框架式結(jié)構(gòu)汽車門鎖系統(tǒng)布置匹配方法分析研究

宋策 丁祎 臧宏

（北京汽車股份有限公司汽車研究院）

框架式結(jié)構(gòu)汽車門鎖系統(tǒng)布置匹配方法分析研究

宋策 丁祎 臧宏

（北京汽車股份有限公司汽車研究院）

以某款轎車的汽車門鎖系統(tǒng)布置匹配為例，論述了汽車門鎖在車身中的位置、汽車門鎖與鉸鏈軸線的位置關(guān)系，以及汽車門鎖與外把手的位置關(guān)系。并總結(jié)出一種新的汽車門鎖系統(tǒng)布置匹配方法。通過CAE分析及DMU運動分析驗證了該布置方法的有效性。對樣車進行耐久性試驗結(jié)果可知，采用該方法布置匹配的汽車門鎖系統(tǒng)全部零件功能正常，僅鎖扣嚙合處的電鍍層出現(xiàn)輕微磨損，但符合設(shè)計要求。

1 前言

目前汽車企業(yè)基本都選用成熟的汽車門鎖產(chǎn)品，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的主要工作是進行汽車門鎖系統(tǒng)的布置與匹配。汽車門鎖系統(tǒng)的布置匹配直接影響車門系統(tǒng)的性能、開啟機構(gòu)的操作性及汽車門鎖系統(tǒng)的耐久性。

本文以某款轎車的門鎖系統(tǒng)布置匹配為例，論述了汽車門鎖在車身中的位置、汽車門鎖與鉸鏈軸線的位置關(guān)系以及汽車門鎖與外把手的位置關(guān)系，并通過CAE分析及DMU運動分析驗證了布置方法的有效性。

2 汽車門鎖在車門中的位置

目前比較流行的設(shè)計方法是將汽車門鎖布置在車門質(zhì)心線上，該方法的優(yōu)點是可以使外把手的開啟力最小，但缺點是門鎖位置靠下，使車門系統(tǒng)受力不均勻。某款轎車的車門為框架式結(jié)構(gòu)，其窗框采用焊接方式連接在車門內(nèi)板上，車門上部剛度相對較弱，易受密封條的反作用力而產(chǎn)生變形。根據(jù)受力分析，對于此種框架式車門，提出新的汽車門鎖布置方案:

a.在Z向位置應(yīng)盡可能向上，靠近車門腰線；

b.在X方向，車門長度l（鉸鏈軸線與門內(nèi)板上汽車門鎖嚙合點的距離）與上、下鉸鏈的跨度z之比（l/z）應(yīng)小于3；

c.車門系統(tǒng)的質(zhì)心位于汽車門鎖與上、下鉸鏈所組成的三角區(qū)域內(nèi)。

該方案的優(yōu)點是汽車門鎖位置相對靠上，既能提高車門系統(tǒng)的剛度，又能確保車門系統(tǒng)受力均勻，如圖1所示。

除了車門結(jié)構(gòu)之外，汽車門鎖位置還受到周邊零件的影響，特別是前門鎖，需要避讓后門上鉸鏈與后門線束等零件。汽車門鎖位置不能無限制提高，但為了確保車門系統(tǒng)受力穩(wěn)定，汽車門鎖仍需高于上、下鉸鏈的中心線。圖2為某該轎車的門鎖布置示意圖。

3 汽車門鎖與鉸鏈軸線的位置關(guān)系

汽車門鎖位置確定之后，還需要進一步確定汽車門鎖的角度。在車門關(guān)閉過程中，汽車門鎖的運動軌跡是繞鉸鏈軸線做圓周運動，因此門鎖的安裝與鉸鏈軸的布置必須協(xié)調(diào)。為確保鎖體與鎖扣嚙合順暢，無論鉸鏈軸線是否傾斜，鎖體與鎖扣的Y向嚙合中心線應(yīng)始終與鉸鏈軸線垂直，如圖3a所示。同時，在車門關(guān)閉過程中，為減小鎖體與鎖扣的嚙合力，門鎖應(yīng)與鎖扣垂直嚙合。根據(jù)平面幾何原理，過切點做切線的垂直線必然通過圓心。因此門鎖與鎖扣垂直嚙合，即鎖體與鎖扣的X向嚙合中心線與鉸鏈軸相交，如圖3b所示。

4 汽車門鎖與外把手的匹配

4.1 連桿式連接

汽車門鎖與外把手連接分為連桿連接與拉索連接兩種型式。由于連桿連接成本較低，因此被廣泛采用。連桿在傳遞運動時會產(chǎn)生行程損耗，容易影響外把手的操作力與操作行程，因此需要重點校核。由于外觀造型與車門分縫線走向等原因，汽車門鎖在豎直方向上通常都存在一定角度。目前比較流行的設(shè)計方法是汽車門鎖與豎直平面的夾角不大于20°，此方法未考慮汽車門鎖與外把手之間的運動關(guān)系，因此只能用于造型階段的粗略校核，不能用于結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖4a表示通過連桿連接的汽車門鎖與外把手之間的位置關(guān)系，其運動關(guān)系如圖4b所示。外把手輸出行程被分解為門鎖徑向行程與門鎖軸向行程兩個正交行程。其中，徑向行程是汽車門鎖開啟的有效行程，而軸向行程則是引起門鎖卡滯的原因之一，當軸向行程較小時，可以通過外把手與汽車門鎖自身的活動量予以消除。

隨著外把手與汽車門鎖夾角的增大，門鎖徑向行程減小，軸向行程增大。當夾角過大時，有可能造成汽車門鎖因開啟行程不足而無法開啟，或造成汽車門鎖因軸向行程過大而卡滯。目前，外把手自身的輸出行程基本在16～20mm之間，而外把手與汽車門鎖的松動量之和基本不大于5mm，因此，外把手轉(zhuǎn)軸與汽車門鎖夾角應(yīng)根據(jù)α＜arcsin（5/20）≈15°進行設(shè)計。

一般情況下，受造型限制，后汽車門鎖傾斜角度大于前汽車門鎖角度，但前、后外把手走向基本一致。同時，為提高產(chǎn)品通用化程度，前、后車門外把手多采用相同零件。此時，需要綜合考慮前、后汽車門鎖的傾斜角度，從而計算出外把手轉(zhuǎn)軸的傾斜角度，其匹配狀態(tài)如圖5所示。

若后門鎖受造型要求繼續(xù)傾斜，則外把手只能放棄通用原則，使后門外把手轉(zhuǎn)軸進一步配合門鎖調(diào)整。后門外把手受自身配重塊位置限制，應(yīng)使轉(zhuǎn)軸與本體之間夾角β＜30°，否則配重塊會與手柄產(chǎn)生運動干涉。外把手轉(zhuǎn)軸與本體角度關(guān)系如圖6所示。若外把手仍無法與汽車門鎖相匹配，則汽車門鎖與外把手只能采用拉索連接方式。

汽車門鎖與外把手均裝配在車門上，其外觀造型、車門分縫線走向與車門鈑金結(jié)構(gòu)都會影響到汽車門鎖與外把手轉(zhuǎn)軸之間的位置關(guān)系，因此從外造型CAS面到車門鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計，每一階段都要對汽車門鎖與外把手的匹配進行確認，以確保外把手行程與汽車門鎖行程相適應(yīng)。

除了行程匹配之外，還需考慮外把手的受力狀態(tài)。一般情況下，乘員在通過外把手開啟門鎖后，仍會繼續(xù)拉動外把手開啟車門，因此外把手在整個開門過程中持續(xù)受力。為確保外把手不被拉壞，外把手在解鎖后的持續(xù)受力過程中，必須依靠自身限位機構(gòu)進行限位。表1為該車型門鎖的原始參數(shù)，其運動如圖7所示，以此為依據(jù)，對外把手與門鎖進行運動設(shè)計。

表1 某車型汽車門鎖外開行程參數(shù)mm

由于連桿為硬質(zhì)零件，為了消除車門鈑金制造誤差及零件裝配誤差，通常將連桿上端（外把手端）設(shè)計為固定式卡接，下端（汽車門鎖端）設(shè)計為可調(diào)式卡接，以確保在裝配過程中汽車門鎖與外把手均處于初始狀態(tài)。

為確保門鎖能夠正常開啟，外把手輸出給汽車門鎖的徑向行程必須大于鎖體有效行程（S1+S2）。同時為確保外把手能夠正常限位，其輸出的徑向行程又必須小于門鎖外開最大行程（S1+S2+S3），即門鎖徑向行程S4應(yīng)滿足（S1+S2）＜S4＜（S1+S2+S3）。圖8為該車型的外把手與汽車門鎖位置關(guān)系示意，其中，外把手輸出行程為20 mm，汽車門鎖與外把手松動量之和為5 mm，前門鎖與外把手夾角為4.8°，后門鎖與外把手夾角為7.5°。經(jīng)過計算可知，前、后門鎖的徑向行程均能滿足門鎖開啟要求與外把手限位要求，且軸向行程足夠小，能夠被汽車門鎖與外把手自身的活動量消除。其運動狀態(tài)如表2所示。

表2 該車型汽車門鎖與外把手的運動關(guān)系

4.2 拉索式連接

拉索為軟質(zhì)零件，其最顯著的特點是可以以任意方向傳遞運動，使汽車門鎖與外把手之間不受角度限制，不會像連桿那樣因運動方向不同而產(chǎn)生行程損耗，從而降低汽車門鎖的布置難度，其裝配關(guān)系如圖9所示。

拉索在布置時也需要進行行程匹配。拉索行程的定義如圖10所示，其卡接區(qū)域（A+B）即為拉索行程。拉索在布置時，若其折彎區(qū)域的曲率半徑（圖9中所示的R1與R2）過小，會造成拉索行程損耗，阻力增大。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，建議拉索曲率半徑＞120 mm。在實際應(yīng)用中，由于拉索行程損耗計算較為困難，大多采用樣件試制的方式確定拉索行程。

拉索連接也需要考慮外把手的受力狀態(tài)，其原則與連桿連接相同。由于拉索兩端固定無法調(diào)節(jié)，因此無法在裝配時確保汽車門鎖與外把手均處于初始狀態(tài)。為確保汽車門鎖性能與外把手受力狀態(tài)，同時考慮拉索行程的制造誤差（一般為±1 mm），應(yīng)使汽車門鎖在裝配時處于初始空行程范圍內(nèi)，如圖11所示。

與連桿連接相比，拉索連接具有布置難度低、抗誤操作能力強、對車門鈑金精度要求低等優(yōu)點，但成本較高，因此基本用于高端車型。兩種連接方式的性能對比如表3所示。

5 數(shù)據(jù)分析與試驗驗證

在汽車門鎖位置確定后，進行了車門扭轉(zhuǎn)剛度和下沉剛度CAE分析?？芍诟鞣N工況下，車門Y向最小剛度為146N/mm，Z向最小剛度為202N/mm，最大殘余變形為0.011 mm，符合設(shè)計要求。

在整個汽車門鎖系統(tǒng)布置完成后，進行DMU運動分析。如圖12所示，汽車門鎖系統(tǒng)運動順暢，與周邊零件最小運動間隙為8 mm，符合設(shè)計要求。

在樣車完成之后，對車門系統(tǒng)進行1×105次開閉循環(huán)的耐久試驗。試驗結(jié)束后，該汽車門鎖系統(tǒng)所有零件功能正常，僅鎖扣嚙合處的電鍍層出現(xiàn)輕微磨損，符合設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

以某款轎車的汽車門鎖布置方案為例，進行相關(guān)的計算分析與試驗驗證后，總結(jié)出一種有效的汽車門鎖系統(tǒng)布置匹配方法:

a.汽車門鎖在Z向上應(yīng)位于上、下鉸鏈中心線之上，并盡可能靠近腰線；

b.車門長度與鉸鏈跨度之比（l/z）應(yīng)小于3；

c.車門系統(tǒng)的質(zhì)心應(yīng)位于上、下鉸鏈與汽車門鎖組成的三角區(qū)域內(nèi)；

d.鎖體與鎖扣的Y向嚙合中心線應(yīng)與鉸鏈軸線垂直，X向嚙合中心線應(yīng)通過鉸鏈軸線；

e.外把手的軸向行程與徑向行程應(yīng)確保汽車門鎖系統(tǒng)正常開啟與限位。

1黃金陵.汽車車身設(shè)計.北京:機械工業(yè)出版社，2011:279～327.

2羊拯民，高玉華.汽車車身設(shè)計.北京:機械工業(yè)出版社，2008:328～341.

3杜子學(xué).汽車人機工程學(xué).北京:機械工業(yè)出版社，2011: 99～109.

4Robert Bosch有限公司.汽車安全性與舒適性系統(tǒng).魏春源，譯.北京:北京理工大學(xué)出版社，2007:304～309.

5楊蕾，張淑敏，李應(yīng)軍.面向最優(yōu)關(guān)門能量的轎車車門設(shè)計.機械制造，2006，44（499）:40～42.

（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年10月1日。

Analysis and Research on Layout and Matching for the Auto Door Lock System of Frame Structure

Song Ce，Ding Yi，Zang Hong
（BAIC Motor Corporation Ltd R&D Center）

Taking the auto door lock system layout matching of a car as example，this paper discusses the location of door lock in car body，relationship between door lock and hinge axes，as well as the relationship between door lock and exterior door handle.This paper also sums up a new layout and matching method for the door lock system，and proves this layout method with CAE analysis and DMU motion analysis.The prototype durability test results show that all the components of the door lock system arranged with this method function properly，only the galvanized coating at the lock latch engagement wears slightly，however it still comply with design requirement.

Auto lock system，Layout，Matching，Motion analysis

汽車門鎖系統(tǒng)布置匹配運動分析

U463.82

A

1000-3703（2014）12-0001-04