側(cè)面碰撞車(chē)門(mén)解鎖問(wèn)題結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄧元,黃民山,楊淑妮

(1.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司,廣西柳州 545007;2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展和汽車(chē)保有量的不斷增長(zhǎng)，由此造成的安全問(wèn)題日益突出。汽車(chē)被動(dòng)安全技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越成熟，在汽車(chē)被動(dòng)安全技術(shù)研究中，車(chē)內(nèi)乘員保護(hù)一直是汽車(chē)被動(dòng)安全研究的主要內(nèi)容之一。在交通事故中，可以分為正面碰撞、正面柱撞、側(cè)面碰撞、側(cè)面柱撞、追尾及翻滾等，側(cè)面碰撞屬于主要常見(jiàn)的事故類(lèi)型[1-3]。由于汽車(chē)車(chē)內(nèi)側(cè)面空間有限，與正面碰撞相比，發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)乘員更容易受到傷害。車(chē)內(nèi)乘員在側(cè)面碰撞中受到傷害主要有兩種形式：(1)被撞側(cè)車(chē)身和車(chē)門(mén)發(fā)生嚴(yán)重變形，入侵乘員艙造成的直接損傷，需要配置側(cè)面氣囊和氣簾減輕損傷；(2)碰撞過(guò)程中車(chē)門(mén)出現(xiàn)解鎖導(dǎo)致車(chē)門(mén)開(kāi)啟，乘員除了出現(xiàn)碰撞損傷外，還會(huì)受到被甩出車(chē)外造成的二次損傷。因此在進(jìn)行

車(chē)身側(cè)面耐撞性設(shè)計(jì)中必須解決車(chē)門(mén)解鎖開(kāi)啟問(wèn)題。在國(guó)標(biāo)和《中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程》(2018版)都對(duì)側(cè)面碰撞試驗(yàn)有明確的假人損傷要求和相關(guān)規(guī)定。《GB 20071—2006 汽車(chē)側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》中要求碰撞過(guò)程中車(chē)門(mén)不得開(kāi)啟[4]，《中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程》(2018版)中也規(guī)定對(duì)于兩側(cè)的每一個(gè)車(chē)門(mén)，若在碰撞過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)啟，則分別減去1分[5]。

本文作者針對(duì)某車(chē)型在研發(fā)階段的側(cè)面碰撞試驗(yàn)中出現(xiàn)的后側(cè)車(chē)門(mén)解鎖開(kāi)啟問(wèn)題，結(jié)合試驗(yàn)后車(chē)門(mén)拆解分析、門(mén)鎖結(jié)構(gòu)精細(xì)化建模和整車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，找到了門(mén)鎖解鎖開(kāi)啟的原因。據(jù)此提出了在車(chē)門(mén)外板上部增加一根加強(qiáng)板的優(yōu)化方案，后續(xù)優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，門(mén)鎖周邊車(chē)門(mén)外板局部變形改善明顯，沒(méi)有出現(xiàn)車(chē)門(mén)解鎖開(kāi)啟問(wèn)題，方案有效。

1 問(wèn)題描述

某車(chē)型在開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行側(cè)面碰撞試驗(yàn)后，在車(chē)外拉后側(cè)門(mén)窗框，發(fā)現(xiàn)車(chē)門(mén)處于自由開(kāi)啟狀態(tài)，門(mén)鎖出現(xiàn)解鎖。后續(xù)通過(guò)高速錄像進(jìn)一步證實(shí)，試驗(yàn)車(chē)與移動(dòng)壁障開(kāi)始分離后，后側(cè)門(mén)出現(xiàn)開(kāi)啟現(xiàn)象。

側(cè)面碰撞試驗(yàn)過(guò)程中后側(cè)門(mén)出現(xiàn)開(kāi)啟問(wèn)題，后排乘員可能存在被甩出車(chē)外的危險(xiǎn)。由于后側(cè)門(mén)沒(méi)有按設(shè)計(jì)狀態(tài)保持鎖止，后側(cè)門(mén)侵入對(duì)后排假人造成的損傷與設(shè)計(jì)狀態(tài)出現(xiàn)偏差，無(wú)法得出后排假人真實(shí)得分。必須解決后側(cè)門(mén)門(mén)鎖開(kāi)啟問(wèn)題，才能開(kāi)展后續(xù)開(kāi)發(fā)工作，評(píng)估假人傷害值是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2 仿真對(duì)標(biāo)和原因分析

2.1 研究?jī)?nèi)容

試驗(yàn)后側(cè)門(mén)外板對(duì)應(yīng)門(mén)鎖外開(kāi)拉桿區(qū)域，出現(xiàn)深V凹陷變形，同時(shí)外開(kāi)把手與外開(kāi)本體處于分離狀態(tài)，如圖1所示。通過(guò)拆車(chē)發(fā)現(xiàn)B柱、門(mén)檻、地板座椅后橫梁和前后門(mén)都出現(xiàn)較大的變形，后側(cè)門(mén)門(mén)鎖解鎖問(wèn)題與車(chē)門(mén)外板局部變形過(guò)大有關(guān)，需要在整車(chē)仿真模型對(duì)標(biāo)結(jié)果良好的前提下，后側(cè)門(mén)變形才能與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)一致。

圖1 后側(cè)門(mén)變形

2.2 整車(chē)仿真對(duì)標(biāo)

按照試驗(yàn)前測(cè)量碰撞側(cè)前后輪眉通過(guò)輪心位置的高度，重新調(diào)整模型中移動(dòng)壁障高度。根據(jù)實(shí)車(chē)中B柱、門(mén)檻出現(xiàn)焊點(diǎn)失效的位置設(shè)置焊點(diǎn)力失效，同時(shí)將B柱內(nèi)板上布置的加速度傳感器按試驗(yàn)位置進(jìn)行調(diào)整。由于B柱整體侵入量直接影響到后側(cè)門(mén)的變形，因此文中以B柱侵入量作為重要對(duì)標(biāo)指標(biāo)，對(duì)標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)標(biāo)結(jié)果表明整車(chē)仿真模型具有較高的精度，可以進(jìn)行后續(xù)后側(cè)門(mén)解鎖問(wèn)題優(yōu)化。

表1 B柱侵入量對(duì)標(biāo)結(jié)果

2.3 門(mén)鎖系統(tǒng)精細(xì)化建模

在已經(jīng)對(duì)標(biāo)好的整車(chē)模型基礎(chǔ)上，加入后側(cè)門(mén)門(mén)鎖系統(tǒng)精細(xì)化模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行解鎖問(wèn)題分析。相對(duì)于車(chē)門(mén)整體尺寸來(lái)說(shuō)，門(mén)鎖系統(tǒng)的零件尺寸小且數(shù)量多，同時(shí)存在較多運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)副，特別是門(mén)鎖本體內(nèi)部零件。由于受整車(chē)模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)限制，門(mén)鎖系統(tǒng)模型單元尺寸不能過(guò)小，在保證單元大小能夠準(zhǔn)確模擬零件外形特性的前提下，對(duì)碰撞過(guò)程中不會(huì)變形的零件按照剛體處理，但是需要確保各個(gè)零件的質(zhì)量和質(zhì)心位置與實(shí)際一致。根據(jù)各個(gè)零部件之間的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系，建立相應(yīng)的鉸鏈連接，確保建立的門(mén)鎖系統(tǒng)有限元模型運(yùn)動(dòng)形式和實(shí)際的完全一致。為了準(zhǔn)確模擬外開(kāi)把手在實(shí)際側(cè)碰試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)和開(kāi)啟受力情況，在外開(kāi)把手與本體間加入與實(shí)際彈簧剛度一致地扭轉(zhuǎn)彈簧單元，模擬外開(kāi)把手的開(kāi)啟程度。整個(gè)門(mén)鎖系統(tǒng)有限元模型如圖2所示。

圖2 門(mén)鎖系統(tǒng)有限元模型

2.4 門(mén)鎖解鎖原因分析

在側(cè)碰模型中加入上面建立的門(mén)鎖系統(tǒng)精細(xì)化模型后，通過(guò)仿真計(jì)算分析，仿真模型中后側(cè)門(mén)的變形模式和試驗(yàn)一致，外開(kāi)把手與外開(kāi)本體處于分離狀態(tài)，出現(xiàn)了開(kāi)鎖動(dòng)作，說(shuō)明仿真模型的結(jié)果可信度高，如圖3所示。

圖3 后側(cè)門(mén)試驗(yàn)與仿真變形對(duì)比

圖4為后側(cè)門(mén)外開(kāi)把手區(qū)域變形局部分析圖，在側(cè)面碰撞過(guò)程中，后側(cè)門(mén)外板在外開(kāi)把手下部區(qū)域發(fā)生了嚴(yán)重的凹陷變形。該凹陷變形使得外開(kāi)把手區(qū)域出現(xiàn)繞著整車(chē)X軸方向的向下翻轉(zhuǎn)變形，被動(dòng)向里凹陷移動(dòng)，外開(kāi)拉桿會(huì)被該向下翻轉(zhuǎn)變形帶動(dòng)下移。當(dāng)外開(kāi)拉桿向下位移量達(dá)到門(mén)鎖解鎖行程時(shí)，就會(huì)發(fā)生解鎖現(xiàn)象。可以得出后側(cè)門(mén)解鎖原因是外開(kāi)把手區(qū)域的翻轉(zhuǎn)變形過(guò)大，帶動(dòng)外開(kāi)拉桿下移達(dá)到解鎖行程從而導(dǎo)致了解鎖。

圖4 后側(cè)門(mén)外開(kāi)把手局部區(qū)域變形

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)上述分析得出的門(mén)鎖解鎖原因，只有減少碰撞過(guò)程中后側(cè)門(mén)外開(kāi)把手區(qū)域的翻轉(zhuǎn)變形，改變深V凹陷變形模型才能解決該問(wèn)題。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思路是加強(qiáng)后側(cè)門(mén)外開(kāi)把手區(qū)域的局部剛度，可以通過(guò)增加加強(qiáng)板或者補(bǔ)強(qiáng)貼片等方式實(shí)現(xiàn)。綜合考慮成本、工藝等因素，最終選擇采用增加一根0.6 mm BLD抗凹橫梁的優(yōu)化方案，如圖5中黑色方框所示。

圖5 后側(cè)門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6為后側(cè)門(mén)外開(kāi)把手區(qū)域優(yōu)化前后的仿真模型變形對(duì)比，可以看出優(yōu)化方案外開(kāi)把手區(qū)域變形模式發(fā)生顯著變化，翻轉(zhuǎn)變形不明顯。此外，外開(kāi)把手與外開(kāi)本體沒(méi)有出現(xiàn)分離現(xiàn)象，表明外開(kāi)拉桿的下移量為零，沒(méi)有出現(xiàn)解鎖的趨勢(shì)。

圖6 后側(cè)門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后變形對(duì)比

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)后車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)后，重新進(jìn)行實(shí)車(chē)側(cè)面碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。可以看出后側(cè)門(mén)保持鎖止?fàn)顟B(tài)，后側(cè)門(mén)整體變形模式和仿真一致，沒(méi)有出現(xiàn)解鎖現(xiàn)象，該車(chē)型后側(cè)門(mén)解鎖問(wèn)題得以解決。優(yōu)化后的后側(cè)門(mén)外開(kāi)把手區(qū)域變形模式和仿真分析一致，說(shuō)明在側(cè)面碰撞仿真分析模型中加入門(mén)鎖系統(tǒng)精細(xì)化模型，可以有效提高仿真精度。不僅可以更準(zhǔn)確地模擬車(chē)門(mén)整體的變形，而且能很好地預(yù)測(cè)是否存在車(chē)門(mén)開(kāi)啟的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 后側(cè)門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后試驗(yàn)變形

4 結(jié)論

文中基于開(kāi)發(fā)過(guò)程中側(cè)面碰撞試驗(yàn)出現(xiàn)后側(cè)車(chē)門(mén)解鎖開(kāi)啟問(wèn)題，結(jié)合試驗(yàn)分析與仿真對(duì)標(biāo)，找到了后側(cè)車(chē)門(mén)解鎖開(kāi)啟的原因，并提出了對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性，得出以下結(jié)論：

(1)后側(cè)門(mén)外板外開(kāi)把手區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度偏弱，導(dǎo)致碰撞過(guò)程中外開(kāi)把手翻轉(zhuǎn)凹陷過(guò)大，帶動(dòng)外開(kāi)拉桿下移達(dá)到解鎖行程，從而導(dǎo)致了解鎖。

(2)對(duì)于因后側(cè)門(mén)外板變形過(guò)大導(dǎo)致的解鎖問(wèn)題，可以通過(guò)增加加強(qiáng)板等提高外開(kāi)把手區(qū)域局部剛度的方法，改善門(mén)外板的變形，在設(shè)計(jì)階段規(guī)避掉此類(lèi)問(wèn)題。

(3)在側(cè)面碰撞仿真分析模型中加入門(mén)鎖系統(tǒng)精細(xì)化模型，有效提高仿真精度的同時(shí)，不僅可以更準(zhǔn)確地模擬車(chē)門(mén)整體的變形，而且能很好地預(yù)測(cè)是否存在車(chē)門(mén)開(kāi)啟的風(fēng)險(xiǎn)。