铰链对车门缝隙电磁屏蔽特性影响分析

赵 曌，徐中明，贺岩松，刘青松，丁良旭

（1.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400030；2.重庆车辆检测研究院有限公司 重庆市电磁兼容工程技术研究中心，重庆 401122）

为了实现安全、环保、舒适、节能等方面的要求，现代汽车应用了大量的电子器件。汽车电子技术的应用程度已成为衡量汽车技术水平的一个重要标志。汽车行业中70%的创新来源于汽车电子，或者与汽车电子密切关联。统计数据表明，在国内生产的轿车中，电子部件的成本已占整车总成本的20%～30%，国外高档轿车的这个比例已达到30%～40%。汽车电子设备一方面带来了性能方面的提升，而另一方面，由于其工作特性，也带来了大量的电磁辐射干扰，对车外的接收机设备造成干扰。同时，汽车电子设备也是易受干扰的敏感设备，外部的电磁干扰将会影响它的正常运行，从而影响整车的性能。

屏蔽作为一种提高电子设备电磁兼容性能的常用方法，既可以防止电子电路的辐射发射对其它电子产品的干扰，也可以防止产品外部的辐射发射耦合到产品内部电子电路中导致的内部干扰。汽车车门缝隙的存在既为外界电磁辐射干扰进入车内提供了通路，也导致了汽车内部电磁辐射的向外泄露，而车门上的铰链及门锁的存在对车门缝隙的截断作用将会影响车门的电磁屏蔽效能。因此，研究车门铰链及门锁对缝隙的电磁耦合特性的影响具有十分重要的现实意义。

1 汽车车门的模型简化

1.1 汽车车门的结构分析

图1为汽车前门的结构示意图。由图可知，车门前部安装有一对铰链，用以实现车门的开闭以及为车门处于开启状态时的固定提供支撑力。车门的后部安装了一个门锁机构，用以在车门关闭时锁紧。车门的缝隙结构属于拐角趋于直角的梯级结构，缝隙之中填充了密封橡胶条。

1.2 汽车车门的模型简化

参照某型三厢乘用车的前车门参数建立了一个车门的简化模型，进而研究它的电磁屏蔽特性。简化模型缝隙结构如图2所示，带箭头线段所穿过的空间为电磁波在缝隙中传播的通道。

过去的研究表明，车门缝隙结构的屏蔽效能受缝隙拐角角度变化的影响很小，所以简化模型中缝隙的拐角角度都设定为90°[1]。因为车门各处的缝隙宽度近似，且密封性设计较好的车门缝隙宽度均在3 mm左右，所以为了提高计算效率，缝隙各个部分的宽度都设为3 mm，同时忽略缝隙内局部突变结构对电磁传播的微扰作用，缝隙拐角处无过渡圆弧结构，且内壁光滑，无凸起、凹槽等微小结构。由于密封条材料的绝缘特性决定了它对电磁波传播的影响很小，所以缝隙内设为空气腔。本文主要考虑车门缝隙的电磁屏蔽特性，因此车门简化模型的车窗部分用同车窗玻璃等厚度的理想导体填充。

2 车门缝隙电磁屏蔽仿真模型建立

2.1 缝隙的有限元法（FEM）计算

对于带孔缝空腔的屏蔽特性已经做了很多研究，常用的研究方法有矩量法（Method of Moments，MOM）[2]、传输线法（Transmission Line Method，TLM）[3]、时域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）[4-5]和有限元法（Finite Element Method，FEM）[6]等。

电磁场的FEM是目前研究应用比较多的计算方法，应用范围广，适合分析各种复杂机构，配合现代高速、大存储量的计算机，能够方便地得到较为精确的结果。ANSOFT公司的HFSS软件基于FEM进行电磁场仿真分析，是业界公认的三维电磁场设计分析的标准软件。本文采用HFSS仿真，计算分析主要参数对车门缝隙电磁屏蔽特性的影响。

FEM求解电磁场问题的基本公式为麦克斯韦磁场微分方程，即

式中，∆为拉普拉斯算子；A为矢量磁势；μ为介质磁导率；ε为介电常数；J为电流密度；t为时间变量；φ为磁通量；n为法向量；Γ1为一类边界；Γ2为二类边界。

HFSS软件求解相应电磁问题的步骤如下。

（1）区域离散。在有限元分析中，区域离散是最重要的一步，因为区域离散的方式将影响计算机内存的需求、计算时间和数值结果的精度。本文所述模型选用四面体作为基本单元，并通过软件的自适应网格剖分功能对误差较大的区域进行网格的细化处理，以保证仿真结果的精度。

（2）插值函数的选择。在每一个离散单元结点上的值是我们要求的未知量，在其内部其它点上的值是依靠结点值对其进行插值。HFSS软件在处理本文模型时选用高阶多项式插值以保证精度。

（3）方程组的建立。对麦克斯韦方程利用变分方法建立误差泛函，由于问题已经离散化为很多个子域的组合，因此，首先在每个单元内建立泛函对应的小的线性表达式；其次，将其填充到全域矩阵中的相应位置；最后应用边界条件来得到矩阵方程的最终形式。

（4）方程组的求解。最终的方程组有确定型和本征值型两种。确定型是从非齐次微分方程或非齐次边界条件或从它们两者兼有的问题中导出的。本征值型是从齐次微分方程和齐次边界条件导出的[7]。

2.2 车门缝隙计算仿真模型

根据车门的简化模型在HFSS软件中建立相应的计算仿真模型，如图3所示。据1.2所述，车门的尺寸参数如图4所示。

激励源选取强度为1 V/m的平面波，电场方向为z轴方向，垂直于车门平面由外向内入射，指向车厢腔体的几何中心。频率范围设定为30～2 000 MHz。

上下铰链同轴且初始跨距350 mm，上铰链顶端相对于车门底端的高度的初始值为H=535 mm；门锁环距车门底端360 mm，位于理想位置[8]，即铰链轴线中心垂直面。

3 车门缝隙的仿真计算

某个屏蔽体的屏蔽效能定义为入射到屏蔽层的电（磁）场幅度与穿透屏蔽层传输的电（磁）场幅度之比，单位为dB，表达式如下。

式中：E1、H1分别为无屏蔽体时某一点的电场和磁场强度；E2、H2分别为安装屏蔽体后同一点的电场和磁场强度。

不同位置处的屏蔽效能不同，本文中将按照屏蔽效能的定义分别计算腔体几何中心处车门缝隙的电场和磁场屏蔽效能[9]。

3.1 铰链及门锁安装位置对屏蔽效能的影响

车门设计中上、下铰链轴应在同一条直线上，同时，上下铰链的跨距与车门长度之比要大于1/3，且在结构允许的情况下跨距应尽可能大，而门锁的理想位置应居于铰链轴线中心垂直面[10-11]。

在我国，由于过去的车辆中电子器件的使用较少，电磁兼容的问题未凸显，直到近十几年才逐渐受到重视，而车门作为汽车诞生之时便存在的重要组件之一，在汽车工业发展的历史长河中经过不断改进，已经积累了相当的设计经验，它的各项机械性能（如振动，开闭时的噪声，开闭状态下的受力）已得到了周全的考虑，因此不应该对车门进行结构上的大幅度改造。

当长缝隙被截断成多段较短缝隙时，它的电磁性能会发生改变，而车门前端的一对铰链以及车门后端的门锁的存在对车门缝隙形成了截断作用。为了尽量不影响车门本身的机械性能，综合参考车门设计的相关文献，仿真分析中，在保持了门锁位置不变且始终居于铰链轴线中心垂直面的情况下，逐渐加大铰链跨距至上限位，此时上铰链顶端距车门底端620 mm，分别仿真计算了30～2 000 MHz频率范围内铰链位于各个位置时的电场与磁场的屏蔽效能。

上铰链顶端距车门底部的距离初始值铰链高度为540 mm，到达上限位时铰链高度为620 mm，逐次增加10 mm进行仿真。相应地，下铰链底端距车门底部的距离为770 mm铰链高度。计算结果如图5～8所示。

各曲线所对应的上铰链顶端距车门底端的高度如图9所示。

由图5和图6可知，在650 MHz以下，除了铰链顶端距车门底端的高度为595 mm、605 mm、615 mm时在270 MHz处有明显的骤降外，铰链跨距的变化对屏蔽特性没有显著影响。这种骤降是由于正好处在箱体的谐振频点上，导致从缝隙耦合进箱体的电磁波反而得到加强，造成实际屏蔽效能产生剧烈的变化，而且由于铰链位置变化所导致的缝隙长度变化也会影响到缝隙的谐振频点值。在650 MHz以上时，随着频率逐渐走高，铰链跨距的变化对磁场屏蔽效能的影响渐趋明显，并开始导致各个频率上的屏蔽效能发生剧烈的波动。而且，可以看出，高频段的屏蔽效能有明显的降低趋势。

由图7和图8可知，电场屏蔽效能的总体变化趋势与磁场屏蔽效能类似，但是屏蔽效能的值却要低得多，比磁场效能低约50 dB。所以在高频段，电场屏蔽效能的值逐渐降至0 dB以下，表明此时车门由于缝隙的存在，已经不能对电场起到屏蔽作用，相反，还会由于反射等原因使腔体内部的场强变大。

3.2 实测数据对比验证

参考GB 14023—2011布置试验对某款乘用车进行辐射骚扰限制的测量，试验布置如图10所示，各试验仪器的具体摆放位置与相应的接线方式详见GB 14023—2011。

仿真分析中，辐射骚扰监测点的方向垂直于车门平面，实际测试时，天线方向与仿真分析中测点方向一致时的测量结果如图11所示。可知，在干扰源辐射参数不变的情况下，随着频率的增加，所测得的辐射骚扰的值逐渐增大，根据前述屏蔽效能的概念，说明屏蔽效能逐渐降低。通过对采集数据的计算验证，得出此趋势与仿真分析的结果具有一致性，表明仿真分析的结果具备可靠性。

3.3 研究的应用性展望

车辆在投入市场之前需要在相关认证机构完成相关的检测，电磁兼容检测也是其中必须完成的部分，其检测内容参考GB 14023—2011、GB—T18387等执行。以图12为例，图示内容为参考GB 14023—2011进行的平均值检波器限值辐射测量，上端阶梯型直线为标准所规定的限值，蓝线为实际检测中所测得的辐射量，若蓝线在规定的频率范围内始终处于红线以下则视为符合此标准的要求。若不达标，则要进行相应的整改，直到达标方可投入市场。

提取仿真试验中的数据如图13所示。

其中虚线为铰链跨距为575 mm时的屏蔽效能曲线，实线为铰链跨距为555 mm时的屏蔽效能曲线。由图可知，在830～970 MHz范围内，铰链跨距增大20 mm可提高3～8 dB的屏蔽效能，而在630～700 MHz范围内，相应的变化也会带来最多5.5 dB屏蔽效能的降低。因此若在初次检测中，此型车在高频部分（820～960 MHz）的辐射量略高于或极接近标准限值（3 dB以内），而低频部分（620～720 MHz）的表现良好的话，适当改变车门的铰链跨距可以作为一种整改的参考方法。

4 结论

通过仿真计算结果的对比可知，车门铰链跨距的变化在低频段不会对车门缝隙的电磁屏蔽效能产生显著的影响，而在高频段则有较大影响。具体表现为相同频率上的屏蔽效能出现很大的差异，在某些频率点上可达30～40 dB。车门缝隙结构对电场的屏蔽能力很弱，甚至会因为反射的原因导致某些频段内屏蔽性能出现负值。随着频率的增大，车门的电磁屏蔽效能整体呈下降趋势。

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