车门系统闭合力影响因素及设计要求

魏益冰 张宏森

(德创未来汽车科技有限公司,西安，710200)

0 前言

车门闭合力泛指用户关门的感觉，包括关门过程中力的大小、速率和施力位置等。随着用户对整车品质的重视，针对整车性能特别是操作舒适性提出更高的要求，车门闭合效果是影响操作舒适性的重要主观评价指标，受到用户的广泛关注。在汽车开闭系统开发过程中，闭合力设计一直是个难点问题，失败的设计会导致关门困难、关门声难听及门洞漏风漏水等问题，因此各主机厂的J.D.POWER 新车质量调研报告、IQS 调查表和Apeal 评价表内对关门品质都提出考核评价要求。

1 车门系统闭合力影响因素

影响车门系统闭合力的因素有很多，本文处所提到的影响因素单指在设计阶段能够规避的影响因素。总结有要以下8 个影响因素：铰链轴线布置、车门重心位置、铰链空转力矩、限位器结构、锁体关闭过程中的作用力、密封条压缩载荷、密封间隙设计、车门关闭过程中空气阻力。

2 车门系统闭合力设计要求

2.1 铰链轴线布置

铰链轴线布置主要影响车门重心的抬升量。重心抬升后，车门关闭过程中，重力可以转换为关门的助动力，能够降低关门所用人力，能够改善关门操作舒适性。但是如果重心抬升太高，将导致开门吃力，所以铰链轴线的布置并非是一味增大重心抬升量，而是找到一个相对平衡的位置。影响车门重心抬升量的因素是车门铰链轴线的倾角。由图1 与图2 可以看出，后倾与内倾都会导致车门重心抬升，但据此依然无法确定轴线倾角的范围。

图1 前后倾角对重心抬升量的影响

图2 内外倾角对重心抬升量的影响

车门开关过程的举升高度，是影响开关门时的操作感觉(可通过开关门操作力矩、能量分析)的关键因素。一般铰链轴倾角的设计应满足在开关门时，通过限位器中间档位后，车门有自动打开关闭的趋势。布置时应优化车门倾角，以满足车门开关操作的舒适性要求，如图3 所示。

图3 内倾2.5°与前倾组合对重心抬升量

经分析铰链轴前倾+内倾布置，车门举升高度的变化趋势，利于车门开关闭。但因周边布置条件的限制，允许在此基础上进行调整，例如：因为前门布置结构带来的限制，后门铰链轴线需要后倾。

铰链轴倾角导致在车门闭合方向上有一个重力在关门方向上的助F，F=mg*sinα，其中α 为重力与重心和铰链轴形成的平面的夹角，且 F 法向于该平面。重力分力矩=F*R。铰链轴内倾导致车门开启时重心抬高，重心变化导致的势能差有利于车门闭合计算公式：Δ Ep=mg*Δh 。图4 为三组较优组合对应重心抬升量、重力分力矩、重力势能随车门关闭的变化。

综上分析总结，铰链倾角应为：前倾1～2.5°，内倾1～2.5°，重心抬升高度10～25 mm。

2.2 车门重心位置

车门重心位置对闭合力的影响归根结底是重力矩对开关门的助力影响。在重心抬升量不变的情况下，力臂越大，重力助力效果越明显，所以车门重心应尽量远离铰链轴线。但重心位置与造型、布置等有很大关联，所以在设计前期关注即可，不必刻意为之，如条件允许，尽可能使车门重心远离铰链轴线。

2.3 车门空转力矩

铰链空转力矩是开关门过程的阻力矩，阻力矩越小越好。但是铰链产品是轴和轴套的铆接关系，为保证轴的同轴度，需要一定的铆接力，所以空转力矩是不可避免的。铰链空转力矩范围：0.8～1.5 Nm。

2.4 限位器结构

限位器在车门开关过程中提供阻力矩，目的是为保证车门能够在固定位置限位。限位阻力过大会导致车门开闭力增大，阻力过小车门无法限位，所以限位器的限位力应控制在一定范围内，限位器开闭力值见图5。根据车门开闭人机评价及车门驻坡限位要求，限位器限位力范围为：35～40 N。

图5 车门限位器开闭力

2.5 锁体关闭过程作用力

车门的关闭过程中，通过锁体与锁扣之间的啮合来达到车门关闭的目的，则在锁体绕锁扣转动过程中，必然消耗动能。

图6 所示为车门关闭过程中锁体绕锁扣啮合过程的力与位移关系。减小此阻力有利于车门关闭，但此力与锁体结构有关，无法克服，在锁体产品技术要求中，应明确此力的范围。例如，某车型锁体与锁扣啮合过程中：力的变化10～45 N，运动距离20 mm。

图6 克服锁扣阻力和位移曲线

2.6 密封条压缩载荷

车门密封条的压缩载荷力在车门关闭过程中起很重要的作用，密封条要起到密封作用，需要有一定的压缩力，所以密封条的压缩载荷力应控制在一个范围内。车门一般情况下有两道密封条，分别为门洞条和门密封条，部分经济型车型出于成本考虑，会取消门密封条，仅一道密封。密封条的压缩载荷设计如下：门洞密封条载荷力：3±1.5 N/100 mm，门密封条载荷力：4±1.5 N/100 mm。

2.7 密封间隙设计

如图7 所示，门洞密封间隙指的是止口与门密封面直接距离，门密封间隙指的是门密封面与侧围密封面之间的间隙。表1为某车型车门系统密封间隙定义。

图7 车门系统密封截面

表1 某车型车门系统密封间隙定义

2.8 车门关闭过程中空气阻力

门洞密封间隙13 mm，车门在关闭过程中，空气被压缩，通过排气孔排出车外，如果汽车排气孔设计不当，将导致车门关闭力增大。表2 为某车型车门最小关闭速度受排气孔的影响。

表2 某车型车门最小关闭速度与排气孔的关系 (m/s)

由上可见，车舱内空气阻力对车门关闭力有较大影响。车身排气孔的设计不属于开闭件专业，但开闭件专业在前期设计应提出要求。

3 结论

(1)铰链轴线布置主要影响车门重心的抬升量，一般情况下建议铰链轴前倾+内倾布置，同时考虑周边件布置找到一个相对平衡的位置。

(2)单纯考虑闭合力希望车门系统重心应尽量远离铰链轴线，以增大重力矩对开关门的助力，但车门重心受造型、布置限制。

(3)铰链空转力矩越小越好，但考虑铰链工程可行性，建议铰链空转力矩范围：0.8～1.5 Nm。

(4)根据车门开闭人机评价及车门驻坡限位要求，限位器限位力范围为：35～40 N。

(5)减小关门过程中锁体与锁扣之间的啮合力，有利于车门关闭。

(6)一般情况下门洞密封条载荷力：3±1.5 N/100 mm，门密封条载荷力：4±1.5 N/100 mm。

(7)门密封间隙和门洞密封间隙参考竞品车，定义一个合理的值。

(8)设计阶段充分考虑车门关闭速度与排气孔的关系。