車門鎖系統(tǒng)耐慣性性能設(shè)計(jì)與計(jì)算解析

金云光，丁光學(xué)，朱偉

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車門鎖系統(tǒng)耐慣性性能設(shè)計(jì)與計(jì)算解析

金云光，丁光學(xué)，朱偉

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章解析通過(guò)車門鎖系統(tǒng)開啟的動(dòng)作和力學(xué)（力矩）傳遞過(guò)程，詳細(xì)闡述了車門鎖系統(tǒng)耐慣性加速度的計(jì)算原理和方法；建立了車門鎖系統(tǒng)耐慣性性能計(jì)算模型，在該計(jì)算模型中，可基于耐慣性加速度指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)正向設(shè)計(jì)。

車門鎖系統(tǒng)；耐慣性力；力學(xué)傳遞；計(jì)算模型

CLC NO.:U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-123-04

引言

車門鎖系統(tǒng)是汽車車門一個(gè)重要的部件，安全性能是車門鎖系統(tǒng)一項(xiàng)最基本性能要求，即保證汽車在受到側(cè)碰或一定的慣性加速度下，車門不被意外開啟，保障車內(nèi)人員的安全。

如何通過(guò)布置、設(shè)計(jì)和參數(shù)的定義，滿足耐慣性性能要求，避免車門不被打開，保障車內(nèi)人員的安全，已成為車門外把手設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程的一個(gè)重要的課題。

本文根據(jù)車門鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和開啟過(guò)程，建立了車門鎖系統(tǒng)安全性能計(jì)算分析模型，在設(shè)計(jì)階段布置設(shè)計(jì)和參數(shù)定義，確保該系統(tǒng)耐慣性性能。

1、車門外把手及鎖系統(tǒng)

如圖1，車門鎖系統(tǒng)包括鎖體總成、內(nèi)外開拉桿拉絲、內(nèi)外把手總成等。

門鎖系統(tǒng)開啟過(guò)程為，在解鎖止?fàn)顟B(tài)下，拉動(dòng)把手拉手，通過(guò)拉桿，帶動(dòng)鎖體外開搖臂，促使鎖體內(nèi)鎖舌轉(zhuǎn)動(dòng)，脫離鎖扣，完成車門的開啟。

對(duì)車門外把手的側(cè)碰性能的開發(fā)就是通過(guò)布置、設(shè)計(jì)、計(jì)算，確保汽車在受到側(cè)碰或一定的慣性加速度的作用時(shí)。阻止上述開鎖動(dòng)作的傳遞，避免車門門鎖開啟。

圖1 車門鎖系統(tǒng)示意圖

2、性能要求

1）門鎖系統(tǒng)應(yīng)滿足下述慣性載荷要求中a的動(dòng)態(tài)要求，或者滿足b的計(jì)算要求。

a對(duì)車門門鎖系統(tǒng)，在解鎖情況下，以縱向或橫向分別施加30 g 的慣性載荷，不應(yīng)從全鎖緊位置脫開。

b每個(gè)部件和子系統(tǒng)可以通過(guò)計(jì)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(yīng)保證門鎖系統(tǒng)在正確安裝到車門上，承受上述a規(guī)定的慣性載荷時(shí)，保持在鎖緊位置。

2）實(shí)際耐慣性載荷要求

實(shí)際情況，為了充分保證門鎖系統(tǒng)的安全要求，會(huì)提升車門鎖系統(tǒng)耐慣性載荷要求；一般按以下要求執(zhí)行：門鎖處于全鎖緊位置時(shí)，在任何方向上均能承受加速60g，作用時(shí)間30ms的慣性負(fù)荷，并能保持全鎖緊位置。

注：文中的“n”均為重力加速度的倍數(shù)。

3、原理解析

如圖2，車門外把手主要包括把手手柄、把手基座，外把手基座上配有聯(lián)軸器，其包含配重塊、扭簧等。通過(guò)車門外把手開鎖過(guò)程為：手動(dòng)拉動(dòng)車門外把手手柄、把手手柄繞其軸線A-B旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、通過(guò)手柄掛鉤拉動(dòng)把手基座聯(lián)軸器（D點(diǎn)為作用位置）、把手基座聯(lián)軸器繞其軸線E-F旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)聯(lián)軸器上外開拉桿安裝孔帶動(dòng)外開拉桿向下運(yùn)動(dòng)（H點(diǎn)為作用位置）、外開拉桿帶動(dòng)車門鎖體上的外開擺臂繞其軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)車門鎖體外開擺臂繞其軸線運(yùn)動(dòng)達(dá)到車門鎖體有效開啟行程，車門鎖體鎖扣嚙合則會(huì)開啟。

圖2 車門鎖開啟過(guò)程示意圖

汽車在受到側(cè)碰或慣性載荷作用時(shí)，車門外把手、把手基座聯(lián)軸器、外開拉桿均會(huì)產(chǎn)生慣性力，上述慣性力中有利于車門鎖開啟方向的慣性力、也有不利于車門鎖開啟方向的慣性力，其差值產(chǎn)生的力矩等于或大于車門鎖開啟的阻力產(chǎn)生的力矩（包括車門鎖體外開擺臂解鎖力、把手彈簧的扭力力矩、摩擦力），車門鎖體則會(huì)開啟的風(fēng)險(xiǎn)。

（1）外開擺臂受力分析

當(dāng)外開拉桿下壓外開擺臂達(dá)一定值時(shí)，開啟臂突破鎖機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，鎖被開啟。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)將車門鎖體外開擺臂開啟力F1作為開啟條件建立計(jì)算關(guān)系。

（2）外開拉桿受力分析外開拉桿受力分析詳見圖3。

圖3 車門外開拉桿受力平衡示意圖

a 外開拉桿的重力作用

車門外開拉桿上端固定在聯(lián)軸器上，下端與鎖外開擺臂接觸，因碰撞慣性載荷作用時(shí)，為了充分保證車門把手的側(cè)碰性能，一般取外開拉桿對(duì)外開擺臂的最大作用力，即其全部重力：m3g。

b 外開拉桿對(duì)外開擺臂慣性力

外開鎖桿一半質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力作用在外開臂上，如圖4，J1J是平行于Y軸的碰撞方向，過(guò)J作外開擺臂旋轉(zhuǎn)軸線MN的法平面π11交MN于J0，J1J是J2J在平面π11上的投影，∠J1JJ2=α6，∠J0JJ2=α7，產(chǎn)生有效慣性力為：m3*g*n*CONα6*tgα7/2；J2J0∥J4J，J5J是重力的鉛垂方向，J4J是有效慣性力方向，∠J4JJ5=α8。

外開拉桿對(duì)外開擺臂慣性力為：

當(dāng)J點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)軸上方，產(chǎn)生的是阻止開啟的力矩，使聯(lián)軸器下壓力加大，否則相反。

c結(jié)論

綜上，根據(jù)作用力的傳遞計(jì)算，車門鎖開啟的條件為，聯(lián)軸器對(duì)外開拉桿向下作用力須達(dá)到F2限值。

圖4 車門外開拉桿與外開擺臂作用示意圖

如圖5，HH1是過(guò)H點(diǎn)的鉛垂線，過(guò)H作直線EF的法平面π1交EF于H0，過(guò)H、E、F三點(diǎn)作平面π2，過(guò)H作平面π2法線HH2，∠H1HH2=α1。過(guò)H0作H0H3⊥H3H2，∠H3HH0=α2。H0H3是有效轉(zhuǎn)矩的力臂：HH0*SINα2。

外開拉桿對(duì)聯(lián)軸器的有效反作用力：

有效轉(zhuǎn)矩的力臂：H0H3。

碰撞車門開啟時(shí)，聯(lián)軸器對(duì)外開拉桿的輸出力矩須達(dá)到：

圖5 車門外開拉桿與聯(lián)軸器作用示意圖

（3）聯(lián)軸器的受力分析

a 外開拉桿慣性力矩

如圖6，外開鎖桿一半質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力作用在聯(lián)軸器上，HH4是過(guò)H點(diǎn)的平行于Y軸的直線；過(guò)H作直線EF的法平面π1交EF于H0，H5是H4在平面π1上投影，∠H4HH5=α10，∠H5HH0=α11，過(guò)H0作H0H6⊥H5H交H5H于H5。

在水平方向鎖桿產(chǎn)生的慣性力：m3*g*n/2 在EF旋轉(zhuǎn)方向鎖桿產(chǎn)生的有效慣性力：

在EF旋轉(zhuǎn)方向鎖桿產(chǎn)生的有效慣性力臂：

鎖桿另一半慣性力作用在聯(lián)軸器上的碰撞慣性力矩：

當(dāng)H點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)軸之上時(shí)，產(chǎn)生的是阻止開啟的力矩，否則相反。

圖6 車門外開拉桿對(duì)聯(lián)軸器慣性作用示意圖

b 聯(lián)軸器慣性力

如圖7，GG4是過(guò)G點(diǎn)的平行于Y軸的直線；過(guò)G作直線EF的法平面π3交EF于G0，G5是G4在平面π3上投影，∠G4GG5=α12，∠G5GG0=α13，過(guò)G0作G0G6⊥G5G交G5G于G5。

在水平方向聯(lián)軸器產(chǎn)生的慣性力：m2*g*n

在EF旋轉(zhuǎn)方向聯(lián)軸器產(chǎn)生的有效慣性力：

在EF旋轉(zhuǎn)方向聯(lián)軸器產(chǎn)生的有效慣性力臂：

聯(lián)軸器慣性力矩：

當(dāng)G點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)軸之上時(shí)，產(chǎn)生的是阻止開啟的力矩，否則相反。

c聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦阻力力矩

聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)時(shí)阻力矩在輸入時(shí)定義為A4，是一個(gè)具體值。

圖7 聯(lián)軸器慣性力示意圖

d扭簧的阻力矩

扭簧的阻力矩定義為A5，它在工作過(guò)程中按一定規(guī)律變化，是一個(gè)規(guī)律變化值。

e 把手手柄對(duì)聯(lián)軸器的作用力矩

如圖8，D是聯(lián)軸器球頭球心，D在直線EF的投影D3，過(guò)D、E、F三點(diǎn)做平面π4，過(guò)D作π4的法線DD1，DD1是聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)力有效作用方向；D3D把手手柄作用聯(lián)軸器的有效力臂。

過(guò)D、A、B三點(diǎn)做平面π5，該平面方程通過(guò)D、A、B三點(diǎn)坐標(biāo)求得，過(guò)D作平面π6的法線DD2，DD2是把手柄旋轉(zhuǎn)力的有效作用方向。

當(dāng)把手柄的旋轉(zhuǎn)作用力為F4時(shí)，則聯(lián)軸器獲得把手柄傳來(lái)的有效力矩：

對(duì)于聯(lián)軸器，車門開啟力矩條件為：

對(duì)于聯(lián)軸器，綜上，可計(jì)算出車門開啟力條件：

（4）把手柄的受力分析

a 把手柄的重力

如圖9，CC1是過(guò)C點(diǎn)的鉛垂線，過(guò)C作直線AB的法平面π7交AB于C0，過(guò)C作A、B、C三點(diǎn)的法平面π8，過(guò)C作C2C垂直于π8，則C2C為把手柄重力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩有效力方向，∠CC1C2=α。

圖8 外開手柄與聯(lián)軸器作用示意圖

CC1是把手柄重力方向，CC2是作用在以AB為旋轉(zhuǎn)軸上的有效旋轉(zhuǎn)力方向，C0C是有效旋轉(zhuǎn)力的力臂。

圖9 車門外開手柄重力作用示意圖

把手手柄作用在以AB為旋轉(zhuǎn)軸上的有效重力矩：

內(nèi)傾是負(fù)值，外傾是正值。

b把手柄慣性力

如圖10，CC4是過(guò)C點(diǎn)的平行于Y軸的直線；過(guò)C作直線AB的法平面π13交AB于C0，過(guò)A、B、C三點(diǎn)做平面π14，過(guò)C點(diǎn)做CC5垂直于平面π14，∠C4CC5=α14。

圖10 車門外開手柄慣性作用示意圖

在水平方向把手柄產(chǎn)生的慣性力：m1*g*n

在AB旋轉(zhuǎn)方向把手柄產(chǎn)生的有效慣性力：

在AB旋轉(zhuǎn)方向把手柄產(chǎn)生的有效慣性力臂：CC0

把手柄慣性力矩：

c把手柄旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦阻力

把手柄旋轉(zhuǎn)時(shí)阻力矩在輸入時(shí)定義為A9，是一個(gè)具體值。

對(duì)于車門外把手手柄，設(shè)聯(lián)軸器對(duì)外開手柄的反作用力F4的力臂為L(zhǎng)，則車門開啟的力矩條件為：

4、計(jì)算模型建立

依據(jù)上述原理解析，可建立車門鎖系統(tǒng)耐慣性力的計(jì)算模型，輸入相應(yīng)的幾何尺寸參數(shù)、門鎖體的解鎖力、扭簧的扭矩、影響零部件重量、摩擦力矩，可精確地計(jì)算車門鎖系統(tǒng)耐慣性加速度。

在設(shè)計(jì)階段，可基于車門鎖系統(tǒng)耐慣性加速度性能指標(biāo)對(duì)模型上幾何參數(shù)變量（結(jié)構(gòu)尺寸）和物理參數(shù)變量（解鎖力、彈簧扭矩等）進(jìn)行布置設(shè)計(jì)和設(shè)定，做到車門鎖系統(tǒng)耐慣性性能的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的正向設(shè)計(jì)。

5、結(jié)束語(yǔ)

安全性能是汽車最基本性能要求，耐慣性力要求是車門鎖系統(tǒng)一項(xiàng)安全性能要求。本文解析通過(guò)車門鎖系統(tǒng)開啟的動(dòng)作過(guò)程和力學(xué)（力矩）傳遞，詳細(xì)闡述了車門鎖系統(tǒng)耐慣性加速度的計(jì)算原理和方法；建立了其計(jì)算模型，在模型中，可基于耐慣性加速度指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)正向設(shè)計(jì)；將性能指標(biāo)（耐慣性加速度）的開發(fā)工作真正提前到設(shè)計(jì)階段，具有廣泛的推廣意義。

[1] 黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版設(shè)計(jì).2007.

[2] 周旭坤.汽車門鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ).兵器工業(yè)出版設(shè)計(jì).2015.

The Design and calculation of inertia for latch system of automobile

Jin Yunguang, Ding Guangxue, Zhu Wei
( Anhui jianghuai automobile Co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

In this paper, the transfer of force and torque and procedure of latch system is pointed, the calculation of inertia is specified; the formula to calculate the inertia of latch system is established; in the formula, the inertia can be parametric developed.

latch system of door; resistance of inertia; transfer of force and torque; formula to calculate

U463.5

A

1671-7988 (2017)08-123-04

金云光，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.042