車門把手耐碰撞能力的設(shè)計分析與應(yīng)用

杜保華，丁光學(xué)

車門把手耐碰撞能力的設(shè)計分析與應(yīng)用

杜保華，丁光學(xué)

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

通過建立汽車側(cè)門把手及側(cè)門鎖系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，將側(cè)門把手耐碰撞的力學(xué)分析通過計算公式進(jìn)行表達(dá)，然后將計算公式列入計算模塊，通過計算模塊可以快速準(zhǔn)確的找到耐側(cè)碰分析的最優(yōu)設(shè)計。通過模塊計算，可使方案設(shè)計更準(zhǔn)確、更高效，減小了側(cè)門耐碰撞設(shè)計的復(fù)雜性，使得設(shè)計計算和設(shè)計校核過程變得更簡便快捷。

汽車側(cè)門；數(shù)學(xué)模型；計算公式；計算模塊；應(yīng)用

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-120-04

引言

側(cè)門外開把手是汽車側(cè)門鎖系統(tǒng)重要組成部分，是開閉側(cè)門的重要功能件，存在設(shè)計缺陷的側(cè)門外開把手在車輛遭受側(cè)碰撞下可能主動開啟側(cè)門，導(dǎo)致乘員被拋出車外的災(zāi)難后果。如何保證側(cè)門外開把手被動安全性和可操作性在特別環(huán)境下發(fā)揮作用，如何保證側(cè)門在側(cè)面碰撞變形的情況下避免鈑金變形引起外開把手驅(qū)動外開鎖桿開啟側(cè)門鎖機(jī)構(gòu)，是設(shè)計和開發(fā)工作重點(diǎn)。

因此，如何建立一種快捷、通用的側(cè)門外開把手耐碰撞能力設(shè)計分析方法？如何固化這種方法并推廣應(yīng)用？是本文研究的對象，見圖1所示。

圖1 側(cè)碰撞過程示意圖

1 基于側(cè)門把手耐碰撞的力學(xué)分析

1.1 建立側(cè)門把手及側(cè)門鎖系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

見圖2所示[1]。

定義鎖機(jī)構(gòu)外開啟臂旋轉(zhuǎn)軸MN，外開鎖桿上J點(diǎn)在特定軌跡上運(yùn)動，該軌跡一段為直線為了解決空行程設(shè)置，另一段為外開啟臂沿旋轉(zhuǎn)軸MN轉(zhuǎn)動的圓弧，是鎖機(jī)構(gòu)外開啟臂開啟過程軌跡；

圖2 外開把手和鎖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

定義平衡塊旋轉(zhuǎn)軸EF，平衡塊上任意點(diǎn)圍繞該軸作空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；

定義外開把手旋轉(zhuǎn)軸AB，外開把手上任意點(diǎn)圍繞該軸作空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

外開把手拉鉤是平衡塊球頭滑動平面，偏置該平面至過平衡塊球頭的球心，構(gòu)成一個新的平面，在該平面上任選三點(diǎn)構(gòu)成平面方程，當(dāng)外開把手開啟θ角度，由任選三點(diǎn)圍繞AB旋轉(zhuǎn)至新位置，其新的平面方程為：

平衡塊球頭球心D點(diǎn)始終在偏置平面上，這是外開把手和平衡塊運(yùn)動聯(lián)系點(diǎn)，且隨外開把手轉(zhuǎn)動不斷變化。

平衡塊轉(zhuǎn)動推動外開鎖桿下行，外開鎖桿上J點(diǎn)在特定軌跡上運(yùn)動，在平衡塊轉(zhuǎn)動的初始角度范圍內(nèi)J點(diǎn)沿一段直線運(yùn)動（即當(dāng)平衡塊旋轉(zhuǎn)角θ小于某個角度時，該角度可以通過計算獲得，開啟臂轉(zhuǎn)動角度ω為0），此時不能推動鎖機(jī)構(gòu)外開啟臂轉(zhuǎn)動，其目的是保持鎖機(jī)構(gòu)外開啟臂與外開鎖桿存在一段空行程；當(dāng)外開鎖桿繼續(xù)下行進(jìn)入鎖機(jī)構(gòu)外開啟臂旋轉(zhuǎn)軌跡時，外開鎖桿上J點(diǎn)推動鎖機(jī)構(gòu)外開啟臂旋轉(zhuǎn)。

1.2 建立外開把手與平衡塊及外開啟臂的轉(zhuǎn)動關(guān)系計算

由定義的平衡塊旋轉(zhuǎn)軸EF，獲得E、F兩點(diǎn)的連線的直線向量{n1}，當(dāng)外開把手旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)θ時，計算偏置平面的平面方程，利用平衡塊球頭的球心D點(diǎn)軌跡與偏置平面的平面方程，可求出D點(diǎn)的具體坐標(biāo)值，進(jìn)一步計算出D點(diǎn)圍繞旋轉(zhuǎn)軸EF所轉(zhuǎn)動角度φ，由此計算出平衡塊旋轉(zhuǎn)角θ外開把手旋轉(zhuǎn)動角度φ之間的函數(shù)關(guān)系式。另外，HJ的長度一定，隨著H點(diǎn)圍繞旋轉(zhuǎn)軸EF所轉(zhuǎn)動角度φ，計算出Hφ點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)HφJ(rèn)可能所在的球面范圍，將其與J點(diǎn)在特定的運(yùn)動軌跡連解，及求出Jφ點(diǎn)坐標(biāo)。進(jìn)一步計算出J點(diǎn)圍繞旋轉(zhuǎn)軸MN所轉(zhuǎn)動角度ω，其計算關(guān)系式：

1.3 鎖機(jī)構(gòu)的開啟條件的設(shè)置

鎖機(jī)構(gòu)本身的耐碰撞能力不在本文研究的范圍，見圖3所示，棘爪機(jī)構(gòu)的一端與鎖舌接觸，并阻止鎖舌順時針轉(zhuǎn)動從而保證鎖舌與鎖扣的鎖合狀態(tài)。由于側(cè)門膠條作用力存在，鎖舌與棘爪機(jī)構(gòu)接觸點(diǎn)以及鎖舌與鎖扣接觸點(diǎn)均存在一定壓力，側(cè)門膠條作用力越大該壓力也越大。當(dāng)開啟時，開啟臂一端來自外開鎖桿的向下推力，將力矩傳遞給另一端推動推桿上行，推桿上行推動棘爪機(jī)構(gòu)順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)來自外開鎖桿的向下推力達(dá)到一定力值時，克服棘爪機(jī)構(gòu)回位扭簧的扭力和鎖舌擠壓棘爪機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的靜摩擦阻力，棘爪機(jī)構(gòu)順時針轉(zhuǎn)動，鎖舌掙脫棘爪機(jī)構(gòu)的束縛迅速順時針轉(zhuǎn)動，進(jìn)一步滑脫鎖扣的束縛——鎖機(jī)構(gòu)開啟。

圖3 鎖機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)示意圖

針對不同的鎖機(jī)構(gòu)和不同的側(cè)門膠條作用力，引起鎖機(jī)構(gòu)開啟的鎖桿向下推力F13均不同，一般鎖機(jī)構(gòu)供應(yīng)商均在圖紙上提供具體數(shù)值。

1.4 外開鎖桿的受力分析及計算關(guān)系

見圖4所示。

外開鎖桿受自身重力F24，等效至J點(diǎn)；受碰撞慣性力F23，作用到平衡塊J點(diǎn)；受平衡塊向下推力F22，等效至J點(diǎn)；

滿足鎖機(jī)構(gòu)不開啟的條件：

圖4 鎖桿結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 平衡塊受力分析及計算關(guān)系

圖5 平衡塊結(jié)構(gòu)及局部受力分析示意圖

見圖5所示。平衡塊受自身重力，圍繞EF產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩A31；受碰撞慣性力，圍繞EF產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩A32；受外開鎖桿的慣性推力，圍繞EF產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩A33；受外開把手的推力，圍繞EF產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩A34；推動外開鎖桿下行的推力，圍繞EF產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩A35；受扭簧的轉(zhuǎn)動扭矩N1，滿足平衡塊平衡的條件：

設(shè)碰撞加速度的向量n碰，(碰撞加速度方向若平行于Y軸，則：n碰={0, 1, 0})

重力加速度的向量n重，n重={1, 0, 0}

直線EF的向量nef，nef={(Xe-Xf), (Ye-Yf), (Ze-Zf)}

平衡塊質(zhì)量m2

碰撞加速度n*g

外開鎖桿質(zhì)量m1

F21= m1*n*g* (Zi-Zj)/(Zh-Zj)

F21的方向線與EF的夾角λ1：

F22的方向線與EF的夾角λ2：

直線H0H的向量nh0h，nh0h={(Xh-Xh0), (Yh-Yh0), (Zh-Zh0)}

通過F21在平面π1上投影點(diǎn)，計算其投影線的向量n21

則：H0H與F21在π1上投影線夾角為λ3

F21在平面π1有效力臂：

同理可以計算A31、A32、A34、A35

1.6 外開把手的受力分析及計算關(guān)系

圖6 平衡塊結(jié)構(gòu)示意圖

見圖6所示。外開把手受自身重力，圍繞AB產(chǎn)生的有效旋轉(zhuǎn)力矩A41；受碰撞慣性力，圍繞AB產(chǎn)生的有效旋轉(zhuǎn)力矩A42；受平衡塊球頭的阻止力，圍繞AB產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩A43；滿足平衡塊平衡的條件：

參照1.5中的計算方法計算各有效力矩。

2 將計算式列入計算模塊

將涉及設(shè)計的參數(shù)錄入計算輸入?yún)^(qū)域，見圖7。其中包含方案的設(shè)計目標(biāo)值，用于后期優(yōu)化時與方案計算獲得的實(shí)際值進(jìn)行比對。根據(jù)側(cè)碰撞實(shí)驗(yàn)情況[2][3]，側(cè)門把手耐碰撞加速度應(yīng)大于65g。平衡塊復(fù)位扭簧，不僅起到復(fù)位作用，同時也是提高耐碰撞能力，改善操作手感的作用。

圖7 計算輸入內(nèi)容

3 計算和優(yōu)化過程

圖8 計算內(nèi)容示意圖

見圖8中通過上述數(shù)學(xué)模型和受力分析，將所列內(nèi)容轉(zhuǎn)化為實(shí)際計算式，將數(shù)學(xué)模型利用其計算關(guān)系完整的連接起來[4]。兼顧：把手正常開啟力計算；來自本側(cè)門的碰撞開啟力計算；來自對側(cè)門的碰撞開啟力計算，還需要涉及側(cè)門把手上防撞機(jī)構(gòu)的作用。

圖9 優(yōu)化內(nèi)容示意圖

計算方案通常是完成單一方案的計算，若所計算的方案不符合設(shè)計要求，則需要通過修改設(shè)計布置來修訂方案，在本計算方案中提高側(cè)門鎖機(jī)構(gòu)耐碰撞能力主要有以下幾個方面：

（1）改變平衡塊的質(zhì)量及質(zhì)量中心；

（2）改變平衡塊復(fù)位彈簧的扭矩；

（3）改善平衡塊的旋轉(zhuǎn)軸布置；

（4）改善把手柄的旋轉(zhuǎn)軸布置；

（5）改善把手柄的質(zhì)量及質(zhì)量中心；

（6）改善鎖機(jī)構(gòu)和把手總成安裝位置。

基于上述內(nèi)容可以將其最關(guān)鍵要素作為優(yōu)化對象，讓其在初步設(shè)計預(yù)置數(shù)據(jù)的附近一定區(qū)域內(nèi)計算優(yōu)化，每個優(yōu)化方案均獲得一個方案的關(guān)于目標(biāo)值差距(偏離系數(shù))的結(jié)果[4]，選擇差距最小的方案作為最優(yōu)方案，完成方案的自動優(yōu)化過程。見圖9。

4 結(jié)論

車門把手耐碰撞能力的設(shè)計計算，將復(fù)雜的工程計算，利用數(shù)學(xué)模型將其方案形成一個計算整體，不僅大大降低設(shè)計者勞動強(qiáng)度、快捷的完成車門把手耐碰撞能力的計算和校核，而且使設(shè)計計算和驗(yàn)證更準(zhǔn)確、更科學(xué)，因此值得汽車設(shè)計師們借鑒。

[1] 金云光.丁光學(xué).朱偉,車門鎖系統(tǒng)耐慣性性能設(shè)計與計算解析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017.03期(8)∶123-126.

[2] GB 7285-2012.機(jī)動車安全運(yùn)行技術(shù)條件[S].

[3] GB20071-2006汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)[S]

[4] 丁光學(xué).鄭文平.劉美麗.呂龍,一種新的汽車側(cè)門外掀式開啟把手程序化設(shè)計方法[S].新材料新技術(shù),2016.第5期29-32.

The design analysis and application of door handle anti-collision capability

Du Baohua, Ding Guangxue
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

Through the establishment of automobile door handles and door lock system mathematical model, the side door handles anti-collision mechanics analysis is expressed through calculation formula, and then with the formulas, the calculation module can find resistance to lateral touch analysis of optimal design rapidly and exactly. By means of module calculation, the scheme design can be more accurate and more efficient, which reduces the complexity of the design of the side door anti-collision and makes the design calculation and the design check process easier and faster.

automobile door; mathematical model; calculation formula; calculation model; application

U467

A

1671-7988 (2017)16-120-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.042

杜保華，內(nèi)外飾設(shè)計工程師，就職于安徽江淮汽車技術(shù)中心。