汽車門鎖的加強結構設計與研究

朱 宏 楊 帥

（同濟大學 汽車學院，上海 201804）

以某企業改進新一代汽車門鎖的結構強度為例進行分析。雖然該新型門鎖的橫向強度能達到國家標準，但是無法滿足汽車制造企業對門鎖設計提出的更為嚴格的強度規范要求。為解決這一問題，現提出一系列的改進方案，在盡量保持原有零件成本的前提下，采用多方面的結構優化方案，從而大幅增加鎖體的機械強度。依靠LS-DYNA進行有限元建模和仿真，分析新設計方案的強度數據，并進行試驗驗證，證明了改進方案能大幅度提高門鎖的結構強度，使該門鎖的橫向強度達到了設計要求。

1 汽車門鎖的機械強度

汽車門鎖是汽車車身系統的重要附件之一，通過其內部的鎖定機構實現車門開啟及關閉，具有安全與防護作用。它的機械強度是重要的指標，也是質量要求，直接關系到汽車的安全性[1]。汽車門鎖要能承受較大的縱向、橫向載荷，防止車禍后車門無法打開。根據我國法規，汽車門鎖必須獲得CCC中國強制認證，機械強度必須滿足GB 15086—2013《汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法》[2]的要求。隨著整車碰撞試驗要求的不斷提高，整車企業對門鎖的強度設計要求普遍高于國家強制標準，一般要求達到1.5倍國家標準的荷載能力，甚至更高。例如，國內某知名合資整車企業的門鎖技術規范遠遠高于國家標準。汽車門鎖強度的國家標準要求和相關企業標準要求，如表1所示。

表1 汽車門鎖的強度要求

2 汽車門鎖的加強結構設計

某汽車平臺研發了新一代汽車門鎖，橫向全鎖強度試驗結果只有13.6kN，有限元強度分析結果為12.6kN，失效模式為鎖舌棘爪滑脫?？梢?，門鎖橫向強度無法滿足大于16kN的設計要求。經變形分析發現，在鎖體承受橫向載荷時，底板產生了較為嚴重的變形，導致鎖舌棘爪發生錯位從嚙合鎖定狀態中脫出，無法承受更高的載荷。

為了增加鎖體的機械強度，新的設計方案在原方案的基礎上增加了多個加強結構。針對失效模式改進門鎖的橫向強度，如圖1所示。在底板和加強板之間增加一個鉚接結構，鎖體形成籠型結構，增加鎖體總成的剛性。底板增加橋接結構，增加其抵抗變形的能力。在底板側邊增加Z型折彎結構，增加側邊的抗彎強度。在鎖體的塑料殼體上增加阻擋結構，限制鎖舌棘爪的滑移。底板和背板局部增加加強筋，提高剛性。

3 加強結構方案的有限元強度仿真

汽車側門鎖強度結構的仿真模擬，必須建立一個較為精確的有限元模型，包括汽車門鎖模型和鎖扣模型。汽車門鎖的內部結構比較復雜，有很多不規則的小零件和橡膠緩沖塊，因此在建模時需要簡化處理其CAD模型才能創建為CAE模型。所創建的CAE模型需要綜合考慮門鎖結構、鎖扣結構、材料力學、試驗驗證和有限元分析等多種知識，才能保證仿真的可靠性和計算效率[3]。

圖1 汽車門鎖加強結構設計

運用LS-DYNA進行求解，塑料零件的網格為Tetra Elements，單元格的失效由EPS決定。考慮求解時間且不能將網格劃分得過小，否則會導致早期的塑料零件的單元格失效。同樣，只要EPS達到標準，LS-DYNA就會刪除處于拉伸或壓縮狀態的單元格。因此，CAE模型中的塑料零件比實際情況要弱。最后得到加強設計改進方案的理論橫向全鎖強度為17.2kN，失效模式為鎖扣拔出，門鎖的結構弱點為底板99.9%UTS、棘爪99.7%UTS。CAE仿真結果如圖3所示。

從仿真結果來看，采用加強結構的門鎖的橫向全鎖強度有了較大提升，達到了17.2kN。此次CAE分析為后續制作改進方案的實物樣品并進行實際的強度測試提供了理論依據，為進一步優化打下了基礎。

圖3 強度改進設計的有限元仿真分析

4 改進方案的橫向強度試驗

為了對新強度結構的仿真模擬結果進行實際的強度試驗驗證，通過軟模制作方式，將上述優化方案做成實物樣件進行全鎖強度試驗，得到的結果為18.3kN，失效模式為鎖扣拔出。新設計方案的橫向全鎖強度已經滿足16kN的設計要求，改進前后的全鎖強度分析與試驗結果對比如表2所示。

表2 改進前后的仿真模擬結果與強度試驗匯總對比

5 結語

針對某型汽車門鎖的橫向強度不足問題，設計了一系列的優化結構，并運用CAE仿真對新設計方案進行了虛擬驗證，最后將實際測試的門鎖強度與仿真計算結果進行對比，驗證了優化方案的有效性和仿真的準確性。新設計方案的CAE分析結果由原設計的12.6kN提高到了17.2kN，提升幅度為36.5%。強度試驗結果由原設計的13.6kN提高到18.3kN，提升幅度為34.5%。可見，優化后機械鎖體結構的剛性得到了顯著提升，并具備了足夠的強度，能完全滿足設計規范的要求。本研究可以為同類汽車門鎖的強度結構設計提供借鑒和參考。