汽車側門外掀式把手程序化設計研究

丁光學，鄭文平，劉美麗，呂　龍

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

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汽車側門外掀式把手程序化設計研究

丁光學1，鄭文平2，劉美麗1，呂龍1

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

車門把手是車身中重要的功能件和安全件。為了實現該類門把手程序化優化設計，針對一種外掀式把手建立了數據模型，根據其空間幾何關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。利用該宏程序實現了外掀式把手關鍵尺寸、結構布置以及汽車碰撞過程的校核，并根據碰撞校核的結果進一步優化了外掀式把手操作行程、配重塊及回位彈簧等關鍵參數，獲得了外掀式把手優化設計方案，為工程應用提供了參考。

側門；外掀式；把手；布置設計；碰撞

側門外掀式把手(下述簡稱外把手)是汽車側門鎖系統的重要組成部分，也是開閉側門的重要功能件。其設計應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；二是安全性，當車輛遭受側碰撞[1-2]時，不合理的設計會引起側門主動開起，導致乘員被拋出車外。

1　外把手結構和工作原理

1.1結構

外把手是一種兼顧側門開起、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　外把手主要結構

1.2工作原理

外把手工作原理圖如圖2所示。當正常開起車門時，操作外把手手柄，旋轉端安裝在把手座的旋轉軸AB上，平衡塊的旋轉軸CD也安裝在把手座，AB∥CD，在平衡塊上設計有一凸臺；該凸臺嵌合在把手柄中部導向槽中，當把手柄開起時，導向槽帶動凸臺一起推動平衡塊轉動，平衡塊轉動同時帶動鎖外開拉索移動，從而達到開起側門鎖的目的。在外把手施力結束后，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，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系到正常情況下開起門操作力的大小， 同時也關系到車輛受到側碰撞

時的被動安全性，因此應精確計算其扭矩。

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

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

本文將圍繞下述問題進行研究：1)實現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計要求范圍內；3)在本側門受到65g加速度的側碰撞時，本側門上的外把手產生的綜合慣性矩，不會開起本側門；4)在對側門受到65g加速度的側碰撞時，本側門上的外把手產生的綜合慣性矩，也不會開起本側門；5)設計方案的優化過程。

2　外把手的設計計算

外把手的力學結構分析如圖3所示。

圖3　外把手結構件圖

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之間的關系式為：

通過調整l、R和r，可以滿足鎖機構開起行程的要求。

2.2確定鎖開起行程和外把手開起行程的匹配

本車型使用的側門鎖在裸鎖狀態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為自變量的函數操作力F的關系式。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軸產生的開起力矩；M0為平衡塊合力矩轉化為把手柄的作用力矩；N是扭簧扭矩。本案設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　外把手側碰撞分析和計算

3.1側碰撞來自本側門的分析和計算

側碰撞來自本側門的分析示意圖如圖6所示。

圖6　側碰撞來自本側門的分析示意圖

1)外開手柄本身的合力矩。側碰撞來自本側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和扭簧復位扭矩N。

2)平衡塊的合力矩。側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點的作用力為(M3+M6+M7)/R。平衡塊的合力矩產生的作用力通過K點轉化為以AB為旋轉軸的力矩M9。

3)作用在外把手總成的合力矩。根據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平本的關系式 。碰撞過程中拉索產生的拉力F平本是否全部超過側門鎖的開起力是判定本側門是否開起的必要條件。在對應開起位置下，當拉索產生的拉力小于側門鎖的開起力時，側門不會開起；否則存在開起風險。

3.2側碰撞來自對側門的分析和計算內容

側碰撞來自對側門的分析示意圖如圖7所示。

1)外開手柄本身的合力矩。側碰撞來自對側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和扭簧復位扭矩N。

2)平衡塊的合力矩。側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點轉化為以AB為旋轉軸的力矩M10。

圖7　側碰撞來自對側門的分析示意圖

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。碰撞過程拉索產生的拉力F平對是否超過側門鎖的開起力,是判定本側門是否開起的必要條件。在對應開起位置下，當拉索產生的拉力小于側門鎖的開起力時，側門不會開起；否則存在開起的風險。

4　單個方案計算結果輸出形式

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的特征點或特定參數(見圖8)，完成該計算的所有輸入值(共20組數據)，其中10組是關鍵機構的坐標點；另外10組是具體零件的質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組數據，這些信息可以同時作為自變量，但考慮到計算的復雜程度，僅選定平衡塊軸端點D坐標、平衡塊質量、碰撞加速度和扭簧扭矩等4組參數作為自變量進行優化，在優化計算對應位置輸入。在單個計算時，該4組參數對應優化計算區域中計算后獲得的對應數據。

4.2固定位置的計算輸出區域

固定位置的計算輸出區域是單個方案計算的計算結果，它為單個方案過程計算提供數據儲備。結構計算輸出如圖9所示(局部)。

4.3單個方案的過程計算輸出區域

單個方案的過程計算輸出區域是外把手柄開起過程位置參數隨開起角度φ變化的計算結果，它包含3個不同工作狀態的受力分析：外把手正常開起情況、外把手在來自本側門碰撞和外把手在來自對側門碰撞。計算輸出內容如圖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角是根據最初定義的值默認10等份設置，也可以根據需要調大或調小。在圖12和圖13中，通過2條曲線并列對比，可以判定拉索產生的開鎖力是否會導致側門開起。

圖8　計算輸入的各結構點及相關參數

圖9　結構計算輸出

圖10　計算輸出內容

圖12　來自本側門的碰撞慣性力曲線

圖13　來自對側門的碰撞慣性力曲線

5　方案優化計算

選定平衡塊軸端點C坐標、平衡塊質量、碰撞加速度和扭簧扭矩等4組參數作為自變量進行優化。

方案優化計算[4]是利用單個方案的計算形式，不斷有規律地改變單個方案的輸入值，使其計算可以擴展至無窮利用，同時利用Excel中的VBA模塊功能進行計算。按照設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，以此找出最接近設計要求的方案(見圖14)。

圖14　優化窗口

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

當不需要在某個預置值附近搜索時，可將其“范圍”設置為0，“增量”不能為0。鎖定“平衡塊軸端點D”“平衡塊質量”“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測對象，設置的目標值“23”“45”為監測標準，進行搜索計算，通過比較，最接近目標值的方案順序號對應的各分方案就是在這個設定方案內的最佳方案。

獲得的最佳方案所對應的各狀態過程曲線如圖15所示。通過分析可知，外把手外開操作力為23～45 N時滿足設計要求；當碰撞來自本側門時，碰撞加速度為-65 g，在開起角度14.1°以后，開起鎖機構的拉力不會導致側門鎖開起；當碰撞來自對側門時，碰撞加速度為65 g，在開起角度1.5°以后，開起鎖機構的拉力成為負值，也不會導致側門鎖開起。故該優化方案滿足要求。

圖15　最佳方案所對應的各狀態過程曲線

5.1偏離系數的設計選定

偏離系數計算公式為：

式中，Fa是計算的具體方案中外把手最大開起力，該值及時從對應方案計算中讀取；Fb是外把手最大開起力對應的目標值。

根據需要，偏離系數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。

5.2通過VBA編制的程序主要內容

利用自行開發的宏程序命令，一鍵運行全部方案的計算。按照總方案數的排序，并利用for循環語句，從第1個方案開始計算，計算的結果作為預制值，同時顯示在第8行和第11行對應位置后，再進行第2個方案的計算，計算結果顯示在第8行，利用if 語句與第11行比較，若本方案的偏離系數大于上一個方案的偏離系數，則再進行第3個方案；若本方案的偏離系數小于上一個方案的偏離系數，則將第2個方案的結果顯示在第11行，再進行第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，對應方案計算結果及時通過圖形曲線表達出來，設計師可以準確了解全部方案的符合性概況。在計算結束后，第11行對應的值就是最接近目標方案的優選值，讀取最接近目標方案的自動優化具體數據，就可同時顯示出其受力曲線。

方案優化過程將單個方案擴展至無窮，并在無窮方案中，按照目標要求，選擇最接近目標的方案作為最優方案，其大大降低了計算分析的勞動強度，且快捷、準確。

5.3方案優化延伸分析

利用開發的連續自動運算式，獲得所需曲線的變化規律，通過自動計算獲得連續變化的曲線。下述分別從單個搜索計算過程的若干截圖中，選取起始、中間和結尾等3張圖片進行分析，設計師可以根據曲線變化趨勢直觀把握設計改進的方向。

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

圖16　優化C點X坐標的過程曲線

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

圖17　優化C點Y坐標的過程曲線

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

圖18　優化C點Z坐標的過程曲線

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

圖19　優化平衡塊質量的過程曲線

5)優化碰撞加速度的過程曲線如圖20所示。在±98 kg·m/s2范圍內，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，不利于來自本側門的碰撞，也不利于來自對側門的碰撞。

圖20　優化碰撞加速度的過程曲線

6)優化扭簧扭矩的過程曲線如圖21所示。在±0.5 N·m范圍內，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，有利于來自本側門的碰撞，也有利于來自對側門的碰撞。

圖21　優化扭簧扭矩的過程曲線

6　結語

研究了一種車身側門外掀式把手的新設計方法。采用該設計方法，能將所有設計數據參數化，可以根據布置空間的需要任意確定設計參數，從而快速獲得碰撞校核和布置的操作性能等參數的計算結果；還可以設定搜索范圍，通過系統優化，自動找出最優布置方案，使該類型門把手設計簡便、科學和高效，可在車身產品研發過程中推廣應用。

[1] 全國汽車標準化技術委員會.GB 15086—2013汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2015.

[2] 鐘志華.汽車碰撞安全技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 高云凱.汽車車身結構分析[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

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

責任編輯馬彤

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

2015-12-18