基于能量守恒的尾门自动落锁分析

张 伟，陈智家，陈钲金

（浙江零跑科技股份有限公司，浙江 杭州 310053）

汽车车门关闭性能是评价汽车车门设计和汽车使用性能的重要指标之一，直接反映了车辆质量的好坏及汽车厂的生产制造水平。目前国产汽车试制或批量生产过程中大都会受到车门关闭困难问题的困扰，导致反复进行质量整改，耗费大量的人力物力[1]。因此，在车身设计中车门关闭性能倍受关注。

本文通过分析各影响因素在尾门关闭过程中产生或消耗的能量，并根据能量守恒定律，获得尾门自动落锁需要的能量。另外，系统分析了各影响因素的相关参数对自动落锁的影响，为汽车尾门自动落锁设计及质量问题改进提供理论依据，以减少后期的质量整改。

1 尾门自动落锁定义

为便于分析，首先对自动落锁进行量化定义。汽车尾门在关门过程中会经历手动关门及自动关门两个阶段，从开门位置往下关门的初期，气弹簧的支撑力矩大于尾门重力矩，需要人手施加外力才能将尾门往下关，这一区间称之为手动关门区间。在关门过程中由于重力矩和支撑力矩不断变化，在某一位置会达到平衡，尾门会处于悬停状态，称之为关门平衡点；越过这一平衡点重力矩大于支撑力矩，尾门不需要外力会自动关闭，称之为自动关门区间，如图1 所示。

图1 关门区间

所谓自动落锁，即尾门越过平衡点后尾门在自动关门区间内可以达到尾门全锁状态；需要说明的是，在手动关门阶段，由于人手力的作用，在达到平衡点时尾门已经具备了一定的初速度，这个初速度使得尾门在此刻已经具备了一定的动能，此动能会直接影响到是否可以自动落锁，而这个动能大小取决于人用多大的力去关门，属于人为因素，无法对其量化计算。

本文研究的自动落锁是指在关门平衡点时尾门处于悬停静止状态（即动能为0，目的是避免人为因素对系统产生影响），以这个状态为起点，研究尾门是否可以自动落锁。

2 自动落锁的影响因素

影响尾门自动落锁因素主要有密封条压缩变形、车内气压阻力、门锁作用力、铰链摩擦力矩、气弹簧、缓冲块限位块、尾门重量及重心以及铰链轴线布置位置等因素。另外还有在生产及工艺控制方面出现的非正常或不确定因素，本文不做研究。

通过能量守恒定律，从能量的角度分析尾门是否可以自动落锁，即在从平衡点到全锁这一关门过程中，有哪些能量是帮助关门的，称之为对系统做正功；有哪些能量是阻碍关门的，称之为对系统做负功。通过对这些能量进行计算，若正功总和≥负功总和，则认为尾门可以自动落锁；反之，则认为不能。

各因素具体影响分析如下：

1.密封条

尾门关闭过程中对密封条产生挤压，密封条受挤压后产生反作用力，此作用力在尾门关闭过程中消耗能量，阻碍尾门关闭。密封条对闭合力的影响主要有三个指标：压缩负荷，压缩量及总长度[2-3]。总长度一般由BRLINE 决定，密封条设计过程中可通过设计合理的压缩负荷和压缩量满足能耗目标要求。

2.气压

尾门快速关闭过程中，从密封条接触尾门密封面到完全关闭，尾门在极短的时间压缩车内空间的空气，车内空气受压后压力上升产生一个气压阻，在尾门关闭过程中消耗能量，对系统做负功[4-5]。

3.门锁

尾门关闭过程中，门锁通过锁扣与锁体的啮合达到尾门关闭，在锁体转动过程中必然消耗能量，锁体和锁扣啮合一般设计两级锁紧位，每个锁紧位均需克服回位弹簧力消耗动能，对系统做负功。

4.铰链

铰链对关门能量的影响在于尾门关闭过程中，铰链的固定部分和活动部分的相互摩擦会损耗能量，摩擦力主要体现为铰链自身旋转阻力。此部分对系统做负功。

5.气弹簧

尾门关闭过程中气弹簧对尾门会有一个支撑力，此部分力对尾门做的功阻碍尾门关闭，为负功。需要说明的是，如果关门过程中气弹簧过了死点，力臂变为负值，则此部分功为正功，计算时应计算气弹簧负功与正功的和，一般情况下这个值还是属于负功。

6.缓冲块/限位块

尾门关闭过程中，从缓冲块限位块与对手件接触到尾门完全关闭，缓冲块及限位块会产生一个弹性势能，此部分能量消耗尾门动能，对系统做负功。

7.尾门重量及重心

关门过程中，尾门重心Z向会有一个向下的位移，这段位移内重力势能转换为动能。重心及铰链位置影响重力臂以及重心的Z向位移，尾门重量越大、重力臂越大、重心Z向位移越大，则重力做的功越大；尾门重力帮助关门，对系统做正功。

3 模型建立

自动落锁的各个影响因素的数学模型分别如下：

3.1 尾门密封条

1）假设尾门关闭时，尾门平面压缩密封条；2）密封条变形为弹性变形；3）密封条沿周长方向均匀受力。

把长度为L的密封条分割成n段，每段长ΔLi，则关闭尾门时压缩第i段密封条所消耗的能量为

式中，Fi为尾门压缩时第i段密封条产生的阻力；P为密封条压缩负荷，N/m；S为密封条压缩量，mm。

在密封条长度L上，阻力所做的总功为

可以看出，影响密封条能耗主要参数为密封条长度、压缩负荷及压缩量。密封条长度在车身结构设计时已基本确定，长度越长，产生的阻力越大；压缩负荷一般由密封条材料、截面形式等决定，压缩负荷越大，产生的阻力越大。

3.2 气压阻力

1）假设尾门从压缩密封条开始至结束的运动是平动过程；2）假设驾驶室空间内的空气为理想气体，尾门关闭压缩过程中忽略温度上升值；3）假设驾驶室内空气质量不变。根据工程热力学理想气体状态方程可得[6]

式中，P0为标准大气压；V0为尾门关闭前车内空气容积；Pi为关闭时驾驶室内气压；Vi为尾门关闭后车内空气容积。

设尾门迎风面积为A0，密封条压缩量为Si，则

尾门关闭过程中，当密封条压缩量为Si时，驾驶室容积变化而产生的阻力为

由以上可得空气压缩阻力增量所做的功为

从式（6）可以看出，车内体积V0越大，压缩比例越小，关门消耗的能量越小，关门越轻便，如图8 所示；迎风面积A0（即尾门面积）越大，关闭尾门所克服的阻力越大，尾门关闭力越大。

3.3 门锁

尾门关闭至接触锁扣到完全锁上这个过程，需要提供克服锁扣力所需的能量，设尾门闭合过程中锁的啮合力为f，关闭尾门锁舌运动距离为S，则门锁关闭能耗为

从式（7）可以看出，锁的啮合力越大，行程越大，则耗能越大。

3.4 尾门铰链

尾门关闭过程中，尾门自身的旋转阻力对系统做功，设铰链的旋转力矩为M,从平衡点至关闭状态铰链旋转的角度（弧度），单个铰链耗能为

从式（8）可以看出，铰链旋转阻力越大，铰链转过的弧度越大，则耗能越大。

3.5 气弹簧

气弹簧做的功可以用气弹簧的支撑力矩乘转过的弧度来计算，但由于支撑力矩与角度的函数较为复杂，故转换为气弹簧自身从平衡点至关门状态行程变化量范围内所做的功，设气弹簧工作行程为S，从平衡点至关门状态行程为S1，关门起始点力值为F3，关闭状态气弹簧力值为F4，则气弹簧耗能为

从式（9）可以看出，气弹簧力值越大，S1越大，则气弹簧耗能越大。

3.6 缓冲块、限位块

尾门关闭过程中，从缓冲块限位块与对手件接触到尾门完全关闭，设缓冲块弹性系数为K，干涉量为x，缓冲块个数为n，则缓冲块做的功为

从式（10）可以看出，缓冲块弹性系数越大，干涉量越大，个数越多则耗能越多；限位计算模型同缓冲块。

3.7 重力

尾门在闭合过程中重力产生的势能为

式中，m为尾门质量；h为从平衡点到关闭位置尾门重心的Z方向变化量。可以看出尾门质量越大、重心Z向落差越大，对系统产生的能量越大。

综合以上，各影响因素的具体数值均已模型化。

4 实际案例分析

根据能量守恒原理，帮助关门的能量应不小于阻碍关门的能量尾门才能自动落锁，即满足如下关系式[7]

以某车型为例，受限将各影响因素以表格新式列出，再将各因素的影响参数作为第二季输入列出，计算过程采用上文的公式，最终可以得到各因素做的功，计算如表1 所示。

表1 能量计算

通过计算可知，帮助关门的能量为17.13 J，阻碍关门的能量为16.43 J，理论角度分析尾门可自动落锁，但由于二者差值不大，若钣金内间隙、密封条压缩载荷、气弹簧力值、环境温度、缓冲块干涉量等因素略有些偏差，则很可能导致不能自动落锁。

通过实车验证，理论计算的结果与实际情况较为接近。在新车型应用时，可以通过调节各种参数，来达到需要的效果。

5 总结和建议

通过上述分析可知，在阻碍关门的各种能量中，气弹簧所做的贡献最大；对这部分能量最为敏感的两个参数是F4的值（压缩到底时气弹簧力值）以及S1（关门平衡点至全关位置气弹簧行程）；而这两个参数又受尾门重力、重心位置、铰链轴线、气弹簧布置位置、高低温以及气弹簧自身力值公差极限工况下的开关门力的要求等条件所制约，很难同时满足各种要求。如满足了自动落锁，就满足不了关门力的要求，导致气弹簧支撑不起来尾门；另一方面，上述制约条件中有些因素是相互矛盾的，如为了降低F4以及S1，希望降低门重以及关门平衡点角度，但门重及关门平衡点降低了，势必导致重力势能也随之降低，反而又影响自动落锁。

综上，尾门自动落锁影响因素较多，各种因素相互制约，在车型设计中应对各种因素综合考虑统筹计算，以便达到最优效果，提升尾门关闭品质。