趙 曌，徐中明，賀巖松，劉青松，丁良旭

（1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2.重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司 重慶市電磁兼容工程技術(shù)研究中心，重慶 401122）

為了實(shí)現(xiàn)安全、環(huán)保、舒適、節(jié)能等方面的要求，現(xiàn)代汽車應(yīng)用了大量的電子器件。汽車電子技術(shù)的應(yīng)用程度已成為衡量汽車技術(shù)水平的一個(gè)重要標(biāo)志。汽車行業(yè)中70%的創(chuàng)新來源于汽車電子，或者與汽車電子密切關(guān)聯(lián)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在國內(nèi)生產(chǎn)的轎車中，電子部件的成本已占整車總成本的20%～30%，國外高檔轎車的這個(gè)比例已達(dá)到30%～40%。汽車電子設(shè)備一方面帶來了性能方面的提升，而另一方面，由于其工作特性，也帶來了大量的電磁輻射干擾，對(duì)車外的接收機(jī)設(shè)備造成干擾。同時(shí)，汽車電子設(shè)備也是易受干擾的敏感設(shè)備，外部的電磁干擾將會(huì)影響它的正常運(yùn)行，從而影響整車的性能。

屏蔽作為一種提高電子設(shè)備電磁兼容性能的常用方法，既可以防止電子電路的輻射發(fā)射對(duì)其它電子產(chǎn)品的干擾，也可以防止產(chǎn)品外部的輻射發(fā)射耦合到產(chǎn)品內(nèi)部電子電路中導(dǎo)致的內(nèi)部干擾。汽車車門縫隙的存在既為外界電磁輻射干擾進(jìn)入車內(nèi)提供了通路，也導(dǎo)致了汽車內(nèi)部電磁輻射的向外泄露，而車門上的鉸鏈及門鎖的存在對(duì)車門縫隙的截?cái)嘧饔脤?huì)影響車門的電磁屏蔽效能。因此，研究車門鉸鏈及門鎖對(duì)縫隙的電磁耦合特性的影響具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 汽車車門的模型簡(jiǎn)化

1.1 汽車車門的結(jié)構(gòu)分析

圖1為汽車前門的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，車門前部安裝有一對(duì)鉸鏈，用以實(shí)現(xiàn)車門的開閉以及為車門處于開啟狀態(tài)時(shí)的固定提供支撐力。車門的后部安裝了一個(gè)門鎖機(jī)構(gòu)，用以在車門關(guān)閉時(shí)鎖緊。車門的縫隙結(jié)構(gòu)屬于拐角趨于直角的梯級(jí)結(jié)構(gòu)，縫隙之中填充了密封橡膠條。

1.2 汽車車門的模型簡(jiǎn)化

參照某型三廂乘用車的前車門參數(shù)建立了一個(gè)車門的簡(jiǎn)化模型，進(jìn)而研究它的電磁屏蔽特性。簡(jiǎn)化模型縫隙結(jié)構(gòu)如圖2所示，帶箭頭線段所穿過的空間為電磁波在縫隙中傳播的通道。

過去的研究表明，車門縫隙結(jié)構(gòu)的屏蔽效能受縫隙拐角角度變化的影響很小，所以簡(jiǎn)化模型中縫隙的拐角角度都設(shè)定為90°[1]。因?yàn)檐囬T各處的縫隙寬度近似，且密封性設(shè)計(jì)較好的車門縫隙寬度均在3 mm左右，所以為了提高計(jì)算效率，縫隙各個(gè)部分的寬度都設(shè)為3 mm，同時(shí)忽略縫隙內(nèi)局部突變結(jié)構(gòu)對(duì)電磁傳播的微擾作用，縫隙拐角處無過渡圓弧結(jié)構(gòu)，且內(nèi)壁光滑，無凸起、凹槽等微小結(jié)構(gòu)。由于密封條材料的絕緣特性決定了它對(duì)電磁波傳播的影響很小，所以縫隙內(nèi)設(shè)為空氣腔。本文主要考慮車門縫隙的電磁屏蔽特性，因此車門簡(jiǎn)化模型的車窗部分用同車窗玻璃等厚度的理想導(dǎo)體填充。

2 車門縫隙電磁屏蔽仿真模型建立

2.1 縫隙的有限元法（FEM）計(jì)算

對(duì)于帶孔縫空腔的屏蔽特性已經(jīng)做了很多研究，常用的研究方法有矩量法（Method of Moments，MOM）[2]、傳輸線法（Transmission Line Method，TLM）[3]、時(shí)域有限差分法（Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD）[4-5]和有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）[6]等。

電磁場(chǎng)的FEM是目前研究應(yīng)用比較多的計(jì)算方法，應(yīng)用范圍廣，適合分析各種復(fù)雜機(jī)構(gòu)，配合現(xiàn)代高速、大存儲(chǔ)量的計(jì)算機(jī)，能夠方便地得到較為精確的結(jié)果。ANSOFT公司的HFSS軟件基于FEM進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真分析，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)分析的標(biāo)準(zhǔn)軟件。本文采用HFSS仿真，計(jì)算分析主要參數(shù)對(duì)車門縫隙電磁屏蔽特性的影響。

FEM求解電磁場(chǎng)問題的基本公式為麥克斯韋磁場(chǎng)微分方程，即

式中，?為拉普拉斯算子；A為矢量磁勢(shì)；μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率；ε為介電常數(shù)；J為電流密度；t為時(shí)間變量；φ為磁通量；n為法向量；Γ1為一類邊界；Γ2為二類邊界。

HFSS軟件求解相應(yīng)電磁問題的步驟如下。

（1）區(qū)域離散。在有限元分析中，區(qū)域離散是最重要的一步，因?yàn)閰^(qū)域離散的方式將影響計(jì)算機(jī)內(nèi)存的需求、計(jì)算時(shí)間和數(shù)值結(jié)果的精度。本文所述模型選用四面體作為基本單元，并通過軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分功能對(duì)誤差較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化處理，以保證仿真結(jié)果的精度。

（2）插值函數(shù)的選擇。在每一個(gè)離散單元結(jié)點(diǎn)上的值是我們要求的未知量，在其內(nèi)部其它點(diǎn)上的值是依靠結(jié)點(diǎn)值對(duì)其進(jìn)行插值。HFSS軟件在處理本文模型時(shí)選用高階多項(xiàng)式插值以保證精度。

（3）方程組的建立。對(duì)麥克斯韋方程利用變分方法建立誤差泛函，由于問題已經(jīng)離散化為很多個(gè)子域的組合，因此，首先在每個(gè)單元內(nèi)建立泛函對(duì)應(yīng)的小的線性表達(dá)式；其次，將其填充到全域矩陣中的相應(yīng)位置；最后應(yīng)用邊界條件來得到矩陣方程的最終形式。

（4）方程組的求解。最終的方程組有確定型和本征值型兩種。確定型是從非齊次微分方程或非齊次邊界條件或從它們兩者兼有的問題中導(dǎo)出的。本征值型是從齊次微分方程和齊次邊界條件導(dǎo)出的[7]。

2.2 車門縫隙計(jì)算仿真模型

根據(jù)車門的簡(jiǎn)化模型在HFSS軟件中建立相應(yīng)的計(jì)算仿真模型，如圖3所示。據(jù)1.2所述，車門的尺寸參數(shù)如圖4所示。

激勵(lì)源選取強(qiáng)度為1 V/m的平面波，電場(chǎng)方向?yàn)閦軸方向，垂直于車門平面由外向內(nèi)入射，指向車廂腔體的幾何中心。頻率范圍設(shè)定為30～2 000 MHz。

上下鉸鏈同軸且初始跨距350 mm，上鉸鏈頂端相對(duì)于車門底端的高度的初始值為H=535 mm；門鎖環(huán)距車門底端360 mm，位于理想位置[8]，即鉸鏈軸線中心垂直面。

3 車門縫隙的仿真計(jì)算

某個(gè)屏蔽體的屏蔽效能定義為入射到屏蔽層的電（磁）場(chǎng)幅度與穿透屏蔽層傳輸?shù)碾姡ù牛﹫?chǎng)幅度之比，單位為dB，表達(dá)式如下。

式中：E1、H1分別為無屏蔽體時(shí)某一點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度；E2、H2分別為安裝屏蔽體后同一點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

不同位置處的屏蔽效能不同，本文中將按照屏蔽效能的定義分別計(jì)算腔體幾何中心處車門縫隙的電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽效能[9]。

3.1 鉸鏈及門鎖安裝位置對(duì)屏蔽效能的影響

車門設(shè)計(jì)中上、下鉸鏈軸應(yīng)在同一條直線上，同時(shí)，上下鉸鏈的跨距與車門長度之比要大于1/3，且在結(jié)構(gòu)允許的情況下跨距應(yīng)盡可能大，而門鎖的理想位置應(yīng)居于鉸鏈軸線中心垂直面[10-11]。

在我國，由于過去的車輛中電子器件的使用較少，電磁兼容的問題未凸顯，直到近十幾年才逐漸受到重視，而車門作為汽車誕生之時(shí)便存在的重要組件之一，在汽車工業(yè)發(fā)展的歷史長河中經(jīng)過不斷改進(jìn)，已經(jīng)積累了相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，它的各項(xiàng)機(jī)械性能（如振動(dòng)，開閉時(shí)的噪聲，開閉狀態(tài)下的受力）已得到了周全的考慮，因此不應(yīng)該對(duì)車門進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的大幅度改造。

當(dāng)長縫隙被截?cái)喑啥喽屋^短縫隙時(shí)，它的電磁性能會(huì)發(fā)生改變，而車門前端的一對(duì)鉸鏈以及車門后端的門鎖的存在對(duì)車門縫隙形成了截?cái)嘧饔?。為了盡量不影響車門本身的機(jī)械性能，綜合參考車門設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)，仿真分析中，在保持了門鎖位置不變且始終居于鉸鏈軸線中心垂直面的情況下，逐漸加大鉸鏈跨距至上限位，此時(shí)上鉸鏈頂端距車門底端620 mm，分別仿真計(jì)算了30～2 000 MHz頻率范圍內(nèi)鉸鏈位于各個(gè)位置時(shí)的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的屏蔽效能。

上鉸鏈頂端距車門底部的距離初始值鉸鏈高度為540 mm，到達(dá)上限位時(shí)鉸鏈高度為620 mm，逐次增加10 mm進(jìn)行仿真。相應(yīng)地，下鉸鏈底端距車門底部的距離為770 mm鉸鏈高度。計(jì)算結(jié)果如圖5～8所示。

各曲線所對(duì)應(yīng)的上鉸鏈頂端距車門底端的高度如圖9所示。

由圖5和圖6可知，在650 MHz以下，除了鉸鏈頂端距車門底端的高度為595 mm、605 mm、615 mm時(shí)在270 MHz處有明顯的驟降外，鉸鏈跨距的變化對(duì)屏蔽特性沒有顯著影響。這種驟降是由于正好處在箱體的諧振頻點(diǎn)上，導(dǎo)致從縫隙耦合進(jìn)箱體的電磁波反而得到加強(qiáng)，造成實(shí)際屏蔽效能產(chǎn)生劇烈的變化，而且由于鉸鏈位置變化所導(dǎo)致的縫隙長度變化也會(huì)影響到縫隙的諧振頻點(diǎn)值。在650 MHz以上時(shí)，隨著頻率逐漸走高，鉸鏈跨距的變化對(duì)磁場(chǎng)屏蔽效能的影響漸趨明顯，并開始導(dǎo)致各個(gè)頻率上的屏蔽效能發(fā)生劇烈的波動(dòng)。而且，可以看出，高頻段的屏蔽效能有明顯的降低趨勢(shì)。

由圖7和圖8可知，電場(chǎng)屏蔽效能的總體變化趨勢(shì)與磁場(chǎng)屏蔽效能類似，但是屏蔽效能的值卻要低得多，比磁場(chǎng)效能低約50 dB。所以在高頻段，電場(chǎng)屏蔽效能的值逐漸降至0 dB以下，表明此時(shí)車門由于縫隙的存在，已經(jīng)不能對(duì)電場(chǎng)起到屏蔽作用，相反，還會(huì)由于反射等原因使腔體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)變大。

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證

參考GB 14023—2011布置試驗(yàn)對(duì)某款乘用車進(jìn)行輻射騷擾限制的測(cè)量，試驗(yàn)布置如圖10所示，各試驗(yàn)儀器的具體擺放位置與相應(yīng)的接線方式詳見GB 14023—2011。

仿真分析中，輻射騷擾監(jiān)測(cè)點(diǎn)的方向垂直于車門平面，實(shí)際測(cè)試時(shí)，天線方向與仿真分析中測(cè)點(diǎn)方向一致時(shí)的測(cè)量結(jié)果如圖11所示?？芍诟蓴_源輻射參數(shù)不變的情況下，隨著頻率的增加，所測(cè)得的輻射騷擾的值逐漸增大，根據(jù)前述屏蔽效能的概念，說明屏蔽效能逐漸降低。通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的計(jì)算驗(yàn)證，得出此趨勢(shì)與仿真分析的結(jié)果具有一致性，表明仿真分析的結(jié)果具備可靠性。

3.3 研究的應(yīng)用性展望

車輛在投入市場(chǎng)之前需要在相關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)完成相關(guān)的檢測(cè)，電磁兼容檢測(cè)也是其中必須完成的部分，其檢測(cè)內(nèi)容參考GB 14023—2011、GB—T18387等執(zhí)行。以圖12為例，圖示內(nèi)容為參考GB 14023—2011進(jìn)行的平均值檢波器限值輻射測(cè)量，上端階梯型直線為標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值，藍(lán)線為實(shí)際檢測(cè)中所測(cè)得的輻射量，若藍(lán)線在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)始終處于紅線以下則視為符合此標(biāo)準(zhǔn)的要求。若不達(dá)標(biāo)，則要進(jìn)行相應(yīng)的整改，直到達(dá)標(biāo)方可投入市場(chǎng)。

提取仿真試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)如圖13所示。

其中虛線為鉸鏈跨距為575 mm時(shí)的屏蔽效能曲線，實(shí)線為鉸鏈跨距為555 mm時(shí)的屏蔽效能曲線。由圖可知，在830～970 MHz范圍內(nèi)，鉸鏈跨距增大20 mm可提高3～8 dB的屏蔽效能，而在630～700 MHz范圍內(nèi)，相應(yīng)的變化也會(huì)帶來最多5.5 dB屏蔽效能的降低。因此若在初次檢測(cè)中，此型車在高頻部分（820～960 MHz）的輻射量略高于或極接近標(biāo)準(zhǔn)限值（3 dB以內(nèi)），而低頻部分（620～720 MHz）的表現(xiàn)良好的話，適當(dāng)改變車門的鉸鏈跨距可以作為一種整改的參考方法。

4 結(jié)論

通過仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比可知，車門鉸鏈跨距的變化在低頻段不會(huì)對(duì)車門縫隙的電磁屏蔽效能產(chǎn)生顯著的影響，而在高頻段則有較大影響。具體表現(xiàn)為相同頻率上的屏蔽效能出現(xiàn)很大的差異，在某些頻率點(diǎn)上可達(dá)30～40 dB。車門縫隙結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)的屏蔽能力很弱，甚至?xí)驗(yàn)榉瓷涞脑驅(qū)е履承╊l段內(nèi)屏蔽性能出現(xiàn)負(fù)值。隨著頻率的增大，車門的電磁屏蔽效能整體呈下降趨勢(shì)。

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