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基于虚拟仿真的客车车门关闭力预测的仿真与验证
2021-10-15 19:35:58· 来源：AutoAero
摘要在汽车工业中，车门关闭行为显示了汽车工程的设计和质量。车门作为人们进入和离开汽车所接触的第一部分，车门的开闭行为会对客户对汽车质量的第一印象产生很
摘要
在汽车工业中，车门关闭行为显示了汽车工程的设计和质量。车门作为人们进入和离开汽车所接触的第一部分，车门的开闭行为会对客户对汽车质量的第一印象产生很大影响，例如车门摆动速度以及在关闭车门至完全锁闭所需的能量。本文通过EZ-Slam装置和弹性绳两种不同的方法，对门系统进行改进，以减少关门力或关门速度。本文分析了铰链摩擦力、铰链轴倾角、密封性、门锁和空气约束效应等参数对车门关闭力的影响。在MSC.ADAMS中建立虚拟模型，通过计算能量来评估车门关闭速度每个参数的贡献。计算现模型的关门力和关门速度以为改进现有方案，并对设计提出修改意见。通过这些修改建议，关门力或速度降低了20%，试验结果与虚拟仿真一致。基于用户实际使用场景，提出了正确的关门力预测方法。
1. 简介
一辆车的车门关闭行为会影响用户对这辆车的工程质量的评价。门在打开和关闭时的行为即实现完全锁闭所需的摆动速度和能量以及用户关闭门时发出的声音对于感受门的工程质量非常重要。此外，关门不彻底或完全锁闭所需的关闭速度过快可能会引起安全问题，如耳膜压力过高或关门时发出令人不快的声音。
汽车厂商主要处理的问题往往涉及政府法规，标准和安全问题。影响汽车公司选择的另一个主要因素是顾客对产品质量的感知和印象。关门性能与该方面密切相关。本文的目的是评估结果，根据门的关闭行为，分析所有的差异和在门的关闭过程中需要考虑的设计。这将帮助我们理解需要采取哪些手段，以防性能偏离给定的目标。术语“关闭行为”可以用来表示完全锁上门所需的总能量，最需要关注的是用户为了关上门需要付出的努力。最好的分析方法是收集所有竞争对手关门努力的参数值，以便能够直接比较。
影响门关闭努力的因素有很多。这些因素主要是密封条刚度、锁紧力、铰链摩擦力和舱内压力。Nagayama等人强调了与舱内压力有关的被称为气密性的现象。根据作者的说法，气密的完整性阻碍了舱门的关闭，增加了车门关闭所需的能量。气密引起的压力增加也会导致乘客耳鼓暂时受压。如果产生的压力超过一定限度，就会对乘客的耳朵造成损害。这就需要在车门关闭时从车内排出一定数量的空气，以防止车内压力过度上升。空气泄压阀就是这样一种机械装置，其设计目的是将压力保持在人耳鼓膜可承受的极限以下，同时方便用户以最小的努力关门。作者得出结论，开启面积越大，舱内压力上升越小，最终将减少关门所需要的能量。但较大的开口面积会影响产品的等效体孔尺寸(EBHS)值，从而影响车辆NVH性能和导致BSR(嗡嗡声和嘎嘎声)问题。NVH问题可以通过近场声全息技术或所谓的波束形成(Beamforming)方法来解决。波束形成是一种基于麦克风阵列信号处理的声源识别和定位技术。一旦信号源被识别出来，就可以对信号源进行设计优化。
在本文中，我们将讨论两种关门行为研究的方法，如图1所示，第一种方法与RavirajNayek等人所示的方法类似。对于这两种方法，我们在ADAMS软件中准备了多体动力学模型。RavirajNayak等人，建立了ADAMS仿真模型，该模型包含了对车门关闭有影响的所有因素。作者介绍了两种分析方法，一种是将一定的关门速度应用于门的全开状态，并绘制出车门在关闭运动中克服铰链、空气阻力、密封和门锁阻力的动能的递减图。而提到的另一种方法是执行准静态分析，其中以恒定角速度打开和关闭，并跟踪门把手上的力。对于这些需要依靠模拟的方法，因为需要人力进行建模，对于每一个几何变化必须重新进行模拟，所以是非常耗时的。第二种方法是用弹性绳进行受力计算。
选用ADAMS多体动力学软件对关门过程进行仿真，ADAMS允许用于创建自定义的子程序来计算多体系统的作用力，该功能在计算关门过程中的空气阻力时非常有效。车门关闭时需要考虑的问题是车门密封、限位器和铰链的摩擦。我们的目标是建立一个车门开关作用力模型，该模型包括影响车门开关作用力的所有因素。我们可以使用该模型分析设计参数的影响，这些参数可以修改。所示的示意图展示了模型考虑中的阻力以及ADAMS模型的总体视图。
VitordeUzedaSandrini等人在悍马案例研究中，只关注了门密封的影响因素，而没有对其他因素进行详细的评价。
每个因素的尝试方法都会有所帮助，而不仅仅是修改密封件的CLD（压缩荷载挠度）值，这会导致由于密封不良而导致座舱内风噪声的另一个问题。但是，该问题后来通过在内部添加填充物来解决，这表明内部填充物可能会增加CLD。
图1 多体动力学模型示意图
由于空气束缚而产生的能量是由于关闭驾驶室内的门所推动空气，从而在车辆中产生压力升高。建模时被处理为铰链轴处的扭矩，该扭矩因压力升高而增加，类似于Jin等人在论文中研究的内容。每个部分的密封刚度由力元素表示。铰链摩擦力和限位器作用力表示为铰链轴处的扭矩。
2. 估算关门力和关门速度的不同方法
EZSlam方法：
图2所示的EZSlam用于测量门从外部关闭时的门作用力、门速度、能量和其他相关参数。EZSlam是EZmetrology开发的一种测量装置。该装置由两部分组成。一个部件连接到车门附近的车身上，另一个部件连接到车门上。可以在各种车门开启角度下检查车门作用力和其他相关参数。它适用于更大的车门开启角度，这意味着我们大部分时间都在限位器无止动区域操作。
图2 EZ slam方法
弹性绳方法：
图3所示的弹性绳法用于测量门从内部关闭时的门作用力（弹性绳张力）。在内门角的两端固定一根弹性绳。门以一定角度打开，并记下负载。重复此过程，直到车门完全锁紧。
图3 弹性绳方法
3. 影响门关闭速度的因素
关门能量的主要贡献因素如下：
3.1 铰链摩擦力
铰链销和两个门扇之间的摩擦力阻碍车门关闭，从而增加关闭车门所需要的力。铰链设计人员规定了铰链操作扭矩，以满足部件功能以及所有强制性法规要求。
3.2 铰链轴倾角，门的重量和重心
铰链轴倾角、车门重量和重心在车门关闭力中起着重要作用。重心和铰链轴之间的较大距离可提高车门系统中的关闭速度，其中重心随车门的类型而变化。铰链轴的倾角直接影响车门重心的移动，这对车门重量是否提供或消耗车门关闭能量具有重要作用。为了减少车门关闭力，车门铰链轴通常向车辆内部倾斜，以利用重力来克服密封件、锁扣和空气约束的阻力，从而完全关闭车门。铰链轴与最小关门能量有关。从正面看，铰链轴倾斜对车门关闭的影响比铰链轴侧面的倾斜对车门关闭的影响更大。
3.3 限位器系统
限位器是控制门的关闭和打开的装置，通常有三个预设位置。克服车门预定位置所需的力会阻碍车门关闭。影响限位器性能的因素有：滑动半径、边缘半径、所用橡胶/材料的硬度和限位器厚度
3.4 锁紧力
如果锁扣保持在某个锁紧位置，则车门需要外力才能弹出，然后，锁扣弹簧中存储的弹性势能可以自动推动车门。
3.5 门封闭力
门的关闭阻力取决于非线性弹性压缩载荷挠度(CLD)阻力，CLD阻力由密封的单位体积减小曲线(CLD曲线)决定。密封的压缩变形特性在密封能量消耗中起着重要作用。密封在门关闭过程中逐渐被压缩，因此密封变形是连续的。密封系统被分成具有一定长度的小段，总能量消耗可以通过将每个段消耗的能量相加计算出来。
3.6 空气束缚效应
当所有的车窗都关闭时，关门时乘员舱内的压力会暂时增加，这种现象被称为“空气束缚效应”。空气束缚效应在车门关闭过程中起着重要作用，不容忽视。
4. 多体动力学模型
在本节中，我们将讨论如何在ADAMS中对每个影响因素（之前在第3节中描述）进行建模，以及其在车门打开/关闭工作中的作用。根据模拟结果，可向设计团队提出建议，以确保按时交付并满足质量要求。这里简要介绍了这两种方法的内容。
车门属性
在ADAMS模型中对门的重心、质量和转动惯量和等性能进行了设置。这些特性是在实验室中测量的。
密封
压缩载荷图信息（CLD）：在ADAMS的多体车门模型中，该信息用作密封件的输入，从测试数据中收集所需信息。密封圈结构分为多个区域进行建模，如下图4所示。密封在ADAMS模型中使用一系列标记表示，这些标记放置在一定距离处。密封中的总压缩载荷除以标记的数量，并在两个标记之间建立力矢量模型。一个标记位于车门上，相应的标记位于固定面上，代表车身。两个标记之间的距离表示密封件的压缩。
图4 车门上的密封
铰链
铰链位置和铰链轴方向被建模为连接车门和车身的旋转关节。铰链摩擦力可以以扭矩的形式输入到模型中。为了减少车门关闭力，车门铰链向车辆内部倾斜，以利用重力效应减小关门力。倾斜通常朝向车辆内部，因为密封件、门锁和空气约束对完全关闭车门有很大的阻力。铰链轴的倾斜导致打开车门所需的扭矩略微增加。典型的铰链扭矩曲线如下图5所示。
图5 铰链扭矩曲线
限位器
限位器是控制车门关闭和打开运动的关键硬件，对关闭能量和作用力有很大影响。限位器有几种类型。其中一些与铰链集成，而另一些单独连接到铰链柱和车门。限位器向车门运动方向提供阻力扭矩。控制该阻力扭矩可控制打开和关闭特性。限位器通常有两个或三个称为止动装置的凹槽，用于在特定位置保持车门打开。当车门进入止动位置时，用户需要向车门施加一定量的能量，使其脱离止动位置。一旦脱离卡位，车门可自行关闭或打开，直到进入下一个凹槽。
如果在车辆处于坡道上时车门保持打开状态，这些卡销可防止车门撞向乘员。限位器的性能取决于止动槽的形状和固定弹簧的刚度。图6显示了典型的检查臂扭矩曲线。限位器连杆建模为铰链处的扭矩。设计师需要在提供足够的阻力以保持门打开的同时，不使阻力太高以至于客户难以关闭或打开门之间实现平衡。可以进行设计迭代以获得最佳匹配。
图6 带档位的限位器扭矩曲线
空气约束
在车门关闭运动中，车门将空气推入车内。如果所有车门和相应的车窗都关闭，则气压会突然升高。在该模拟中，从图7所示的CFD模拟中生成一个扭矩输入，用于对应一系列速度，并作为扭矩函数输入多体动力学模型。
图7 CFD仿真生成的空气约束扭矩曲线
弹性绳
弹性绳是一种用于评估关门力的工具。在ADAMS中将其建模为具有适当预载和刚度的弹簧。弹簧在两个标记之间建模，一个在车门上，另一个在代表车身的固定面上。
5. 分析
方法1
在ADAMS输入平台上对上述信息进行建模后，就可以模拟开启或关闭车门，得到能量图或关门力图。本节讨论EZSlam方法。利用一定的初始角速度(代表门在完全开启位置上的能量)，通过ADAMS仿真计算了门在关闭过程中特定角度的动能、门的力和门的速度。如果在运动过程中动能下降到零，门就不会到达完全锁定的位置。在这种情况下，使用更高的启动速度重新运行ADAMS模拟，直到动能在完全锁存位置变为零或非常接近它。在这种情况下，启动速度代表门关闭所需的最小速度。这是用户感觉到的更好的收关门结束指标。关门力可通过模拟确定，其中门在一定时间内以恒定速度关闭或打开，并通过跟踪保持运动所需的力来确定。两种类型的输出曲线图，即车门动能曲线图和关门力曲线图，提供有关车门整体打开和关闭运动以及所需作用力的信息。灵敏度研究如图9所示，通过确定扭矩并绘制所需参数与车门角度的曲线来进行。
图8 EZ slam方法的多体动力学模型
方法2
在这节中，我们将讨论弹性绳方法。在这种方法中，运动建模成这样一种方式：门先被打开，然后自动关闭。门以非常小的开启度打开，并在门完全关闭后绘制所需的作用力。多体动力学模型如图10所示。作用力是弹簧中预载的累积。此方法表示当用户拉动门时的作用力。采用EZ-Slam方法进行类似的迭代，并绘制图形。
图9 用于灵敏度研究的不同配置的门速度曲线
图10 弹性绳方法的多体动力学模型
6. 相关性和结果
在不同速度下绘制了动能、门作用力和不角度角等参数。如图11所示，试验结果与仿真结果具有良好的相关性。对EZ-Slam方法进行了三组模拟，发现当所有阻力存在且检查臂和座舱压力存在时，门在930mm/s时不会关闭。这表明主要原因是限位器阻力和座舱压力。
图11 仿真与试验结果对比
在弹性绳方法中也发现了类似的结果。EZSlam方法复现了更大范围的门开启角度，它是测量门行为的最合适的方法。
图12 DOE示意图
7. 结论
在本文中，对车门系统进行了改进，这有助于降低门的关闭速度。分析了影响车门关闭行为的参数，如铰链摩擦、限位器和空气束缚效应。并建立一个多体动力学模型准备评估上述参数，并进行敏感度分析。在非常小的范围内，约15度的门关闭角度，空气束缚效应起主要作用。实际的使用中是模拟在68度的门关闭角度，其中主要的敏感参数被发现是限位器和舱内压力的。进行设计迭代，给出最佳组合的扭矩值，以便门可以关闭在较少的力，最终使关门力减少了约20%。并进行了试验验证，发现结果与模拟和试验测试一致。
文献来源：Anthonysamy B , Nandi A , Bhowal P , et al. Passenger Car Door Closing Effort Prediction Using Virtual Simulation and Validation[C]// SAE WCX Digital Summit. 2021.
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