背门系统开闭性能集成设计与计算研究
摘要：汽车背门系统的可关闭性能、可解锁性能、可弹起性能与耐振动异响性能是背门系统各零部件力学性能集成的结果，每个零件的力学参数都有一个合理的设计区间，单纯地增大或减小都可能导致某方面的性能出现问题。通过对各项性能进行建模计算，并考虑公差与环境因素的影响，得到了各零部件力学参数的设计区间，精确地指导背门系统各零部件的力学参数设计，有效解决了背门开闭过程中的功能失效问题。
关键词：背门开闭性能集成设计计算
汽车背门系统的开闭性能指的是与背门开闭过程相关的操作感受以及功能实现，其中操作感受分为开启操作力、关闭操作力、开闭平衡角度与开闭声音品质四个维度[1]，功能实现分为可关闭性能、可解锁性能、可弹起性能与耐振动异响性能四个方面。目前关于背门开闭过程中功能实现的研究更多地集中在背门的可关闭性能方面，对于可解锁性能、可弹起性能与耐振动异响性能的研究较少，对于四方面功能实现的集成研究更少。这四个方面的性能是背门系统各零部件力学性能的集成，如果为解决或优化某一方面的性能问题，单方向地对某一个或某几个零件的力学参数进行调整，都可能导致其他三个方面的性能出现问题。本研究从上述四方面功能实现的基本原理出发，分别建立了力学模型进行计算分析，以四方面功能的实现作为约束条件，对背门系统各零部件的作用效果进行了计算，得到了背门系统各零部件力学参数的设计区间，实现了背门系统开闭性能的集成设计。
1背门系统可关闭性能的计算与优化
背门的关闭过程通常是将背门由最大开启位置手动拉动至平衡角度位置，然后自由释放背门或在释放瞬间顺势对背门施加一个关闭初速度推动背门关闭。背门由最大开度拉动至平衡角度为关闭第一阶段，过程中手动操作力的大小与平顺性取决于背门的重力以及气弹簧的布置；背门由平衡位置关闭至上锁位置为关闭的第二阶段，如果在释放背门瞬间需要对背门施加较大的初速度才能使背门关闭上锁，那么直观的关闭感受就是背门关闭困难，关闭舒适性差，因此可将关闭初速度的大小作为背门关闭舒适性的评价指标。
1.1背门系统可关闭性能计算模型的建立
背门关闭的第二阶段是一个能量转换过程，此过程中背门重心降低，重力势能释放与关闭初动能一同推动背门关闭上锁，过程中阻碍背门关闭的耗能因素可分为三类，第一类是气弹簧、密封条、缓冲块的压缩耗能以及锁体与锁扣的啮合耗能，第二类是背门铰链运动端与固定端的摩擦耗能，第三类是车舱内空气压缩以及密封条泡管内空气压缩的气压阻效应耗能[2-3]。在背门关闭的第二阶段要实现背门能够关闭上锁，需满足以下能量转换条件。
重力做功+初动能≥压缩耗能+摩擦耗能+气压阻耗能
1.2背门关闭过程中气压阻效应耗能的计算分析
目前关于背门气弹簧、密封条、缓冲块与锁体等零件压缩耗能的计算以及背门铰链摩擦耗能的计算研究较多，计算与测试方法也较为成熟，此处不再赘述。关于车舱气压阻效应耗能的计算，目前主流的计算模型是将车舱简化为一个长方体盒子，将气体泄漏面积分为固定泄漏与可变泄漏两部分，固定泄漏包括车身固有的密封泄漏与排气口泄漏，可变泄漏包括背门关闭过程中不同开度的背门开口泄漏[4]。因车舱气压阻效应耗能的大小与整车密封性能的好坏、背门开口线的大小、车身排气口的布置与大小以及座椅布局等一系列复杂的影响因素有关，采用上述简化模型的计算结果与气压阻效应的实际影响效果相差很大。此外，密封条泡管的气压阻效应耗能与密封条的截面形状、压缩方向以及排气孔的位置与数量等复杂因素有关，采用简化模型的计算结果同样与实际作用效果差别较大。
1.3背门关闭过程中气压阻效应耗能的测试研究
因气压阻效应对背门关闭过程的影响机理复杂，目前没有对于车舱气压阻效应与密封条气压阻效应耗能的直接测试方法。针对气压阻效应耗能计算准确性差以及无有效方法直接测试其大小的问题，设计了一种等效替换的测试方法，通过可测量参数计算间接得到气压阻效应消耗能的大小，并通过数据拟合对计算模型进行相应的系数加权，使得气压阻效应耗能的计算准确性得到了有效提升，其中车舱气压阻效应耗能的测试原理如下[5]。
在测试车辆装配完整的状态下，开启乘客舱的四个侧开门至最大开度，此状态下乘客舱为完全敞开状态，可认为背门关闭上锁过程中无车舱气体压缩，此状态下无车舱气压阻效应耗能，记录此状态下自由释放背门可关闭至全锁位置的最小背门开度如图1中开度1所示。关闭所有乘客舱侧开门至全锁位置，并上升四门车窗玻璃至全闭位置，此状态下背门关闭过程中乘客舱产生气体压缩，气压阻效应对背门关闭产生能量消耗，记录此状态下自由释放背门可关闭至全锁位置的最小背门开度如图1中开度2所示。
在上述两个不同的背门开度下，背门密封条、缓冲块、锁体等压缩对背门关闭的能量消耗无变化，背门重力势能的差值为背门气弹簧耗能差值与车舱气压阻效应耗能之和，可得背