汽车观察稿件信息
考虑整车密封性的车门关闭过程压强分析
成艾国，陈枫，陈涛，刘进
（1.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙，410082；
2.上汽通用五菱股份有限公司 广西柳州 545007）
【摘要】车门关闭过程中大量气体进入乘员舱，导致车内压强瞬间升高，显著地影响乘客舒适性。此类问题在密封性高的车辆中更加突出。因此，准确模拟车门关闭压强变化并合理设计泄压阀具有重大意义。国内外相关的学者对这一过程进行了仿真分析，但都是针对简化的模型，而且没有考虑整车的密封性。本文提出一种车门关闭过程详细建模方法，在模拟车门动态关闭过程之前对整车密封性进行仿真并验证。以小型电动车为例，在满足整车密封性的基础上，分析车门关闭压强和流场状态的变化并结合实验讨论模型精度和误差原因。最后分析泄压阀的阻力特性、面积、位置对车内压强的影响。
主题词：密封性 车门关闭 压强 泄压阀
Analysis on pressure during door closure considering air tightness
CHENG Aiguo1 CHEN Feng1 CHEN Tao1 LIU Jin2
(State Key Laboratory for Advance Design and Manufacturing of Vehicle Body, Hunan University, Changsha, 410082)
【Abstract】A large amount of gas enters the passenger compartment during the door closing, resulting in an instantaneous increase in the pressure inside the vehicle, which greatly affects the customer's ride experience. This problem is more prominent in the vehicles with high sealing performance. Therefore, it is important to accurately simulate the pressure during door closing and design the pressure relief valve reasonably. Relevant scholars have conducted a simulation analysis of this process, but they are all aimed at a simplified model and do not consider the vehicle's air tightness. This paper proposes a detailed modeling method that the vehicle’s air tightness is simulated and verified before the door closing process is simulated. Taking a small electric vehicle as an example, on the basis of meeting the vehicle’s tightness, the pressure changing and flow field during door closing is analyzed and combining experiment to discuss the accuracy of the model. At last, the resistance characteristic, area, and location of the pressure relief valve which can influence the pressure inside the car is studied.
Keywords：Air tightness; door closure; pressure; pressure relief valve(PRV)
1前言
近年来，随着经济的迅速发展，越来越多的人具备了汽车消费能力。同时也对汽车的性能要求提出了更高的要求，除功能性和可靠性以外，汽车的乘坐舒适性也越来越受到消费者的关注。而车门关闭过程中的压强升高是影响乘坐舒适性的一项重要因素[1-3]。随着车辆气密性水平的提高，关门耳压的问题也更加突出，会给顾客带来不适，尤其对儿童的耳朵带来危害。
车门关闭过程中，大量的气体随着车门的运动压入乘员舱内，导致车内压强迅速升高。此时车身上泄压阀的开启能够减小这种影响[4]，但是泄压阀的具体设计尺寸、位置、泄压特性却很少有深入的研究。关于车门关闭过程中的流场特性，国内外学者分别从数值仿真和理论分析方面进行了研究。高云凯等[5]使用理想气体等熵压缩过程和数值积分的方法，计算出车门关闭过程中的压强变化曲线和能量消耗。 Y L Leed[6]和张瑞[7]分别通过动网格和重叠网格[8-11]的方法，对简化模型的车门关闭过程进行数值模拟。定性分析出车门关闭速度和车身泄露面积对车内压强的影响。于剑泽、李飞[12]考虑车门与侧围的装配，以0.3m/s的关门速度作为输入，得到车门关闭过程中的受力曲线和力矩。但这些研究中的模型都是根据实车尺寸建立的简化模型，且没有考虑整车的密封特性，与实际状态有一定的差距。
针对以上研究的不足，本文考虑了整车的密封特性，并对某小型电动车进行详细建模，分析了车门关闭过程中的流场特征及压力变化曲线。然后将仿真结果与实验结果进行对比，分析误差的原因。最后分别讨论泄压阀的泄压特性，孔洞面积以及位置对车内压强峰值的影响，为泄压阀的设计提供参考。
2整车密封性
整车密封性是衡量汽车质量的重要指标之一，它直接影响到车辆的乘坐舒适性、NVH、空调效率和以及燃油经济性[13]。同时也是影响关门过程中车内流场及压强分布的重要因素，因此在进行关门过程数值分析之前，先对模型的密封特征进行模拟。
2.1气密性实验
整车密封性通过试验获得，即在所有车门，侧窗关闭的情况下，使用鼓风机往车内通气，从而使车内外形成压差。达到稳定后记录不同的气流量（CFM）和相应的压差值（Pa），即整车的泄露曲线。工程中为了方便，常以125Pa下的泄漏量表征整车的密封特性。其中，鼓风机入口和泄压阀尺寸如表1所示。
表1气密性实验几何参数
|
|
形状 |
尺寸（ |
面积（ |
|
进口 |
圆形 |
半径0.075 |
0.0177 |
|
泄压阀 |
矩形 |
长0.122宽0.092 |
0.112 |
为减小系统误差，取3款SOP后的车进行气密性实验，实验结果如表2所示，从表中可以得知，3款车的数据十分接近，确认实验车辆的状态良好以及实验数据可靠。取实验结果的平均值作为研究车型的密封性参数。
表2气密性实验数据
|
测试静压（Pa） |
流量（CFM）） |
|||
|
测试一 |
测试二 |
测试三 |
平均值 |
|
|
25 |
122.3 |
124.4 |
121.3 |
122.7 |
|
50 |
182.1 |
187.4 |
184.9 |
184.8 |
|
75 |
234.3 |
239.6 |
237.9 |
237.3 |
|
100 |
275.7 |
282.1 |
281.5 |
279.8 |
|
125 |
312.5 |
321.2 |
319.5 |
317.7 |
|
150 |
343.2 |
350.5 |
348.5 |
347.3 |
|
175 |
371.6 |
379 |
376.2 |
375.6 |
2.2气密性仿真模拟
根据气密性实验时进出口面积，以及不同状态下的气体泄漏量，可以得到进出口的平均速度，其中
提取某车型的内饰面，并保留座椅、仪表等内饰件。根据气密性实验的布置，建立仿真模型如图1所示，将鼓风机气流入口设置为速度进口，速度
，式中，
为泄漏量，
为进口面积。左右泄压阀处为压力出口，压强大小为大气压0。并将副仪表处的一点作为压强监测点。
|
|
图1 气密性仿真模型
根据伯努利定理，在监测点和泄压阀出口处存在能量守恒，即：
（1）
其中
，
，
分别为监测点处的压强势能，动能，和重力势能，
，
，
为泄压阀出口处的压强势能，动能，和重力势能，
为整个行程中损失的能量。由于1,2处高度之差可以忽略不计，且由于监测点处，流道截面远大于泄压阀处，可以忽略其动压大小，泄压阀出口处静压为大气压0。故最终的方程可以简化为：
（2）
通过计算，不同的泄漏量下，各工况的的总压损失
如表3所示。
表3各工况压力损失
|
测试静压（Pa） |
进口速度（ |
出口速度 |
出口动压（Pa） |
总压损失（Pa） |
|
25 |
3.26 |
2.57 |
3.91 |
21.09 |
|
50 |
4.91 |
3.88 |
8.91 |
41.09 |
|
75 |
6.3 |
4.98 |
14.68 |
60.32 |
|
100 |
7.43 |
5.87 |
20.4 |
79.60 |
|
125 |
8.44 |
6.67 |
26.34 |
98.66 |
|
150 |
9.22 |
7.29 |
31.47 |
118.53 |
|
175 |
9.97 |
7.88 |
36.77 |
138.23 |
仿真模型中，将整个乘员舱作为流体区域，左，右泄压阀作为多孔介质区域，区域之间通过内部界面衔接。在确定泄压阀的阻力特性前，将左右泄压阀的粘性阻力系数和惯性阻力系数都设为0。得到不同工况下监测点的压强，并反求出泄压阀处单位尺寸压强损失（泄压阀高度
）如表4所示。
表4仿真时各工况压力损失
|
进口速度
（ |
监测点静压 （Pa） |
光孔总压损失 （Pa） |
泄压阀压力损失 （Pa） |
单位尺寸压强损失（ |
|
3.26 |
6.4 |
2.69 |
18.4 |
141.2 |
|
4.91 |
14.6 |
5.69 |
35.4 |
270.2 |
|
6.3 |
24 |
9.32 |
51 |
389.3 |
|
7.43 |
34 |
13.6 |
66 |
503.8 |
|
8.44 |
44 |
17.66 |
81 |
618.3 |
|
9.22 |
52.4 |
20.93 |
97.6 |
745 |
|
9.97 |
61.9 |
25.13 |
113.1 |
863.4 |
将泄压阀截面处的流速与单位尺寸压强损失进行多项式拟合，二者近似有二次函数的关系。拟合函数
拟合度
。
|
|
图2泄压阀特性曲线
因此，可以使用多孔介质对泄压阀处的流动进行模拟。在多孔介质流动中，能量的损失一部分由于惯性作用，另一部分由于粘性作用。即：
（3）
其中
为单位尺寸压强损失，
为惯性阻力系数，
为粘性阻力系数。根据图2的拟合曲线，可知:
，
。
将反求出的泄压阀阻力特性参数添加到原来的仿真模型，重新对各工况下的车内静压进行监测。求得各工况下的压强如表5所示。
表5 各工况下的压强
|
进口速度
（ |
监测点压强（Pa） |
|
|
|
实验值 | |||
