意图。 把速度测试计安装 在可与移动针相切的侧围上,如图 4 所示。 调整好两者
2 影响车门关闭力的因素
车门关闭过程中乘客需要在门上施加一个动能, 用来克服能量损耗, 而能量的损耗是多种因素共同作 用的结果,包括气压阻效应、车门特性、密封条、铰链、 门锁及限位器。 从力学角度讲,驾驶室内压缩空气的外 推力、密封条被压缩后产生的阻力、车门铰链的机械阻 力、 车门转动轴线设计的前倾和内倾产生的重力以及 车门锁及限位器产生的阻力等在车门关闭过程中都会 对车门产生作用[4]。 图 1 示出车门在关闭过程中的能量
1 气压阻效应介绍
车门关闭气压阻效应中, 密封条压缩阻力和气压 阻 力 是 影 响 关 门 力 的 主 要 因 素 [2], 文 章 主 要 研 究 气 压 阻 效应的贡献量。
随着现代汽车设计和制造工艺的提高, 整车密封 性能越来越好,在车门关闭后,若不考虑驾驶室通气装 置,则驾驶室基本上形成一个充满大气压的密闭空间。
Simulation and Experiment on Closing Force for Car Door Based on Air Pressure Resistance Effect
Abstract: Taking the large closing force for car rear door as a research subject, the speed in the process of closing door was tested by using the velocity gauge, the speed obtained in the test achieved to 0.3 m/s which was only overcome air pressure resistance effect. Building vehicle fluid dynamics simulation grid model to simulate the closing force by using CFD as considering air pressure resistance effect, the applied force and torque, air pressure change in the cabin and the flow of outlet in the process of closing door were obtained, providing a new method for accurately calculating air pressure resistance effect in the process of closing door. Key words:Car door; Closing force; Air pressure resistance effect; Velocity gauge; CFD
力/N 压 力/Pa
0.0 0.8 1.6 2.4 3.2 4.0 速度 (/ m/s)
图 7 车门关闭过程速度云图
图 8 和图 9 分别示出车门关闭过程中受力和力矩 曲线图。 通过图 8 和图 9 可以看到,车门关闭前 0.6 s 受 力和力矩很小, 在 0.6 s 之后车门与门框距离逐渐接近, 车门所受舱内空气反作用力也逐渐增大,车门关闭瞬间 车门受力最大, 关闭位置也是锁钩钩住锁环的位置,故 可以用关闭时刻的力和力矩来评价气压阻效应的影响。
- 44 -
2第0135(期3)
Feature 分配示意图。
空气阻力
车门迎风面积 质心坐标变动值 车门质量
FOCUS 技术聚焦
的相对位置,并通过数据线连接速度显示器,快速摆动 车门,查看显示器上速度变化情况是否满足设备要求。
铰链轴线偏移角度
质心升降
质心坐标变动量
图 3 移动针安装示意图
图 4 速度测试计安装位置图
Analysis on Door Weather Strip Sealing Factor
Abstract: This paper introduces a design method for door weather strip, to solve the problem which the deformation position and direction of weather strip bulb will change along different position of the door panel around. The compression deformation is done FEA with MARC, to optimize the shape of bulb, the distribution of the yield stress points, the bulb base support and the bulb touching surface shape, to find the factors which influence sealing performance. At last, the requirement of the compression load anywhere should be 4.5~6.0 N, the contact length is above 3 mm. The sectional area of weather strip is decreased 15% compared with average sectional area of weather strip, having the best performance. Key words:Door primary seal; Bulb; FEA; Pressure of sealing; CLD; Contact length
2015( 3)
FOCU2S01技5术年聚3焦月
技术看点
基于气压阻效应的车门
关闭力仿真试验
于剑泽 李飞 乔鑫 孔繁华 ( 华晨汽车工程研究院车身 CAE 工程室)
摘要: 以轿车后门关闭力较大的问题为研究背景,利用速度测试仪对样车进行关门速度测试,得到仅克服气压阻效应的 车门关闭速度为 0.3 m/s。建立仿真分析所需的汽车流体仿真分析网格模型,利用 CFD 软件进行考虑气压阻效应的车门 关闭力仿真分析,得到了关门过程中车门所受的力和力矩、驾驶舱内气压变化情况及排风口气流流量等,找到一种能准 确求解车门关闭气压阻效应的新方法。 关键词: 车门;关闭力;气压阻效应;速度测试计;CFD 软件
30 20 10 0 - 10 - 20 - 30 - 40 - 50 0.00
x向 y向 z向
0.14
0.28
0.42
0.56
0.70
时 间 /s
图 8 车门关闭过程中受力曲线图
从表 2 可知, 气压阻和密封条在关门过程中能量 消耗占主导地位, 而重力和限位器对车门关闭是有利 的,其他 2 个因素对车门能量消耗贡献量较小。
输入能 量( 乘 客 施加给 门的动 能)
Βιβλιοθήκη Baidu
密封条 限位器
锁 铰链
车门质量 密封条压缩量 密封条特性曲线 密封条总长度 限位器摩擦力 限位器相对位置 锁与锁柱摩擦力 锁与锁柱相对位移 铰链摩擦力
铰链相对位置
3.2 车门关闭速度测试方法 本测试主要分为 3 步: 1) 汽车基本状态检查。 汽车处于空载状态,关闭非测
全开位置
2挡
3 车门关闭速度测试
3.1 车门关闭速度测试设备 人们一直认为车门闭合需要进行“ 力”的设计;但
从设计、分析及检验的方便性角度出发,车门关闭是用 “ 速度”来进行表征的。 通过对目标客户人群进行调研,
结合不同年龄、性别及身体状态等,统计得出合理的车 门关闭速度在 0.8~1.3 m/s。
试车门和车窗以及测试车门的车窗,确认汽车无漏风处。 2) 按照 3.1 节安装速度测试计。 3) 确定车门测试初始位置。 由于车门装有限位器,
通常车门开启位置分为全开、2 挡和 1 挡 3 个挡位。 本 测试规定车门测试范围为 1 挡到车门关闭的过程,如 图 5 所示。
关闭位置 测试段 1挡
图 1 车门关闭过程中能量分配示意图
0.45 s
0.50 s
0.55 s
0.60 s
0.65 s
0.71 s
车门从开始转动到关闭位置时, 气压消耗的能量 ( ω/J) 为:
ω=F R dθ 2
式中:θ— ——关门角度,( °) ; F— ——车门所受的力,N; R— ——车门宽度,m。 根据公式计算得出气压阻效应所消耗的能量为
2.32 J。 通过相关试验及仿真分析得到车门关闭过程中 6 个影响因素耗能及贡献率,如表 2 所示。
力 矩/N·m
30 20 10
0 - 10 - 20 - 30 - 40
0.00
FOCU2S01技5术年聚3焦月
技术看点
x向 y向 z向
0.14
0.28
0.42
0.56
0.70
时 间 /s
图 9 车门关闭过程中力矩曲线图
图 6 汽车流体仿真分析网格示意图
4.2 边界条件和计算设置 计算中假定空气为理想气体, 车门关闭速度为
图 5 车门开启位置挡位示意图
恰好能使车门关闭所达到的速度称为车门关闭速
度,此速度作为评价关门轻便程度的评价标准,也是仿
真分析的输入条件。
3.3 车门关闭速度测试结果
测试车门开启到车门限位器第 1 挡, 施加初始速
度,至车门完全关闭,分别记录每次车门关闭速度的大
小。 考虑气压阻效应的影响,分别对 4 辆车进行全车车
车门快速关闭过程中, 从密封条接触门框表面到 车门完全关闭, 车门在极短的时间内压缩驾驶室密闭 空间的空气, 空气被压缩后压力上升而通过没有关闭 的门缝流出。 所以快速关闭车门的过程相当于对驾驶 室密闭空间空气的压缩过程, 被压缩的空气对车门产 生气压阻效应。 反之,快速打开车门的过程相当于对驾 驶室密闭空间的抽真空过程[3]。
0.9 m/s,得到仅克服气压阻效应的关门速度为 0.3 m/s。
4 车门关闭气压阻效应仿真分析
4.1 几何模型及网格划分
综合考虑网格数量和计算精度, 利用前处理软件
- 45 -
技术聚焦 FOCUS
ANSA 建立了完整的内饰数据、排风口数据、左右后门、 铰链、门框、密封条( 压缩后) 外表面数据及整车造型面 数据,得到一个封闭空间的计算域。 图 6 示出汽车流体 仿真分析网格示意图。
0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0.000
0.00
左排风口 右排风口
0.14 0.28 0.42 0.56 0.70 时 间 /s
图 10 车门关闭过程排风口压力变化曲线图
- 46 -
2015(3)
Feature
FOCUS 技术聚焦
0.3 m/s,车门运动范围为 1 挡到车门完全关闭位置,总 计算时间为 0.71 s,每步计算时间 0.001 s,设定驾驶舱 排风口为压力出口。 4.3 分析结果及评价
图 7 示出车门关闭过程速度云图。 通过图 7 可以 看出,车门关闭前 0.6 s,大部分气流都随着车门运动排 出车外,只有一小部分气流挤入车内。
表 2 车门关闭过程中各影响因素能量消耗及贡献率
因素
能量/J
贡 献 率 /%
气压阻
-2.32
-51.6
密封条
-2.16
-48.0
重力
+0.61
+13.6
限位器
+0.15
+3.3
锁
-0.27
-6.0
铰链
-0.51
-11.3
总计
4.50
100.0
注:“ - ”代表车门关闭能量损失,“ +”代表车门关闭能量增加。
车门密封条密封性影响
因子分析
陈泱 李婉婉 韩东方 郑娟 潘坡 郭恒如 (泛亚汽车技术中心有限公司)
摘要:车门密封条开发过程中,发现同一泡管的压缩位置及方向随着密封条位于车门上的位置不同而改变的问题。通过 MARC 软件对密封条泡管方案进行压缩变形 FEA 分析,优化泡管形状、泡管内部屈服应力点的分布、密封条断面泡管的支撑 结构以及压缩面形状,定性找出密封性相关因子的影响规律,最终使泡管满足车门上所有位置压缩负荷在 4.5~6.0 N,接触宽度 在 3 mm 以上的要求。按照此方法设计的密封条断面面积相对于业界平均水平减小 15%,得到具备高性价比的密封条断面。 关键词:车门主密封条;泡管;FEA;密封压强;压缩负荷;接触宽度
门关闭和尾门开启状态的测试。 测试结果,如表 1 所示。
表 1 车门关闭速度测试结果
m/s
测试车 1# 2# 3# 4#
全车车门关闭 1.19 1.21 1.21 1.20
开尾门 0.88 0.90 0.91 0.90
取 4 辆车测量值的平均值, 全车车门关闭状态车
门关闭速度为 1.2 m/s, 尾门开启状态车门关闭速度为
汽车质量调研结果显示, 车门开闭的轻便性始终 是客户抱怨最多 的 质 量 问 题 之 一[1],因 此 ,在 车 身 设 计 过程中倍受关注。 客户往往关心的是通过手给车门初 始速度后的车门关闭时刻速度。 文章仅从气压阻效应 方面考虑对关门力的影响, 通过大量的试验统计得到 合理的关门初速度,以此初速度为仿真分析初始条件, 进行关门过程 CFD 仿真分析。 仿真分析可以得到车门 所受气压力及驾驶舱内气压力变化等, 为车门关闭过 程中气压阻效应能量消耗提供数据参考。
使用车门关闭速度测试计 1052 对 某 款 车 进 行 车 门关闭速度测量。 图 2 示出速度测试计 1052 示意图。
速度显示器 固定测速计
移动针
图 2 速度测试计 1052 示意图
设备安装方法为: 在被测试车门外把手外沿安装 移动针, 此针在车门关闭过程中与车门以相同的速度 运动。 图 3 示出移动针安装示意图。 把速度测试计安装 在可与移动针相切的侧围上,如图 4 所示。 调整好两者
2 影响车门关闭力的因素
车门关闭过程中乘客需要在门上施加一个动能, 用来克服能量损耗, 而能量的损耗是多种因素共同作 用的结果,包括气压阻效应、车门特性、密封条、铰链、 门锁及限位器。 从力学角度讲,驾驶室内压缩空气的外 推力、密封条被压缩后产生的阻力、车门铰链的机械阻 力、 车门转动轴线设计的前倾和内倾产生的重力以及 车门锁及限位器产生的阻力等在车门关闭过程中都会 对车门产生作用[4]。 图 1 示出车门在关闭过程中的能量
1 气压阻效应介绍
车门关闭气压阻效应中, 密封条压缩阻力和气压 阻 力 是 影 响 关 门 力 的 主 要 因 素 [2], 文 章 主 要 研 究 气 压 阻 效应的贡献量。
随着现代汽车设计和制造工艺的提高, 整车密封 性能越来越好,在车门关闭后,若不考虑驾驶室通气装 置,则驾驶室基本上形成一个充满大气压的密闭空间。
Simulation and Experiment on Closing Force for Car Door Based on Air Pressure Resistance Effect
Abstract: Taking the large closing force for car rear door as a research subject, the speed in the process of closing door was tested by using the velocity gauge, the speed obtained in the test achieved to 0.3 m/s which was only overcome air pressure resistance effect. Building vehicle fluid dynamics simulation grid model to simulate the closing force by using CFD as considering air pressure resistance effect, the applied force and torque, air pressure change in the cabin and the flow of outlet in the process of closing door were obtained, providing a new method for accurately calculating air pressure resistance effect in the process of closing door. Key words:Car door; Closing force; Air pressure resistance effect; Velocity gauge; CFD
力/N 压 力/Pa
0.0 0.8 1.6 2.4 3.2 4.0 速度 (/ m/s)
图 7 车门关闭过程速度云图
图 8 和图 9 分别示出车门关闭过程中受力和力矩 曲线图。 通过图 8 和图 9 可以看到,车门关闭前 0.6 s 受 力和力矩很小, 在 0.6 s 之后车门与门框距离逐渐接近, 车门所受舱内空气反作用力也逐渐增大,车门关闭瞬间 车门受力最大, 关闭位置也是锁钩钩住锁环的位置,故 可以用关闭时刻的力和力矩来评价气压阻效应的影响。
- 44 -
2第0135(期3)
Feature 分配示意图。
空气阻力
车门迎风面积 质心坐标变动值 车门质量
FOCUS 技术聚焦
的相对位置,并通过数据线连接速度显示器,快速摆动 车门,查看显示器上速度变化情况是否满足设备要求。
铰链轴线偏移角度
质心升降
质心坐标变动量
图 3 移动针安装示意图
图 4 速度测试计安装位置图
Analysis on Door Weather Strip Sealing Factor
Abstract: This paper introduces a design method for door weather strip, to solve the problem which the deformation position and direction of weather strip bulb will change along different position of the door panel around. The compression deformation is done FEA with MARC, to optimize the shape of bulb, the distribution of the yield stress points, the bulb base support and the bulb touching surface shape, to find the factors which influence sealing performance. At last, the requirement of the compression load anywhere should be 4.5~6.0 N, the contact length is above 3 mm. The sectional area of weather strip is decreased 15% compared with average sectional area of weather strip, having the best performance. Key words:Door primary seal; Bulb; FEA; Pressure of sealing; CLD; Contact length
2015( 3)
FOCU2S01技5术年聚3焦月
技术看点
基于气压阻效应的车门
关闭力仿真试验
于剑泽 李飞 乔鑫 孔繁华 ( 华晨汽车工程研究院车身 CAE 工程室)
摘要: 以轿车后门关闭力较大的问题为研究背景,利用速度测试仪对样车进行关门速度测试,得到仅克服气压阻效应的 车门关闭速度为 0.3 m/s。建立仿真分析所需的汽车流体仿真分析网格模型,利用 CFD 软件进行考虑气压阻效应的车门 关闭力仿真分析,得到了关门过程中车门所受的力和力矩、驾驶舱内气压变化情况及排风口气流流量等,找到一种能准 确求解车门关闭气压阻效应的新方法。 关键词: 车门;关闭力;气压阻效应;速度测试计;CFD 软件
30 20 10 0 - 10 - 20 - 30 - 40 - 50 0.00
x向 y向 z向
0.14
0.28
0.42
0.56
0.70
时 间 /s
图 8 车门关闭过程中受力曲线图
从表 2 可知, 气压阻和密封条在关门过程中能量 消耗占主导地位, 而重力和限位器对车门关闭是有利 的,其他 2 个因素对车门能量消耗贡献量较小。
输入能 量( 乘 客 施加给 门的动 能)
Βιβλιοθήκη Baidu
密封条 限位器
锁 铰链
车门质量 密封条压缩量 密封条特性曲线 密封条总长度 限位器摩擦力 限位器相对位置 锁与锁柱摩擦力 锁与锁柱相对位移 铰链摩擦力
铰链相对位置
3.2 车门关闭速度测试方法 本测试主要分为 3 步: 1) 汽车基本状态检查。 汽车处于空载状态,关闭非测
全开位置
2挡
3 车门关闭速度测试
3.1 车门关闭速度测试设备 人们一直认为车门闭合需要进行“ 力”的设计;但
从设计、分析及检验的方便性角度出发,车门关闭是用 “ 速度”来进行表征的。 通过对目标客户人群进行调研,
结合不同年龄、性别及身体状态等,统计得出合理的车 门关闭速度在 0.8~1.3 m/s。