基于側(cè)碰安全的車門外把手平衡塊設(shè)計(jì)研究

李超帥，王新，林森，于波，李瑞生

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

根據(jù)GB 20071-2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》以及歐盟法規(guī)ECE R95《關(guān)于車輛側(cè)面碰撞中乘員保護(hù)方面對(duì)車輛認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》的相關(guān)要求：側(cè)面碰撞試驗(yàn)過程中車門不得開啟[1]。同時(shí)，在《中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程》中也規(guī)定，如果在側(cè)面碰撞中出現(xiàn)車門開啟將被扣分，對(duì)于兩側(cè)的每一個(gè)車門，若在碰撞過程中開啟，則分別減去一分[2]。GB 15086-2013《汽車門鎖及車門保持件的性能要求和實(shí)驗(yàn)方法》中要求，鎖系統(tǒng)必須滿足球坐標(biāo)系內(nèi)30g的慣性力要求，并提供了一種將鎖系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)平面多連桿機(jī)構(gòu)，利用力矩平衡原理進(jìn)行計(jì)算的方法[3]。

車輛在側(cè)面碰撞過程中，車門異常開啟會(huì)極大地危害內(nèi)部乘員的人身安全。綜合車門異常開啟的原因，可分為門鎖系統(tǒng)慣性力驅(qū)動(dòng)的失效模式、門鈑金變形驅(qū)動(dòng)外把手解鎖的失效模式以及門鈑金直接撞擊門鎖解鎖結(jié)構(gòu)導(dǎo)致解鎖的失效模式[4-5]。在車門外把手的設(shè)計(jì)過程中增加外把手平衡塊結(jié)構(gòu)是一種可有效避免因側(cè)碰慣性力導(dǎo)致車門異常開啟的方法，但是，目前關(guān)于外把手平衡塊的設(shè)計(jì)理論不夠完善，問題一旦出現(xiàn)往往需要通過側(cè)碰試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證調(diào)整來達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，驗(yàn)證周期長(zhǎng)且試驗(yàn)成本高。外把手平衡塊的有效作用力矩設(shè)計(jì)過小起不到防止車門側(cè)碰過程中異常開啟的作用，設(shè)計(jì)過大又會(huì)導(dǎo)致車門在大力關(guān)門情況下無法關(guān)閉的問題。

針對(duì)上述問題，本文通過對(duì)車門鎖系統(tǒng)建立不同工況下的力學(xué)模型，推導(dǎo)得出一種車門外把手平衡塊設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，為車門外把手平衡塊的設(shè)計(jì)提供了理論支持。

1 側(cè)碰過程門鎖系統(tǒng)受力分析

1.1 車輛碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)受力分析

在車輛受到側(cè)面撞擊的過程中，車門隨車身沿碰撞方向產(chǎn)生位移，在車輛碰撞側(cè)外把手由于慣性作用保持不動(dòng)的瞬間，相當(dāng)于拉動(dòng)外把手，產(chǎn)生開啟車門的作用效果，當(dāng)外把手慣性力矩大到足以導(dǎo)致車門解鎖時(shí)，車門則出現(xiàn)異常開啟現(xiàn)象。由于外把手平衡塊與外把手手柄布置在外把手曲軸旋轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)，因此，外把手平衡塊慣性力矩與外把手本體慣性力矩方向相反，可有效避免車門因側(cè)碰慣性力矩的作用發(fā)生開啟。以外把手平衡塊旋轉(zhuǎn)軸（即解鎖曲軸旋轉(zhuǎn)軸）的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為研究對(duì)象，建立碰撞工況以及大力關(guān)門工況下門鎖系統(tǒng)的力學(xué)模型，其中側(cè)碰過程中車輛碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)的受力分析如圖1所示。

圖1 車輛碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)受力分析

圖1中1為車門外把手，2為外把手平衡塊，3為回位彈簧，4為解鎖拉桿，5為解鎖擺臂。側(cè)碰過程中，車門外把手1、把手平衡塊2以及解鎖拉桿4均產(chǎn)生與碰撞方向反向的慣性力，若平衡塊旋轉(zhuǎn)軸在側(cè)碰過程中不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，則車門不會(huì)因鎖系統(tǒng)慣性力因素開啟，通過力矩平衡原理可得車輛碰撞側(cè)門鎖側(cè)碰無開啟的條件為：

式中，F(xiàn)1為車門外把手的有效慣性力，F(xiàn)2為平衡塊的慣性力，F(xiàn)3為解鎖拉桿的有效慣性力，F(xiàn)4為鎖體的有效解鎖力，G為外把手平衡塊的重力，L1為F1以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，L2為F2以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，L3為F3與F4以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，LG為外把手平衡塊重力G以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，T為回位彈簧的回位扭矩。

通過公式（1）可得滿足車輛碰撞側(cè)車門側(cè)碰無開啟條件的平衡塊慣性力值為：

將慣性力計(jì)算公式F=ma與重力計(jì)算公式G=mg帶入公式（1）可得平衡塊質(zhì)量m2為：

式（3）中 a1為側(cè)碰過程中車輛碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)各零部件的慣性加速度。

1.2 車輛非碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)受力分析

在車輛受到側(cè)面撞擊的過程中，非碰撞側(cè)車門同樣隨車身產(chǎn)生碰撞方向的位移，在車輛非碰撞側(cè)外把手平衡塊由于自身慣性力作用保持不動(dòng)的瞬間，其慣性力產(chǎn)生開啟車門的力矩，當(dāng)此力矩大到足以導(dǎo)致車門解鎖時(shí)，則車門出現(xiàn)異常開啟現(xiàn)象，與車輛碰撞側(cè)的研究方法相同，以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)為研究對(duì)象，建立車輛非碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)受力分析如圖2所示。

圖2 車輛非碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)受力分析

如圖2所示，車輛非碰撞側(cè)車門外把手1、把手平衡塊2以及解鎖拉桿4產(chǎn)生與碰撞方向反向的慣性力，該側(cè)車門外把手1的慣性力與該側(cè)解鎖方向相反，不產(chǎn)生解鎖的作用。外把手平衡塊2慣性力F2’與解鎖拉桿4慣性力在該側(cè)則是解鎖方向的力，通過力矩平衡原理可得車輛非碰撞側(cè)車門側(cè)碰無開啟的條件為：

式中 F2’為車輛非碰撞側(cè)的平衡塊慣性力，F(xiàn)3’為該側(cè)解鎖拉桿的有效慣性力。

通過公式（4）可得滿足車輛非碰撞側(cè)車門側(cè)碰無開啟的平衡塊慣性力值為：

將慣性力計(jì)算公式F=ma與重力計(jì)算公式G=mg帶入公式（5）可得平衡塊質(zhì)量m2為：

式（6）中 a2為側(cè)碰過程中車輛非碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)各零部件的慣性加速度。

2 平衡塊慣性力對(duì)關(guān)門可靠性的影響分析

在關(guān)閉車門時(shí)，車門由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)至接觸車身側(cè)圍停止的過程中，門鎖系統(tǒng)各零部件由于自身慣性作用仍保持車門關(guān)閉方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，因此產(chǎn)生解鎖方向的慣性力，若此力大于一定數(shù)值，會(huì)導(dǎo)致車門的開啟，即導(dǎo)致車門關(guān)閉可靠性的降低。同樣以外把手平衡塊旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)為研究對(duì)象對(duì)此過程進(jìn)行受力分析如圖3所示。

圖3 門鎖系統(tǒng)關(guān)門可靠性模型受力分析

從圖3可以看出，關(guān)門過程中車門外把手1的慣性力不會(huì)產(chǎn)生外把手與車門的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此外把手慣性力不產(chǎn)生解鎖的作用，外把手平衡塊慣性力 F2與解鎖拉桿慣性力 F3產(chǎn)生解鎖方向的力矩，是導(dǎo)致車門關(guān)閉失敗的因素，通過力矩平衡原理可得車門可關(guān)閉的條件為：

公式（7）與公式（4）比較分析可知，關(guān)門可靠性模型與側(cè)碰過程中車輛非碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)受力模型相同，可得滿足關(guān)門可靠性的外把手平衡塊質(zhì)量m2的計(jì)算公式為：

公式（8）中 a3為關(guān)門時(shí)車門由運(yùn)動(dòng)至停止過程中門鎖系統(tǒng)各零部件的加速度?？蓪⑵胶鈮K質(zhì)量 m2上限值的計(jì)算公式（6）與公式（8）統(tǒng)一表示為：

3 門鎖系統(tǒng)有效慣性力的計(jì)算

3.1 外把手有效慣性力F1的計(jì)算

車門外把手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為繞把手底座固定軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其慣性力與所產(chǎn)生解鎖力的關(guān)系如圖4所示。

圖4 外把手慣性力轉(zhuǎn)換示意圖

如圖4所示，側(cè)碰過程中外把手所產(chǎn)生的慣性力為m1a（m1為外把手的質(zhì)量），該慣性力的作用點(diǎn)為外把手的重心位置，la1為該慣性力以外把手旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，l1為外把手對(duì)解鎖曲軸作用力的力臂，即有效慣性力F1以外把手旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，則外把手的有效慣性力 F1的計(jì)算公式為：

3.2 解鎖拉桿有效慣性力F3的計(jì)算

由上文分析可知，在車輛側(cè)碰過程中，解鎖拉桿的有效慣性力F3在車輛碰撞側(cè)產(chǎn)生阻礙解鎖的力矩，在車輛非碰撞側(cè)產(chǎn)生促使解鎖的力矩，二力的作用方向相反，但分解方式相同。同樣，在關(guān)門可靠性模型中，慣性力F3的分解方式也與碰撞模型一致，因此，以側(cè)碰過程中碰撞側(cè)解鎖拉桿慣性力的分解計(jì)算為例進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 解鎖拉桿慣性力分解示意圖

如圖 5所示，側(cè)碰過程中解鎖拉桿所產(chǎn)生的慣性力為m3a（m3為解鎖拉桿的質(zhì)量），該慣性力的作用點(diǎn)為解鎖拉桿的重心位置，la3為該慣性力以拉桿鎖體端為旋轉(zhuǎn)軸的力臂，l3為解鎖拉桿兩端連接點(diǎn)的Z向高度，則慣性力m3a在外把手平衡塊與解鎖拉桿嚙合點(diǎn)的等效作用力為(m3a)’=(m3a×la3)/l3，該等效作用力以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸線1為旋轉(zhuǎn)軸，解鎖拉桿與曲軸嚙合點(diǎn)位置的切線方向的分力 F3，F(xiàn)3與(m3a)’的夾角為α，則解鎖拉桿的有效慣性力F3為：

3.3 有效解鎖力F4的計(jì)算

圖6 有效解鎖力分解示意圖

有效解鎖力F4定義為以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸線1為旋轉(zhuǎn)軸，以解鎖拉桿與曲軸嚙合點(diǎn)位置的切線方向?yàn)榱Φ淖饔梅较?，可以?dǎo)致門鎖開啟的最小作用力。在車輛側(cè)碰模型中，碰撞側(cè)與非碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)解鎖阻力的作用效果均是阻礙車門解鎖，在關(guān)門可靠性模型中，解鎖阻力的作用效果亦是阻礙車門解鎖，因此有效解鎖力F4的分解方法相同，以碰撞模型中車輛碰撞側(cè)有效解鎖力F4的分解計(jì)算為例進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6中Fs為以解鎖擺臂旋轉(zhuǎn)軸線2的切線方向施力解鎖的最小力值，可通過試驗(yàn)測(cè)試獲得，直線1為解鎖拉桿兩端嚙合點(diǎn)的連線，直線1與力Fs的夾角為γ，直線1與軸線1的切線方向夾角為 θ，則使門鎖開啟所需要的外把手有效解鎖力F4可表示為：

4 加速度目標(biāo)值的試驗(yàn)測(cè)試

為確定外把手平衡塊設(shè)計(jì)計(jì)算過程中的加速度a1、a2與a3的目標(biāo)數(shù)值，采用實(shí)車測(cè)量的方式進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。如圖7所示，在某三廂轎車圖7所示位置的車門外板內(nèi)側(cè)沿車輛Y方向粘貼加速度傳感器（因車門外板內(nèi)側(cè)安裝面平整，有利于傳感器的固定，同時(shí)又能保護(hù)傳感器不受碰撞車輛的直接撞擊而損壞），可用位置1代表前門平衡塊位置的加速度，位置2代表前門鎖位置的加速度，位置3代表后門平衡塊位置的加速度，位置4代表后門鎖位置的加速度。

圖7 加速度采集位置

分別采集獲得了某三廂轎車在 50km/h側(cè)面碰撞試驗(yàn)過程中碰撞側(cè)與非碰撞側(cè)圖中四個(gè)位置的最大瞬時(shí)加速度，并通過手動(dòng)暴力關(guān)門試驗(yàn)的方式獲得了該車型前后門圖中四個(gè)位置的最大瞬時(shí)加速度如表1所示。

表1 瞬時(shí)加速度數(shù)值

由表1中碰撞側(cè)四個(gè)位置的加速度a1與非碰撞側(cè)四個(gè)位置的加速度a2對(duì)比分析可知，碰撞側(cè)慣性加速度是非碰撞側(cè)的兩倍左右，這主要是由于碰撞過程中車輛變形與位移導(dǎo)致能量損失，非碰撞側(cè)的慣性加速度較碰撞側(cè)明顯衰減。對(duì)比四個(gè)位置非碰撞側(cè)慣性加速度a2與暴力關(guān)門產(chǎn)生的慣性加速度a3可知，因暴力關(guān)門引起的慣性加速度遠(yuǎn)大于非碰撞側(cè)的側(cè)碰慣性加速度。

5 基于加速度目標(biāo)值的平衡塊質(zhì)量計(jì)算

5.1 平衡塊質(zhì)量最小值計(jì)算公式的分析

由表1可知，側(cè)碰過程中車輛碰撞側(cè)四個(gè)位置的加速度均遠(yuǎn)大于重力加速度g，因此，公式（3）的分母部分L2a1-LGg≈L2a1，將公式（10）與公式（11）帶入公式（3）可得：

由公式（13）可以看出，慣性加速度a1越大，則平衡塊質(zhì)量 m2的最小值越大，即需要質(zhì)量更大的平衡塊來滿足碰撞側(cè)的碰撞要求，因此，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，慣性加速度a1的目標(biāo)值應(yīng)適當(dāng)增大，以增加防止車輛碰撞側(cè)異常開啟的安全系數(shù)。

5.2 平衡塊質(zhì)量最大值計(jì)算公式的分析

將解鎖拉桿有效慣性力F3的計(jì)算公式（11）帶入平衡塊質(zhì)量 m2上限值的計(jì)算公式（9）可得平衡塊質(zhì)量 m2的上限值計(jì)算公式為：

由公式（14）可以看出，加速度a越大，則平衡塊質(zhì)量m2的上限值越小，即需要更小質(zhì)量的平衡塊來滿足非碰撞側(cè)的碰撞無開啟要求以及暴力關(guān)門可靠性要求。因此，實(shí)際計(jì)算過程中應(yīng)取a2與a3中的較大值作為加速度a的計(jì)算值，以增加防止車輛非碰撞側(cè)異常開啟的安全系數(shù)以及暴力關(guān)門可靠性的安全系數(shù)。

5.3 平衡塊質(zhì)量計(jì)算區(qū)間公式

綜合公式（3）與公式（9）可得外把手平衡塊的質(zhì)量計(jì)算區(qū)間為：

式中 amax為 a2與 a3中的較大值。參照表 1中 a1、a2與a3的實(shí)測(cè)數(shù)值，為增加車輛的安全性能，計(jì)算時(shí)可取a1=100g與amax=100g作為目標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算。

6 基于側(cè)碰安全的外把手設(shè)計(jì)優(yōu)化

6.1 回位彈簧扭矩T的設(shè)計(jì)優(yōu)化可行性分析

圖8 車門開啟力受力分析示意圖

對(duì)公式（15）分析可知，回位彈簧的回位扭矩T越大，則平衡塊質(zhì)量 m2的質(zhì)量區(qū)間越大，即大的回位彈簧扭矩 T既有利于滿足車輛的側(cè)碰安全又有利于提高車門的關(guān)閉可靠性，但是，回位彈簧扭矩T的大小直接關(guān)系到車門開啟力的大小，如圖8所示，為車門開啟力的受力分析示意圖。

根據(jù)力矩平衡原理，可得回位彈簧回位扭矩的大小為：

式中 F0’為外把手作用于曲軸的開啟力，F(xiàn)4max為車門鎖在車門裝配狀態(tài)下的解鎖力。

F0’與目標(biāo)車門開啟力的關(guān)系如圖9所示。

圖9 目標(biāo)開啟力示意圖

其中F0為目標(biāo)車門開啟力，一般定義在40N～55N之間，以保證較好的車門開啟力手感。則外把手作用于曲軸的的開啟力F0’可表示為：

式中 l0為開門時(shí)食指以外把手旋轉(zhuǎn)軸線為旋轉(zhuǎn)軸的力臂。將公式（17）帶入公式（16）可得目標(biāo)車門開啟力 F0下的回位彈簧扭矩計(jì)算公式為：

因此，在外把手結(jié)構(gòu)一定的情況下，l0、L1、l1以及 L3均為定值，而F0為用戶舒適操作力值，調(diào)整區(qū)間基本固定，F(xiàn)4max的大小取決于門鎖的結(jié)構(gòu)以及門系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力，因此，通過調(diào)整回位彈簧回位扭矩的方式提高車輛的側(cè)碰安全系能與關(guān)門可靠性能可行性較差。

6.2 平衡塊布置位置的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

由平衡塊質(zhì)量區(qū)間計(jì)算公式（15）分析可知，外把手平衡塊重力力臂LG越大，平衡塊質(zhì)量m2的質(zhì)量區(qū)間越小，即大的外把手平衡塊重力力臂 LG既不有利于滿足車輛的側(cè)碰安全，又不利于滿足車輛的關(guān)門可靠性，因此，在車門外把手平衡塊布置時(shí)，在空間上應(yīng)盡量減小平衡塊的重力力臂LG，即在空間滿足的情況下盡量將平衡塊往靠近平衡塊旋轉(zhuǎn)軸正上方的位置布置。

同時(shí)，平衡塊慣性力力臂L2越大，平衡塊質(zhì)量m2的區(qū)間整體向數(shù)值減小的方向移動(dòng)，即在空間布置滿足的前提下，平衡塊設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增大平衡塊慣性力力臂L2，這樣有利于減小平衡塊的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

7 計(jì)算模型與實(shí)車工況的區(qū)別

本文所論述的側(cè)碰過程中車輛碰撞側(cè)與非碰撞側(cè)的計(jì)算模型均以外把手曲軸是否旋轉(zhuǎn)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，而在實(shí)車碰撞過程中，外把手曲軸需旋轉(zhuǎn)一定角度至解鎖位置時(shí)才會(huì)導(dǎo)致車門鎖的解鎖，因此，本模型的建立條件較實(shí)際情況更為嚴(yán)格，并且本靜態(tài)模型的建立方式是對(duì)實(shí)際復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程的簡(jiǎn)化，因此可采用本模型的建立方法作為判斷依據(jù)。

此外，為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，本計(jì)算模型中忽略了機(jī)構(gòu)摩擦力的作用效果，因機(jī)構(gòu)摩擦力的作用效果總是阻礙解鎖過程的進(jìn)行，因此，忽略機(jī)構(gòu)摩擦力較實(shí)際情況也更為嚴(yán)格。

[1] 中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB 20071-2006 汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.3.

[2] C-NCAP 管理中心.C-NCAP 管理規(guī)則（2012版）[S].天津:中國(guó)汽車技術(shù)研究中心,2012:28-29.

[3] 中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB 15086-2013 汽車門鎖及車門保持件的性能要求和實(shí)驗(yàn)方法[S],北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013:12-13.

[4] 劉哲.側(cè)碰過程中側(cè)門異常開啟的探測(cè)和解決方法[J].汽車工程師,2015（1）:53-55.

[5] 劉海玲.汽車側(cè)門外開啟系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].上海汽車,2010（12）:26-27.