10.16638/jki.1671-7988.2017.21.025
车门关闭力的优化设计
王斌，修红芳
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）
摘要：车门关闭力是客户对车辆品质最直接、主观的感受，文章总结出影响车门关闭力的六个因素，并识别出气阻和密封条是影响车门关闭力的两大主要因素。文章基于密封条的优化改进，对密封条的断面进行了优化设计，并利用CAE软件进行理论分析，通过对密封条断面的优化设计和车门内间隙的调整，成功优化了某款轿车的车门关闭力，同时也可以为相关设计及整改提供一个参考。
关键词：车门关闭力；密封条；优化设计
中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)21-72-04
Optimal design of door closing force
Wang Bin, Xiu Hongfang
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )
Abstract: The door closing force is the most direct and subjective feeling of the customer regarding the quality of the car, in this thesis ,six factors influencing the closing force of car door are summarized, and identify the two main factors that affect the closing force of the door, namely, the exhaust resistance and the seal strip. This thesis is based on the optimization of seal, the section of the seal is optimized design, and CAE software is used for theoretical analysis, through the optimization design of the seal section and the adjustment of the inner clearance of the door, the door closing force of someone car was successfully optimized, at the same time can also provide a reference for related design an rectification.
Keywords: Door closing force; seal; Optimum design
CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)21-72-04
1 车门关闭力概述
轿车车门关闭轻便性是评价轿车车门设计和汽车使用性能的重要指标之一，一直以来受到各大汽车制造
厂商及客户的关注。对于汽车厂商来说，关门力过大是在设计制造过程中必然遇到的问题之一；对于顾客而言，开、关门力会给顾客留下车辆质量好坏和档次高低的印象，汽车车门关闭过程是否平顺，是否沉重，密封性能是否良好，关闭是否轻便、灵活都是用户感受频次和关注程度较高的项目。
根据JD.power的新车质量调研，开、关门力超重始终是顾客抱怨最多的质量问题之一。本文从结构上分析车门与车身的匹配设计关系，确定影响车门关闭力的主要因素，通过基于标准车门内间隙情况下的车门密封条的优化设计，成功优化了某款轿车车门关闭力大的问题。
图1 关门轻便性影响因素
作者简介：王斌，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。
王斌等：车门关闭力的优化设计73 2017年第21期
在车门密封子系统中，车门关闭力是多种因素共同作用
的结果，它们包括气阻效应、密封条、铰链、限位器、门锁、
以及车门重力等。影响车门关闭力的因素见图1。
每一种因素对车门关闭轻便性具有不同程度的影响，下
面将阐述各因素的影响。
1.1 气阻效应
由于车门与车身的配合关系及密封条的作用，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
充满空气的密闭空间。福特公司的相关研究表明，车门关闭
时气阻效应产生的能量损失占到整个关门能量消耗的30%～
50%。
在车窗关闭的情况下车门快速关闭的过程中，可以认为
是一个压缩空气的过程。由于在空气挤压瞬间车门的位移量
很小，这一个过程可以近似的采用理想气体状态方程描述：
（1.1）
上式中P0为标准大气压，Pi为车门关闭时驾驶室内气
体压力，V0为车门关闭前驾驶室容积空间（密封条未压缩空
间），Vi为车门关闭后驾驶室空间（密封条已被压缩）。
设车门的迎风面积为A0，车门关闭过程中，胶条最大压
缩量为Si，则车内空间产生的空气阻力增量为：
空气阻力在这个过程中所做的功为：
图2 密封条的CLD曲线
1.2 密封条的影响
密封条在车门关闭时起到缓冲作用，同时也实现了车辆
的内部空间与外部的隔离，在旋转式的车门中，密封条对车
门关闭性能的影响很大。福特汽车公司的研究试验表明，轿
车车门关闭时密封条吸收了很大一部分的关门能量，占到整
个关门能量消耗的30%～50%。车门运动从接触密封条到完
全锁住这个过程中，密封条泡管受到一定程度的挤压，由于
密封条的泡管结构是中空的，在密封条压缩过程中容易产生
气垫现象而使钣金与密封条之间的动态反作用力增大，在实
际应用中密封条设置间隔规律的排气孔，以减小密封条的气
垫效应。密封条对车门关闭力的影响大小与其材料的特性、
密封方式、排气孔的数量位置及车门与车身之间的内间隙有
关。密封条材料的特性是由它的断面几何形状和压缩-负荷变
形曲线（CLD曲线，见图2）来决定的，而车门与车身的内
间隙涉及到的因素比较复杂，包括车门结构、车门的加工质
量、车门装配误差和车门运动过程中的变形等，为此车门密
封条的设计既要保证一定程度欠压时的密封性又要保证过压
时压缩负荷不会急剧增大。
1.3 限位器的影响
限位器是控制车门开度的机构，通常限位器有二至三个
不同的档位控制车门稳定的维持在不同的开度（如图3所
示），某款轿车一档车门开度为35°，二档车门开度为65°。
在车门关闭的过程中，限位器会提供一个阻力矩，车门
每越过一档，就须越过限位的限制，每一个过程都将消耗车
门关闭能量的一部分。
图3 限位器档位
1.4 铰链与车门重力的影响
铰链轴倾角
1）内外倾角铰链轴线在x=0平面上的投影与z轴之间
的夹角，一般内或外倾角不超过3°，如果造型许可，尽可
能内倾（如图4-1所示）。
2）前后倾角铰链轴线在y=0平面上的投影与z轴之间
的夹角，一般前或后倾角不超过3°，如果造型许可，尽可
能后倾（如图4-2所示）。
图4-1 铰链轴内外倾角图4-2 铰链轴前后倾角
图4
在铰链倾斜角度和车门重力的共同作用下，车门在关闭
过程中重力的分力是提供车门关闭的能量，有利于车门关闭，
而铰链的摩擦力是阻碍车门关闭的。本文中的某款车辆前门
铰链轴线内倾和后倾角度都为0度，从设计上就无法利用车
门重力改善车门关闭轻便性，且由于车辆已定型，后续改动
的代价及周期太大，无法进行更改。
1.5 门锁作用力
门锁系统由安装在车门上的锁体总成和安装在车身上的
锁钩组成，在车门关闭过程中，锁体与锁钩碰撞反作用力做
汽车实用技术
74 2017年第21期
功会消耗一部分能量，从而影响车门关闭轻便性。
以上六种因素影响车门的关闭轻便性，根据相关汽车公司的研究及相关科研机构的试验数据得知：气阻效应及胶条压缩力是影响车门关闭力的两大重要要素。
2 基于密封条结构的车门关闭力优化
某款轿车在试制期间，四门关闭力过大，尤其两个前门关门反弹，需要用很大力才能关闭。严重影响消费者的使用及主观感受，对该车辆的品质是个极大的损害。
从上面的分析我们可以看出，密封条和气阻效应对车门关闭轻便性的影响最大。但车身结构设计完成后，车厢的容积已经确定，且该车在行李舱左后侧已增加通风口，考虑到NVH及密封性、结构变动的周期成本等，因而很难再通过改变气阻来达到降低关闭力的目的，无改善优化的可能。其余四个因素（限位器、铰链、门锁、车门重力）影响不大且现阶段无整改优化的可能，因而，车门密封条的优化设计就成为优化该车车门关闭力的至关重要的因素。
密封条对车门关闭力的影响来源于其材料的特性、密封方式及车门与车身之间的内间隙。而材料的特性又是由它的断面几何形状和压缩-负荷变形曲线来决定的。
该款轿车车门是两道胶条密封，在对该轿车胶条进行优化设计时，需要分别考虑头道密封条的优化及门框密封条的优化。
优化思路：
1）通过结构优化及CAE辅助，得到既满足密封要求又能减小压缩负荷的结构；
2）通过合理增加排气孔减少气垫的影响。
2.1 头道密封条优化
该轿车车门头道密封条断面分析：头道密封条共三个断面，以下称作Ｐ１、Ｐ２、Ｐ3断面（如图5所示）；在这三个断面中，P1断面及P2断面都是直接起车门密封作用的断面，而P3断面为前后窗框之间的装饰、密封断面，对车门关闭力无影响。
图5 某款头道胶条及断面
经过对现有胶条数模断面与车身数模的匹配分析及密封条CAE分析，发现有优化的空间，下图（图6）A-D是结合前门、中门的配合状态对P1断面进行的优化，E-H是结合前门中门与侧围的配合状态对P2断面进行的优化（绿为原始断面，红为优化后的断面）。
图6 头道胶条断面优化
为验证优化后的断面是否既满足密封性的要求又能降低车门的关闭力，利用CAE分析软件对优化前后的P1、P2断面分别进行对比分析，形成优化前后头道胶条的CLD曲线对比图。
1）P1断面CAE分析
图7-1为欠压２mm时的CLD图，上图为原数模的压缩-负荷：2.52Ｎ／100mm，下图为优化断面的压缩-负荷：2.18Ｎ／100mm，经过比较分析，压缩后接触面积一样，压缩负荷比原设计小。
图7-2为理论设计状态下关门时的CLD图，上图为原数模的压缩-负荷：4Ｎ／100mm，下图为优化断面数模的压缩-负荷：3.8Ｎ／100mm，经过比较分析，接触面积一样，压缩负荷比原设计小。
图7-3为过压２mm时的CLD图，上图为原数模的压缩-负荷：5.65Ｎ／100mm，下图为优化断面的压缩-负荷：5.83Ｎ／100mm，经过比较分析，接触面积一样，压缩负荷比原设计稍大。
优化前后P1断面的压缩-负荷变形曲线（CLD曲线）见图7-4，通过CLD曲线发现，新设计断面与原设计断面密封性一致，而关闭力在正常间隙下稍小，且新断面经工艺分析能有效提高产品挤出稳定性。故按新断面进行优化。
图7-1 P1断面欠压2mm CLD 曲线图7-2 P1理论间距CLD 曲线
图7-3 P1断面过压2mm CLD 曲线图7-4 P1断面CLD曲线
图7
2）P2断面CAE分析
图7-5为欠压２mm时的CLD图，上图为原数模的压缩-负荷：２.85Ｎ／100mm，接触面积为１.7mm，下图为优化断面压缩-负荷：１.84Ｎ／100mm，接触面积为  3.2mm，经过比较分析，优化断面接触面积大，而压缩负荷比原设计小。
图7-6为理论设计状态下关门时的CLD图，上图为原数
王斌等：车门关闭力的优化设计75 2017年第21期
模的压缩-负荷：3.76Ｎ／100mm，接触面积为  2.5mm，下图为优化断面压缩-负荷：2.6Ｎ／100mm，接触面积为3.9mm，经过比较分析，优化断面接触面积大，而压缩负荷比原设计小。
图7-7为过压２mm时的CLD图，上图为原数模的压缩-负荷：４.5Ｎ／100mm，接触面积为3.3mm，下图为优化断面压缩-负荷：3.3Ｎ／100mm，接触面积为4.2mm，经过比较分析，优化断面接触面积大，而压缩负荷比原设计小。
优化前后P2断面的压缩-负荷变形曲线（CLD曲线）见图7-8，通过CLD曲线发现，新设计断面与原设计在欠压、理论关门状态、过压状态的压缩负荷都比原设计小，而接触面积却比原设计大，有利于车门声音品质及车门密封性，故采用该优化的新断面。
图7-5 P2断面欠压2mm CLD曲线图7-6 P2断面理论间隙CLD曲线
图7-7 P2断面过压2mm CLD 曲线图7-8 P2 断面CLD曲线
图7
2.2 门框密封条优化
该款轿车前后门框密封条断面一致，只有一个断面（见图8，其中红为优化断面，绿为原始断面）。
图8 某款门框胶条及断面
采用与头道密封条相同的CAE分析方法对门框密封条进行分析。并经过十倍放大投影对比分析发现密封条实物状态与原设计断面有较大偏差，经过CAE分析，绘制出门框密封条优化前后及实物胶条CLD图（见图9），从CLD曲线上可以看出，原设计断面压缩负荷最小，对车门关闭力有利，但密封性能很差，欠压2mm时几乎无压缩；实物密封性较原始设计断面好，但压缩负荷太大，过压2mm时的压缩负荷： 11.9Ｎ／100mm；优化后的密封条压缩负荷较原数模状态增加不大，但密封性能大幅改善，经过综合考虑，决定采用优化断面的门框密封条。
安徽江淮汽车
图9 门框条CLD曲线
以上通过密封条断面结构的优化设计，达到既满足欠压时的密封效果又满足过压时胶条的压缩负荷不至于急剧增加，解决了前期车门局部内间隙过大则产生风噪、漏雨，内间隙过小则关门反弹现象。
基于优化思路2的考虑，在优化密封条结构及断面的同时，我们又将密封条排气孔的间距由通常300mm状态调整为120mm-150mm状态，原密封条有一半数量的排气孔被周边遮挡，也进行了位置优化，增大了快速关闭车门过程中密封条泡管内空气的排出，极大的减少了密封条的气垫效应。
密封胶条优化的同时我们也对车门精度及装调按照设定的状态进行了调校，并最终接近设计中间值状态（即d0状态），制作了相应的装具辅助装调，保证生产一致性及减少装调工作量。
经过密封条的优化设计及车门装调的控制，该款轿车车门关闭力较试制期间有了很大改善。关门速度由初始状态v ＞1.5m/s，优化到现新下线车辆关门速度约为1.1±0.1m/s，由于新车关门速度的时效性，该数值为一个合理的状态，新车72h后商品性评价，公司资深评审专家给出评价：本次评审车辆的质量水平与前期相比有大幅度提高，特别是门开闭质感等与高端车相近。
结论
本论文经过分析调研得出了影响车门关闭力的因素，并针对具体车型成功的进行了优化设计，取得的成
效很显著。阐述了车门密封系统的影响因素及重要性，为车门密封系统的设计开发提供了方法及思路。也为相关从事车门整改优化工作的工作者提供了有益的参考和借鉴。
在本次论文中，借助了CATIA设计及密封条CAE分析等应用软件。
参考文献
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[2] 周致宏.轿车车门结构及相应密封条结构介绍.[M]汽车技术,2009.
[3] QC/T 710-2004.汽车密封条压缩负荷试验方法.