汽車側(cè)門外掀式把手程序化設(shè)計研究

丁光學(xué)，鄭文平，劉美麗，呂　龍

(1.江淮汽車技術(shù)中心，安徽 合肥 200601；2.安徽電氣工程學(xué)校，安徽 合肥 200031)

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汽車側(cè)門外掀式把手程序化設(shè)計研究

丁光學(xué)1，鄭文平2，劉美麗1，呂龍1

(1.江淮汽車技術(shù)中心，安徽 合肥 200601；2.安徽電氣工程學(xué)校，安徽 合肥 200031)

車門把手是車身中重要的功能件和安全件。為了實(shí)現(xiàn)該類門把手程序化優(yōu)化設(shè)計，針對一種外掀式把手建立了數(shù)據(jù)模型，根據(jù)其空間幾何關(guān)系以及汽車碰撞過程中外掀式把手受力情況編制了一套宏程序。利用該宏程序?qū)崿F(xiàn)了外掀式把手關(guān)鍵尺寸、結(jié)構(gòu)布置以及汽車碰撞過程的校核，并根據(jù)碰撞校核的結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化了外掀式把手操作行程、配重塊及回位彈簧等關(guān)鍵參數(shù)，獲得了外掀式把手優(yōu)化設(shè)計方案，為工程應(yīng)用提供了參考。

側(cè)門；外掀式；把手；布置設(shè)計；碰撞

側(cè)門外掀式把手(下述簡稱外把手)是汽車側(cè)門鎖系統(tǒng)的重要組成部分，也是開閉側(cè)門的重要功能件。其設(shè)計應(yīng)考慮如下兩方面要求：一是操作性，包括操作力及操作行程，過大或過小都影響用戶體驗(yàn)；二是安全性，當(dāng)車輛遭受側(cè)碰撞[1-2]時，不合理的設(shè)計會引起側(cè)門主動開起，導(dǎo)致乘員被拋出車外。

1　外把手結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1結(jié)構(gòu)

外把手是一種兼顧側(cè)門開起、裝飾和被動安全等功能的部件[3]。其主要由操作手柄、把手座、平衡塊、把手回位扭簧和鎖外開拉索等部件組成(見圖1)。

圖1　外把手主要結(jié)構(gòu)

1.2工作原理

外把手工作原理圖如圖2所示。當(dāng)正常開起車門時，操作外把手手柄，旋轉(zhuǎn)端安裝在把手座的旋轉(zhuǎn)軸AB上，平衡塊的旋轉(zhuǎn)軸CD也安裝在把手座，AB∥CD，在平衡塊上設(shè)計有一凸臺；該凸臺嵌合在把手柄中部導(dǎo)向槽中，當(dāng)把手柄開起時，導(dǎo)向槽帶動凸臺一起推動平衡塊轉(zhuǎn)動，平衡塊轉(zhuǎn)動同時帶動鎖外開拉索移動，從而達(dá)到開起側(cè)門鎖的目的。在外把手施力結(jié)束后，安裝在把手柄上的扭力彈簧推動外把手帶動平衡塊回位旋轉(zhuǎn)，使外把手、鎖外開拉索回到原位。

圖2　工作原理圖

扭力彈簧扭矩的大小直接關(guān)系到正常情況下開起門操作力的大小， 同時也關(guān)系到車輛受到側(cè)碰撞

時的被動安全性，因此應(yīng)精確計算其扭矩。

當(dāng)碰撞來自本側(cè)門時，碰撞方向是+Y方向，則碰撞加速度為-Y方向，左側(cè)門外把手在碰撞加速度作用下向-Y方向運(yùn)動，平衡塊則向反方向旋轉(zhuǎn)，使其合慣性矩消減，當(dāng)把手柄慣性力矩大于平衡塊慣性力矩時，本側(cè)門鎖可能被打開；否則本側(cè)門鎖不會開起。

當(dāng)碰撞來自對側(cè)門時，碰撞方向是-Y方向，則碰撞加速度為+Y方向，左側(cè)門外把手在碰撞加速度作用下產(chǎn)生向+Y方向的慣性矩，雖然其運(yùn)動受把手座的限制，然而平衡塊的慣性矩與把手柄的慣性矩相反，當(dāng)平衡塊的慣性力矩大于把手柄的慣性力矩時，本側(cè)門鎖可能被打開；否則本側(cè)門鎖不會開起。

本文將圍繞下述問題進(jìn)行研究：1)實(shí)現(xiàn)鎖開起行程和外把手開起行程的匹配；2)確保外把手開起過程操作力在設(shè)計要求范圍內(nèi)；3)在本側(cè)門受到65g加速度的側(cè)碰撞時，本側(cè)門上的外把手產(chǎn)生的綜合慣性矩，不會開起本側(cè)門；4)在對側(cè)門受到65g加速度的側(cè)碰撞時，本側(cè)門上的外把手產(chǎn)生的綜合慣性矩，也不會開起本側(cè)門；5)設(shè)計方案的優(yōu)化過程。

2　外把手的設(shè)計計算

外把手的力學(xué)結(jié)構(gòu)分析如圖3所示。

圖3　外把手結(jié)構(gòu)件圖

2.1確定外把手開起行程和平衡塊擺動行程的匹配

根據(jù)圖3可知，外把手開起角度φ和平衡塊開起角度θ之間的關(guān)系式為：

通過調(diào)整l、R和r，可以滿足鎖機(jī)構(gòu)開起行程的要求。

2.2確定鎖開起行程和外把手開起行程的匹配

本車型使用的側(cè)門鎖在裸鎖狀態(tài)的外開行程和開起力曲線如圖4所示。由圖4可知，從初始位置到鎖開起行程為13.5 mm，后空行程為6.5 mm，全行程為20 mm。

圖4　裸鎖狀態(tài)下的外開行程和開起力

對外把手開起角度來說，鎖開起位置應(yīng)該位于外把手開起行程的2/3處，即位于外把手開起13.5°處，按照這個要求，計算φ從0到13.5°，拉索伸長長度增加量應(yīng)為13.5 mm。

2.3外把手開起過程操作力的計算

外把手力矩平衡示意圖如圖5所示。

圖5　外把手力矩平衡示意圖

通過外把手總成上的合力矩矢量平衡條件：M0+N+M1+M2=0，可求出以θ為自變量的函數(shù)操作力F的關(guān)系式。其中，M1為外把手柄圍繞AB軸的重力矩；M2為開起外把手圍繞AB軸產(chǎn)生的開起力矩；M0為平衡塊合力矩轉(zhuǎn)化為把手柄的作用力矩；N是扭簧扭矩。本案設(shè)計時定義在外把手開起的0°～20°行程中，外把手的操作力定義為20～45 N，可通過調(diào)整扭簧扭矩N使外把手操作力滿足要求；也可以直接利用計算中設(shè)計的宏文件，直接找出滿足操作力要求的扭簧扭矩N值。

3　外把手側(cè)碰撞分析和計算

3.1側(cè)碰撞來自本側(cè)門的分析和計算

側(cè)碰撞來自本側(cè)門的分析示意圖如圖6所示。

圖6　側(cè)碰撞來自本側(cè)門的分析示意圖

1)外開手柄本身的合力矩。側(cè)碰撞來自本側(cè)門外開手柄的合力矩主要有把手柄的重力矩M1、把手柄的慣性力矩M5和扭簧復(fù)位扭矩N。

2)平衡塊的合力矩。側(cè)碰撞來自本平衡塊的合力矩主要有平衡塊的重力矩M3、平衡塊的慣性力矩M6和拉索的拉力矩M7。平衡塊的合力矩作用在K點(diǎn)的作用力為(M3+M6+M7)/R。平衡塊的合力矩產(chǎn)生的作用力通過K點(diǎn)轉(zhuǎn)化為以AB為旋轉(zhuǎn)軸的力矩M9。

3)作用在外把手總成的合力矩。根據(jù)外把手總成的合力矩矢量平衡條件：M9+(M1+M5+N)=0，求出拉索拉力F平本的關(guān)系式 。碰撞過程中拉索產(chǎn)生的拉力F平本是否全部超過側(cè)門鎖的開起力是判定本側(cè)門是否開起的必要條件。在對應(yīng)開起位置下，當(dāng)拉索產(chǎn)生的拉力小于側(cè)門鎖的開起力時，側(cè)門不會開起；否則存在開起風(fēng)險。

3.2側(cè)碰撞來自對側(cè)門的分析和計算內(nèi)容

側(cè)碰撞來自對側(cè)門的分析示意圖如圖7所示。

1)外開手柄本身的合力矩。側(cè)碰撞來自對側(cè)門手柄合力矩主要有把手柄的重力矩M1、把手柄的慣性力矩-M5和扭簧復(fù)位扭矩N。

2)平衡塊的合力矩。側(cè)碰撞來自對平衡塊合力矩主要有平衡塊重力矩M3、平衡塊慣性力矩-M6和拉索拉力矩M8。平衡塊的合力矩的作用力=(M3-M6+M8)/R。平衡塊合力矩作用力通過K點(diǎn)轉(zhuǎn)化為以AB為旋轉(zhuǎn)軸的力矩M10。

圖7　側(cè)碰撞來自對側(cè)門的分析示意圖

3)作用在外把手總成上的合力矩。通過外把手總成合力矩平衡條件：M10+(M1-M5+N)=0。碰撞過程拉索產(chǎn)生的拉力F平對是否超過側(cè)門鎖的開起力,是判定本側(cè)門是否開起的必要條件。在對應(yīng)開起位置下，當(dāng)拉索產(chǎn)生的拉力小于側(cè)門鎖的開起力時，側(cè)門不會開起；否則存在開起的風(fēng)險。

4　單個方案計算結(jié)果輸出形式

4.1計算輸入部分

主要輸入的是外把手總成處于初始位置相關(guān)的特征點(diǎn)或特定參數(shù)(見圖8)，完成該計算的所有輸入值(共20組數(shù)據(jù))，其中10組是關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)點(diǎn)；另外10組是具體零件的質(zhì)量信息及約定的工作行程和操作力等，這些都作為外把手的基本信息。下述所有計算都基于這20組數(shù)據(jù)，這些信息可以同時作為自變量，但考慮到計算的復(fù)雜程度，僅選定平衡塊軸端點(diǎn)D坐標(biāo)、平衡塊質(zhì)量、碰撞加速度和扭簧扭矩等4組參數(shù)作為自變量進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化計算對應(yīng)位置輸入。在單個計算時，該4組參數(shù)對應(yīng)優(yōu)化計算區(qū)域中計算后獲得的對應(yīng)數(shù)據(jù)。

4.2固定位置的計算輸出區(qū)域

固定位置的計算輸出區(qū)域是單個方案計算的計算結(jié)果，它為單個方案過程計算提供數(shù)據(jù)儲備。結(jié)構(gòu)計算輸出如圖9所示(局部)。

4.3單個方案的過程計算輸出區(qū)域

單個方案的過程計算輸出區(qū)域是外把手柄開起過程位置參數(shù)隨開起角度φ變化的計算結(jié)果，它包含3個不同工作狀態(tài)的受力分析：外把手正常開起情況、外把手在來自本側(cè)門碰撞和外把手在來自對側(cè)門碰撞。計算輸出內(nèi)容如圖10所示(局部)，曲線圖如圖11～圖13所示。其中，外把手開起角度φ角是根據(jù)最初定義的值默認(rèn)10等份設(shè)置，也可以根據(jù)需要調(diào)大或調(diào)小。在圖12和圖13中，通過2條曲線并列對比，可以判定拉索產(chǎn)生的開鎖力是否會導(dǎo)致側(cè)門開起。

圖8　計算輸入的各結(jié)構(gòu)點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)

圖9　結(jié)構(gòu)計算輸出

圖10　計算輸出內(nèi)容

圖12　來自本側(cè)門的碰撞慣性力曲線

圖13　來自對側(cè)門的碰撞慣性力曲線

5　方案優(yōu)化計算

選定平衡塊軸端點(diǎn)C坐標(biāo)、平衡塊質(zhì)量、碰撞加速度和扭簧扭矩等4組參數(shù)作為自變量進(jìn)行優(yōu)化。

方案優(yōu)化計算[4]是利用單個方案的計算形式，不斷有規(guī)律地改變單個方案的輸入值，使其計算可以擴(kuò)展至無窮利用，同時利用Excel中的VBA模塊功能進(jìn)行計算。按照設(shè)計者的需求確定特定元素的搜索范圍和密集程度，并確定特定控制對象，以此找出最接近設(shè)計要求的方案(見圖14)。

圖14　優(yōu)化窗口

在圖14中，各分“方案數(shù)”對應(yīng)值是由預(yù)置值根據(jù)“范圍”的大小和“增量”的大小計算獲得；“方案計算”上面的“401”對應(yīng)的是總方案數(shù)，它是各分方案數(shù)之積，這樣就是將單個方案擴(kuò)展至無窮方案的計算過程?？偡桨笖?shù)的大小是根據(jù)搜索的目標(biāo)個數(shù)以及每個目標(biāo)的搜索范圍、搜索密度的要求決定的。“方案計算”下面的“227”對應(yīng)的單元格是由方案排列的順序號。

當(dāng)不需要在某個預(yù)置值附近搜索時，可將其“范圍”設(shè)置為0，“增量”不能為0。鎖定“平衡塊軸端點(diǎn)D”“平衡塊質(zhì)量”“碰撞加速度”，讀取“單個方案計算”的外把手開起力的最大值和最小值作為監(jiān)測對象，設(shè)置的目標(biāo)值“23”“45”為監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行搜索計算，通過比較，最接近目標(biāo)值的方案順序號對應(yīng)的各分方案就是在這個設(shè)定方案內(nèi)的最佳方案。

獲得的最佳方案所對應(yīng)的各狀態(tài)過程曲線如圖15所示。通過分析可知，外把手外開操作力為23～45 N時滿足設(shè)計要求；當(dāng)碰撞來自本側(cè)門時，碰撞加速度為-65 g，在開起角度14.1°以后，開起鎖機(jī)構(gòu)的拉力不會導(dǎo)致側(cè)門鎖開起；當(dāng)碰撞來自對側(cè)門時，碰撞加速度為65 g，在開起角度1.5°以后，開起鎖機(jī)構(gòu)的拉力成為負(fù)值，也不會導(dǎo)致側(cè)門鎖開起。故該優(yōu)化方案滿足要求。

圖15　最佳方案所對應(yīng)的各狀態(tài)過程曲線

5.1偏離系數(shù)的設(shè)計選定

偏離系數(shù)計算公式為：

式中，F(xiàn)a是計算的具體方案中外把手最大開起力，該值及時從對應(yīng)方案計算中讀取；Fb是外把手最大開起力對應(yīng)的目標(biāo)值。

根據(jù)需要，偏離系數(shù)還可以使用如下公式：

ξ=ξ1+ξ2+ξ3+…+ξn

式中，ξn是多個考核對象的偏離系數(shù)。

5.2通過VBA編制的程序主要內(nèi)容

利用自行開發(fā)的宏程序命令，一鍵運(yùn)行全部方案的計算。按照總方案數(shù)的排序，并利用for循環(huán)語句，從第1個方案開始計算，計算的結(jié)果作為預(yù)制值，同時顯示在第8行和第11行對應(yīng)位置后，再進(jìn)行第2個方案的計算，計算結(jié)果顯示在第8行，利用if 語句與第11行比較，若本方案的偏離系數(shù)大于上一個方案的偏離系數(shù)，則再進(jìn)行第3個方案；若本方案的偏離系數(shù)小于上一個方案的偏離系數(shù)，則將第2個方案的結(jié)果顯示在第11行，再進(jìn)行第3個方案的計算……直至計算到最后一個方案后退出。在計算過程中，對應(yīng)方案計算結(jié)果及時通過圖形曲線表達(dá)出來，設(shè)計師可以準(zhǔn)確了解全部方案的符合性概況。在計算結(jié)束后，第11行對應(yīng)的值就是最接近目標(biāo)方案的優(yōu)選值，讀取最接近目標(biāo)方案的自動優(yōu)化具體數(shù)據(jù)，就可同時顯示出其受力曲線。

方案優(yōu)化過程將單個方案擴(kuò)展至無窮，并在無窮方案中，按照目標(biāo)要求，選擇最接近目標(biāo)的方案作為最優(yōu)方案，其大大降低了計算分析的勞動強(qiáng)度，且快捷、準(zhǔn)確。

5.3方案優(yōu)化延伸分析

利用開發(fā)的連續(xù)自動運(yùn)算式，獲得所需曲線的變化規(guī)律，通過自動計算獲得連續(xù)變化的曲線。下述分別從單個搜索計算過程的若干截圖中，選取起始、中間和結(jié)尾等3張圖片進(jìn)行分析，設(shè)計師可以根據(jù)曲線變化趨勢直觀把握設(shè)計改進(jìn)的方向。

1)優(yōu)化C點(diǎn)X坐標(biāo)的過程曲線如圖16所示。在±20 mm范圍內(nèi)，改變C點(diǎn)X坐標(biāo)，使其由小到大逐漸變化，平衡塊旋轉(zhuǎn)軸CD和把手柄旋轉(zhuǎn)軸AB的距離逐漸減少，平衡塊旋轉(zhuǎn)半徑也逐漸減少，外開開起力基本不變。隨著X值的增加，有利于來自本側(cè)門的碰撞，不利于來自對側(cè)門的碰撞。

圖16　優(yōu)化C點(diǎn)X坐標(biāo)的過程曲線

2)優(yōu)化C點(diǎn)Y坐標(biāo)的過程曲線如圖17所示。在±5 mm范圍內(nèi)，改變C點(diǎn)Y坐標(biāo)，使其由小到大逐漸變化，平衡塊旋轉(zhuǎn)軸CD和把手柄旋轉(zhuǎn)軸AB的距離減少，平衡塊旋轉(zhuǎn)半徑急劇減少。由圖17可知，外開開起力基本不變，隨著Y值的增加，有利于來自本側(cè)門的碰撞，對來自對側(cè)門的碰撞基本沒有影響。

圖17　優(yōu)化C點(diǎn)Y坐標(biāo)的過程曲線

3)優(yōu)化C點(diǎn)Z坐標(biāo)的過程曲線如圖18所示。在±5 mm范圍內(nèi)，改變C點(diǎn)Z坐標(biāo)，使其由小到大逐漸變化，平衡塊旋轉(zhuǎn)軸CD和把手柄旋轉(zhuǎn)軸AB的距離增大，平衡塊旋轉(zhuǎn)半徑也增大。由圖18可知，外開開起力稍有減小，隨著Z值的增加，不利于來自本側(cè)門的碰撞，有利于來自對側(cè)門的碰撞。

圖18　優(yōu)化C點(diǎn)Z坐標(biāo)的過程曲線

4)優(yōu)化平衡塊質(zhì)量的過程曲線如圖19所示。在±0.1 kg范圍內(nèi)，改變平衡塊的質(zhì)量，使其由小到大逐漸變化。由圖19可知，隨著平衡塊的質(zhì)量的增加，開起力基本不變，有利于來自本側(cè)門的碰撞，不利于來自對側(cè)門的碰撞。

圖19　優(yōu)化平衡塊質(zhì)量的過程曲線

5)優(yōu)化碰撞加速度的過程曲線如圖20所示。在±98 kg·m/s2范圍內(nèi)，改變加速度的值，使其由小到大逐漸變化。由圖20可知，隨著加速度值的增加，開起力沒有變化，不利于來自本側(cè)門的碰撞，也不利于來自對側(cè)門的碰撞。

圖20　優(yōu)化碰撞加速度的過程曲線

6)優(yōu)化扭簧扭矩的過程曲線如圖21所示。在±0.5 N·m范圍內(nèi)，改變扭簧的值，使其由小到大逐漸變化。由圖21可知，隨著扭簧值的增加，開起力逐漸變大，有利于來自本側(cè)門的碰撞，也有利于來自對側(cè)門的碰撞。

圖21　優(yōu)化扭簧扭矩的過程曲線

6　結(jié)語

研究了一種車身側(cè)門外掀式把手的新設(shè)計方法。采用該設(shè)計方法，能將所有設(shè)計數(shù)據(jù)參數(shù)化，可以根據(jù)布置空間的需要任意確定設(shè)計參數(shù)，從而快速獲得碰撞校核和布置的操作性能等參數(shù)的計算結(jié)果；還可以設(shè)定搜索范圍，通過系統(tǒng)優(yōu)化，自動找出最優(yōu)布置方案，使該類型門把手設(shè)計簡便、科學(xué)和高效，可在車身產(chǎn)品研發(fā)過程中推廣應(yīng)用。

[1] 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB 15086—2013汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[2] 鐘志華.汽車碰撞安全技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 高云凱.汽車車身結(jié)構(gòu)分析[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[4] 劉美麗，丁光學(xué)，付凱.側(cè)門外開把手耐碰撞分析和優(yōu)化[J].汽車使用技術(shù)，2015(2)：29-32.

責(zé)任編輯馬彤

A Programmed Design Method of Lifting Type Outside Handle of the Vehicle Side Door

DING Guangxue1， ZHENG Wenping2， LIU Meili1， LYU Long1

(1.Center of Technology, Anhui Jianghuai Automobile Co.， Ltd.， Hefei 200601， China; 2.Anhui Electrical Engineering Secondary School， Hefei 200031， China)

The outside handle is an important functional and safety component of the vehicle body. To realize programmed optimal design of this type of outside handle, establish the data model of an external lifting type door handle. A “macro” has been programed according to the space geometry analysis of the model and the mechanical analysis of the handle during vehicle collision process. The key characteristic dimension, layout of structures and safety check of the crash are all accomplished by using the macro-program. The important dimension parameters of stroke, counter weight and return spring on the outer handle are optimized through conclusion of collision check, and achieve optimal design scheme of outside handle. Finally, hope to provide a reference for the engineering application.

side door， vifting type, outside handle, layout design, collision

U 463.8

A

丁光學(xué)(1964-)，男，專家級設(shè)計師，主要從事車身門蓋系統(tǒng)及重要功能件設(shè)計等方面的研究。

2015-12-18