基于側碰安全性的車門開啟問題研究及其結構優(yōu)化與驗證

楊軍 蘇東 陳小剛 曾繁林

摘? 要：針對汽車在側碰試驗過程中出現(xiàn)的車門開啟問題，結合門鎖子系統(tǒng)試驗、試驗拆解與變形分析以及側碰仿真，系統(tǒng)化的分析導致車門開啟的原因，確認導致車門門鎖解鎖開啟的主要原因是門鎖區(qū)域局部變形過大，導致外開把手彈出解鎖，使得車門開啟。結合文中提出的能夠反映門鎖區(qū)域局部變形與承受沖擊載荷的量化指標，提出了一種結構優(yōu)化方案，仿真結果顯示優(yōu)化方案的相關指標可減小70%以上，能夠有效改善門鎖區(qū)域局部變形及其承受的沖擊載荷作用，有效防止門鎖在側碰過程中解鎖開啟。優(yōu)化方案的側碰試驗結果驗證了其有效性，試驗中門鎖區(qū)域局部變形小，車門未開啟。本文為解決側碰過程中的車門打開問題提供一種分析方法與設計指導。

關鍵詞：碰撞安全;側面碰撞;車門開啟;碰撞仿真;結構優(yōu)化與驗證

中圖分類號：U461.91? ?文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）03-0057-07

Abstract： Aiming at the door open problem in MDB side impact test， combined with door lock subsystem tests， post-test disassembly and deformation analysis ， side impact simulation， systematically analyzed the causes of door open.Finally confirmed the main reason for door open was that the local deformation of the door lock area is too large， Caused the outer handle to be ejected and unlocked so that the door opens.. In this paper， a structural optimization scheme was proposed. According to the quantitative indicators that can reflect the local deformation and the impact load， the simulation results show that the related quantitative indicators of the optimization scheme can be reduced by more than 70%， and the local deformation of door lock can be effectively improved， thus preventing the unlocking of the door lock during the side impact. The effectiveness of the side impact test of the optimized scheme was verified. In the experiment， the local deformation of the door lock area was small and the door was not opened. This paper provides an analysis method and design guidance for solving the door opening problem in the side impact.

Key Words： crash safety; side impact; door open; crash simulation; structural optimization and verification

1? ? 前言

隨著我國汽車保有量的不斷增加，交通事故的發(fā)生隨之增多，因此提高汽車安全性，降低交通事故中乘員的受傷風險是汽車安全開發(fā)設計者的重要任務。交通事故的類型主要包含正面碰撞、側面碰撞及追尾等。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，各類碰撞事故發(fā)生的比例為正面碰撞59.2%，側面碰撞27%，追尾8.1%，其他5.7%[1]。其中側碰作為占比第二重的碰撞形式;為保證側碰過程中乘員的安全性，目前主要通過汽車側面碰撞試驗來評價車輛的側面安全性能，試驗采用可移動壁障以一定的速度撞擊車輛的側面，通過評價假人的傷害值和車身結構的變形情況來評定車輛在側碰過程中對乘員的安全保護性能。在國標及NCAP評價規(guī)程中均對側碰性能有要求，同時為保證車內(nèi)乘員在側碰過程中不被甩出以及防止外來物進入車內(nèi)對乘員造成傷害，GB 20071-2006《汽車側面碰撞的乘員保護》[2]以及歐盟法規(guī)ECE R95《關于車輛側面碰撞中乘員保護方面對車輛認證的統(tǒng)一規(guī)定》中要求：側面碰撞試驗過程中車門不得開啟。在《中國新車評價規(guī)程》[3]中也規(guī)定，如果在側面碰撞中出現(xiàn)車門開啟將被扣分，對于兩側的每一個車門，若在碰撞過程中開啟，則分別減去一分。

本文針對某乘用車型在開發(fā)階段的側碰試驗中出現(xiàn)的車門解鎖開啟問題，結合對門鎖系統(tǒng)的系統(tǒng)測試、試驗后車門及門鎖拆解分析與整車側碰仿真研究車門在側面碰撞過程中解鎖開啟的原因，提出可以量化門鎖周邊局部變形和受沖擊情況相關指標。針對門鎖解鎖開啟的原因提出結構優(yōu)化方案，進行優(yōu)化方案的側面碰撞的仿真與試驗驗證，驗證結果表明，優(yōu)化方案側碰試驗門鎖周邊局部變形改善明顯，未出現(xiàn)車門打開問題，方案有效。

2? ? 問題描述與分析

2.1? ?問題描述

在某車型按照2015版C-NCAP規(guī)則進行側面碰撞試驗時，出現(xiàn)了碰撞過程中左后車門解鎖開啟的現(xiàn)象，如圖1所示：

2.2? ?問題分析

如圖2所示，車門鎖系統(tǒng)主要包括鎖體總成、內(nèi)外開拉桿拉絲、內(nèi)外門把手總成等。門鎖系統(tǒng)開啟的過程為，在解鎖止狀態(tài)下，拉動把手拉手，通過拉桿，帶動鎖體外開搖臂，促使鎖體內(nèi)鎖舌轉動，脫離鎖扣完成車門開啟。

針對門鎖系統(tǒng)的相關耐沖擊性等性能，在國標GB 15086-2013 汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法[4]中對有相關要求：a）對于車門門鎖系統(tǒng)，在鎖止裝置未鎖止的情況下以與車輛縱向軸及車輛橫向加30g的慣性載荷，不應從全鎖緊位置脫開;b）對于后門門鎖系統(tǒng)，在鎖止裝置未鎖止的情況下以與車輛垂直軸平行方向施加30g的慣性載荷，不應從全鎖止位置脫開;c）每個部件和子系統(tǒng)可通過計算求出在特定方向上的最小耐慣性載荷，阻止開鎖的組合耐慣性載荷，應保證門鎖系統(tǒng)在正確安裝到車門上，承受上述a）和b）規(guī)定的慣性載荷時，保持在鎖緊位置。

一般而言，導致車門解鎖開啟的原因可分為：門鎖系統(tǒng)慣性力驅動的失效模式、門鈑金變形驅動外把手解鎖的失效模式以及門鈑金直接撞擊門鎖解鎖結構導致解鎖的失效模式[5]。

針對門鎖系統(tǒng)進行慣性沖擊試驗，驗證其能夠承受的慣性沖擊載荷，如圖3所示，門鎖慣性沖擊載荷試驗，門鎖外開把手在45g慣性沖擊載荷下沒有開啟動作，鎖體與內(nèi)門把手可承受60g與48g以上的慣性沖擊載荷，滿足門鎖系統(tǒng)抗沖擊要求，初步排除門鎖系統(tǒng)慣性力驅動失效的可能性。

對于是否為門把手拉桿或鎖體運動件被門鈑金撞擊而解鎖失效，在側碰試驗后，對左后車門進行切割與拆解分析，如圖4所示，外開拉桿保持完好，鎖體的相應零件也無磕碰痕跡，由此分析導致門鎖解鎖而使得車門開啟的可能性較小。

如圖5-圖6所示，外開把手在側碰過程中發(fā)生擠壓折彎變形，且玻璃導軌撞擊到把手的底座，門把手區(qū)域的鈑金變形大，呈現(xiàn)扭轉折彎變形。

如圖7所示，從中部擠壓把手底座，或從端部施加彎矩，可復現(xiàn)外把手彈出現(xiàn)象。結合門鎖系統(tǒng)的慣性沖擊試驗、車門及門鎖局部區(qū)域在側碰過程中的變形和拆解結果判斷：門鎖區(qū)域鈑金變形（擠壓與扭轉變形）過大，外開把手彈出，在撞擊過程中下壓外開拉桿解鎖，導致車門打開。

2.3? ?側面碰撞仿真

為進一步分析確認側碰車門解鎖開啟的原因，建立整車側碰仿真模型，仿真模型按照與試驗相同的條件設置，考慮到門鎖機構采用詳細建模的復雜性以及其網(wǎng)格尺寸對計算時間步長的限制，本文仿真模型：門鎖機構采用門鎖部件外部特征（主要為外開把手）簡化建模，為準確模擬外開把手在試驗中的運動與開啟情況，外開把手未用剛性（鎖死狀態(tài)）連接，而采用在外開把手的內(nèi)外部件間建立彈簧單元，模擬把手的開啟程度。側面碰撞模型搭建采用Hypermesh與Primer軟件，模型單元數(shù)1985609，節(jié)點數(shù)17005203，分析求解時間90ms，如圖8所示：

如圖9，試驗和仿真的車門變形情況對比，后門及門鎖區(qū)域的變形基本一致，基本能夠反映側碰過程中車門及門鎖的變形情況，仿真結果可行度高。

如何準確的量化門鎖局部區(qū)域的變形情況和受沖擊載荷情況，同時便于開展結構優(yōu)化方案的效果對比評估，本文提出如下指標來描述門鎖及其周邊的局部變形與受沖擊載荷的程度，如圖10所示：a.把手Y向間隙：Y0;b.把手部位鈑金X向變形及相對扭轉角度：abθ;c.把手及手窩處的Y向加速度：Aw? As;d.把手底座與玻璃導軌最小間隙：D0。

如圖11-圖15所示，左側（撞擊側）后門中腰線下靠近把手位置出現(xiàn)明顯凹陷，外開把手底座在碰撞過程中與玻璃導軌發(fā)生擠壓。圖12與圖13所示外開把手的Y向間隙變化、把手部位鈑金的X向變形以及相對扭轉變形角度指標亦顯示外開把手窩局部鈑金X向承受擠壓與扭轉變形，對外把產(chǎn)生較大的外推力，在撞擊過程中，外開把手彈出下壓外開拉桿解鎖，導致車門打開。

綜上分析，該車型在側面碰撞試驗中左后車門自動解鎖的原因是主要后門鎖區(qū)域局部變形過大，承受較大的X向擠壓與扭轉變形，且玻璃導軌擠壓外開把手底座，促使外開把手被擠出，推動拉桿帶動解鎖機構運動而導致解鎖，車門開啟。

3? ? 結構優(yōu)化與驗證

3.1? ?結構優(yōu)化

綜合零部件子系統(tǒng)試驗、試驗后拆解分析與仿真分析可以得出，為防止車門在側碰過程中解鎖開啟，需要改善門鎖區(qū)域的局部變形，減小門鎖承受的擠壓與扭轉變形，盡可能使門鎖局部區(qū)域的變形為一種“整體變形”形式?；诟纳崎T鎖區(qū)域局部變形的思路，為此設計了如圖16所示的結構加強部件，并通過優(yōu)化設計確定加強結構最優(yōu)的材料與厚度，該優(yōu)化加強結構能夠引導變形發(fā)生在車門的中前區(qū)域，降低門鎖區(qū)域的局部變形，保持門鎖區(qū)域的“整體性”，降低解鎖風險。

3.2? ?結構優(yōu)化方案分析

基于側碰仿真模型，對優(yōu)化方案進行相同條件下的側碰仿真對比分析。如圖17所示，紫色為優(yōu)化方案、綠色為原始方案，優(yōu)化方案的車門變形轉移至中前部，門鎖區(qū)域的整體性保持較好，沒有發(fā)生明顯的擠壓和扭轉變形。圖18顯示，優(yōu)化方案的玻璃導軌與把手底座的最小間隙為16mm，碰撞過程中導軌沒有撞擊把手底座。

如圖19-21、表3-5門鎖局部變形和加速度指標對比，其中外開把手的Y向間隙峰值、把手部位鈑金局部變形（X向變形與扭轉變形）以及把手與把手窩加速度峰值均大幅降低，降低幅度均超70%，其中扭轉變形的改善量達99%，優(yōu)化方案可明顯的改善門鎖區(qū)域的局部變形，降低門鎖系統(tǒng)在側碰過程中承受的慣性沖擊載荷，有效降低門鎖解鎖車門開啟的風險。

3.3? ?試驗驗證

結構優(yōu)化方案經(jīng)過多次側碰試驗驗證，試驗中左后車門均未發(fā)生解鎖開啟現(xiàn)象，如圖22所示所示，門鎖區(qū)域局部X向擠壓與扭轉變形小，完整性保持好。

試驗與仿真結果的對比顯示，左后車門的變形形式、變形位置及門鎖局部的變形狀態(tài)均較為一致，說明本文建立的仿真模型是可靠有效的，能夠預測側碰試驗中的變形情況，可用于進行結構變形及優(yōu)化方案對比分析，指導結構的優(yōu)化設計。同時本文中提出的局部變形與承受載荷作用的量化指標，能夠較為準確的表征門鎖區(qū)域的局部變形和受沖擊程度，亦可用來進行優(yōu)化改善方案效果評估。對于后續(xù)解決該類問題均有重要的意義。

4? ? 結論

本文基于側碰過程中車門解鎖打開的問題，結合試驗與仿真的分析方法，確認了車門開啟的原因，并提出了解決車門解鎖開啟問題對應的結構優(yōu)化方案，有效解決了側碰試驗中車門開啟的問題，得出以下結論：

本文從可能導致門鎖解鎖的因素中，結合子系統(tǒng)試驗、試驗后變形與拆解及仿真分析，系統(tǒng)化的分析了導致車門開啟的原因，最終確認了門鎖區(qū)域局部X向擠壓與扭轉變形過大，玻璃導軌擠壓外開把手底座，促使外開把手被擠出，推動拉桿帶動解鎖機構運動而導致解鎖為車門開啟的問題所在。

提出了能夠反映門鎖局部區(qū)域變形及承受沖擊作用的指標，便于量化變形及受沖擊程度，亦可用做優(yōu)化方案的改善效果評估對比，通過試驗驗證了其有效性。

針對車門解鎖開啟的問題基于控制門鎖區(qū)域局部變形的優(yōu)化思路，提出了有效的對應優(yōu)化方案，可明顯的減小車門鎖區(qū)域的X向擠壓變形與扭轉變形，降低門鎖系統(tǒng)受沖擊的慣性載荷，降低門鎖解鎖開啟的風險，經(jīng)多次側碰試驗驗證方案有效。

建立了準確地仿真模型，通過仿真與試驗的量化指標對比研究，可以較為準確地描述該類問題，形成相關的數(shù)據(jù)庫，在設計階段通過仿真的手段即可提早發(fā)現(xiàn)問題，有效應對，縮短開發(fā)周期，減少試驗次數(shù)，節(jié)約開發(fā)成本，保證車型的安全性。

針對本文中提出的量化指標如何確定設計目標值來指導結構設計還需要大量的試驗數(shù)據(jù)及其仿真對標研究確定。

參考文獻：

[1]鐘陽.SUV側面碰撞仿真分析及B柱優(yōu)化設計研究[D].廣州：華南理工大學，2010：1-2.

[2]中華人民共和國標準化委員會.GB 20071-2006 汽車側面碰撞的乘員保護[S].北京.中國標準出版社，2006.3.

[3]C-NCAP管理中心.C-NCAP管理規(guī)則（2015版）.

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

[5]劉海玲.汽車側門外開啟系統(tǒng)設計[J].上海汽車.2010（12）：26-27.