摘要：汽車車門的縫隙是汽車電磁干擾的耦合途徑之一。通過分析車門縫隙及相關(guān)附件的結(jié)構(gòu)，綜合前人研究成果，提出了車門及其依附腔體的簡化模型，進而以某型三廂乘用車的前車門尺寸參數(shù)為基礎(chǔ)在HFSS軟件中建立模型，進行了仿真運算。綜合車門設(shè)計時在力學(xué)、振動以及噪聲方面的考慮，通過逐漸加大車門鉸鏈的跨距來考察電磁場屏蔽效能的變化。結(jié)果表明，在650MHz以下時鉸鏈跨距的變化對屏蔽效能的影響甚微，而在650MHz以上時，不同鉸鏈跨距對相同頻率上屏蔽效能的影響顯著。由此得到了改進汽車電磁兼容性能的一種參考方法。

為了實現(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)水平的一個重要標志。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比例已達到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，對車外的接收機設(shè)備造成干擾。同時，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影響它的正常運行，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車門縫隙的截斷作用將會影響車門的電磁屏蔽效能。因此，研究車門鉸鏈及門鎖對縫隙的電磁耦合特性的影響具有十分重要的現(xiàn)實意義。

汽車車門的模型簡化

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鉸鏈，用以實現(xiàn)車門的開閉以及為車門處于開啟狀態(tài)時的固定提供支撐力。車門的后部安裝了一個門鎖機構(gòu)，用以在車門關(guān)閉時鎖緊。車門的縫隙結(jié)構(gòu)屬于拐角趨于直角的梯級結(jié)構(gòu)，縫隙之中填充了密封橡膠條。

1.2汽車車門的模型簡化

參照某型三廂乘用車的前車門參數(shù)建立了一個車門的簡化模型，進而研究它的電磁屏蔽特性。簡化模型縫隙結(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，所以簡化模型中縫隙的拐角角度都設(shè)定為90°。因為車門各處的縫隙寬度近似，且密封性設(shè)計較好的車門縫隙寬度均在3mm左右，所以為了提高計算效率，縫隙各個部分的寬度都設(shè)為3mm，同時忽略縫隙內(nèi)局部突變結(jié)構(gòu)對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。

車門縫隙電磁屏蔽仿真模型建立

2.1縫隙的有限元法（FEM）計算對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（MethodofMoments，MOM）、傳輸線法（TransmissionLineMethod，TLM）、時域有限差分法（FiniteDifferenceTimeDomain，F(xiàn)DTD）和有限元法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM）等。

電磁場的FEM是目前研究應(yīng)用比較多的計算方法，應(yīng)用范圍廣，適合分析各種復(fù)雜機構(gòu)，配合現(xiàn)代高速、大存儲量的計算機，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進行電磁場仿真分析，是業(yè)界公認的三維電磁場設(shè)計分析的標準軟件。本文采用HFSS仿真，計算分析主要參數(shù)對車門縫隙電磁屏蔽特性的影響。

FEM求解電磁場問題的基本公式為麥克斯韋磁場微分方程，即

式中，Δ為拉普拉斯算子；A為矢量磁勢；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，因為區(qū)域離散的方式將影響計算機內(nèi)存的需求、計算時間和數(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)格剖分功能對誤差較大的區(qū)域進行網(wǎng)格的細化處理，以保證仿真結(jié)果的精度。

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

（3）方程組的建立。對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)離散化為很多個子域的組合，因此，首先在每個單元內(nèi)建立泛函對應(yīng)的小的線性表達式；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。

2.2車門縫隙計算仿真模型

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

激勵源選取強度為1V/m的平面波，電場方向為z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30～2000MHz。上下鉸鏈同軸且初始跨距350mm，上鉸鏈頂端相對于車門底端的高度的初始值為H=535mm；門鎖環(huán)距車門底端360mm，位于理想位置，即鉸鏈軸線中心垂直面。

車門縫隙的仿真計算

某個屏蔽體的屏蔽效能定義為入射到屏蔽層的電（磁）場幅度與穿透屏蔽層傳輸?shù)碾姡ù牛﹫龇戎?，單位為dB，表達式如下。

式中：E1、H1分別為無屏蔽體時某一點的電場和磁場強度；E2、H2分別為安裝屏蔽體后同一點的電場和磁場強度。

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算腔體幾何中心處車門縫隙的電場和磁場屏蔽效能。

3.1鉸鏈及門鎖安裝位置對屏蔽效能的影響

車門設(shè)計中上、下鉸鏈軸應(yīng)在同一條直線上，同時，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。

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，已經(jīng)積累了相當?shù)脑O(shè)計經(jīng)驗，它的各項機械性能（如振動，開閉時的噪聲，開閉狀態(tài)下的受力）已得到了周全的考慮，因此不應(yīng)該對車門進行結(jié)構(gòu)上的大幅度改造。

當長縫隙被截斷成多段較短縫隙時，它的電磁性能會發(fā)生改變，而車門前端的一對鉸鏈以及車門后端的門鎖的存在對車門縫隙形成了截斷作用。為了盡量不影響車門本身的機械性能，綜合參考車門設(shè)計的相關(guān)文獻，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，此時上鉸鏈頂端距車門底端620mm，分別仿真計算了30～2000MHz頻率范圍內(nèi)鉸鏈位于各個位置時的電場與磁場的屏蔽效能。

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

各曲線所對應(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650MHz以下，除了鉸鏈頂端距車門底端的高度為595mm、605mm、615mm時在270MHz處有明顯的驟降外，鉸鏈跨距的變化對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上，導(dǎo)致從縫隙耦合進箱體的電磁波反而得到加強，造成實際屏蔽效能產(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影響到縫隙的諧振頻點值。在650MHz以上時，隨著頻率逐漸走高，鉸鏈跨距的變化對磁場屏蔽效能的影響漸趨明顯，并開始導(dǎo)致各個頻率上的屏蔽效能發(fā)生劇烈的波動。而且，可以看出，高頻段的屏蔽效能有明顯的降低趨勢。由圖7和圖8可知，電場屏蔽效能的總體變化趨勢與磁場屏蔽效能類似，但是屏蔽效能的值卻要低得多，比磁場效能低約50dB。所以在高頻段，電場屏蔽效能的值逐漸降至0dB以下，表明此時車門由于縫隙的存在，已經(jīng)不能對電場起到屏蔽作用，相反，還會由于反射等原因使腔體內(nèi)部的場強變大。

3.2實測數(shù)據(jù)對比驗證

參考GB14023—2011布置試驗對某款乘用車進行輻射騷擾限制的測量，試驗布置如圖10所示，各試驗儀器的具體擺放位置與相應(yīng)的接線方式詳見GB14023—2011。

仿真分析中，輻射騷擾監(jiān)測點的方向垂直于車門平面，實際測試時，天線方向與仿真分析中測點方向一致時的測量結(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。通過對采集數(shù)據(jù)的計算驗證，得出此趨勢與仿真分析的結(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

車輛在投入市場之前需要在相關(guān)認證機構(gòu)完成相關(guān)的檢測，電磁兼容檢測也是其中必須完成的部分，其檢測內(nèi)容參考GB14023—2011、GB—T18387等執(zhí)行。以圖12為例，圖示內(nèi)容為參考GB14023—2011進行的平均值檢波器限值輻射測量，上端階梯型直線為標準所規(guī)定的限值，藍線為實際檢測中所測得的輻射量，若藍線在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)始終處于紅線以下則視為符合此標準的要求。若不達標，則要進行相應(yīng)的整改，直到達標方可投入市場。提取仿真試驗中的數(shù)據(jù)如圖13所示。

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

結(jié)論

通過仿真計算結(jié)果的對比可知，車門鉸鏈跨距的變化在低頻段不會對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，在某些頻率點上可達30～40dB。車門縫隙結(jié)構(gòu)對電場的屏蔽能力很弱，甚至?xí)驗榉瓷涞脑驅(qū)е履承╊l段內(nèi)屏蔽性能出現(xiàn)負值。隨著頻率的增大，車門的電磁屏蔽效能整體呈下降趨勢。