側面碰撞過程中前門異常開啟問題的改進

吳歡輝 吳黎 李榮

（廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司產品工程技術中心）

隨著我國社會經濟的高速發展，汽車行業也蓬勃地發展起來，隨之汽車交通事故也越來越多，而碰撞是汽車最常見的事故。汽車在受到側面碰撞過程中，車門的異常開啟會危害到汽車內部駕駛員、乘員的安全。C-NCAP從2006年建立起來后，其發布的車輛安全評級標準受到購車客戶的廣泛關注，各大汽車廠都將其要求作為參考來設定新車型開發的目標。在C-NCAP管理規則（2018版）中規定，在可變形移動壁障側面碰撞試驗中出現車門開啟將被扣分：對于兩側的每一個車門，若在碰撞過程中開啟，則分別減去1分[1]。某車型開發過程中側面碰撞試驗時出現車門異常開啟的問題，文章對車門系統進行的系統分析，總結可能的失效的原因，提出了門拉手是受慣性力的影響導致車門自動解鎖的異常開啟，同時對問題進行模擬分析，對其結構進行改進，以及進行CAE仿真分析和實車驗證，結果表明該改進方案有效地解決了側面碰撞時前門開啟的問題。

1 問題描述與分析

1.1 問題的描述

某車型在開發過程中，進行側面碰撞試驗，對比C-NCAP 2015、2018版本當中最大的變化點就是側碰移動壁障的質量增加了450 kg，臂障的中心高度也增加了50 mm，試驗難度提升。在該試驗中駕駛員側的車門發生了開啟現象。圖1示出碰撞中駕駛員側車門異常開啟。

圖1 前門異常開啟

根據C-NCAP管理規則（2018版）要求，由于在側面碰撞過程中前門的異常開啟，導致駕駛員不能起到應有的保護作用，從而導致得分的降低，在新車評價時要被減去1分。該品牌系列車型該項均是以滿分20分通過，出現罰分與其開發目標不符，需要進行改進。

1.2 問題的分析

根據過往學者的研究和分析，汽車在側面碰撞過程中，車門異常開啟主要有以下3個原因：1）門鎖系統的慣性力，車輛在受到側面撞擊的過程中，車門外板會產生塑性和彈性形變，整車在碰撞下同時也會產生位移，車門外拉手保持慣性不動的瞬間，相當于拉動外拉手，達到解鎖行程后，車門解鎖開啟。2）車門鈑金直接撞擊門鎖解鎖結構，第1種失效模式是：內板或者外板在變形時直接撞擊鎖體處解鎖連桿解鎖；第2種失效模式是：車門外板推動拉手的配重塊，配重塊驅動門鎖解鎖。3）車門鈑金變形驅動外拉手解鎖，門鈑金在撞擊過程產生變形，帶動安裝在外板上面的門拉手本體移動，使門拉手與門鎖之間的上下相對位置產生變化，拉桿移動達到解鎖行程后車門開啟[2-10]。

對試驗完成后的試驗車進行檢查，首先排除了門鈑金直接撞擊門鎖解鎖結構這個潛在原因。如圖2所示，外解鎖使用的拉鎖并不是拉桿且車門的內外鈑金并未撞擊到門鎖的鎖體；接下來對比碰撞前后車門外拉手的相對位置，測量前后相對位置相差為5 mm左右，遠不足開啟門鎖的行程，也排除了門鈑金變形驅動門外拉手解鎖；排除了這2個原因后，只留下門鎖系統的慣性力這個潛在原因。

圖2 問題車型的門鎖系統圖示

通過仔細觀察試驗錄像，反復對比，可以看到在碰撞過程中的前門的外門拉手，在側碰移動壁障碰撞車輛時車輛整體加速，而車門外拉手保持原有的運動狀態的傾向，而車門的外鈑金在撞擊的過程中產生變形，門拉手由于慣性保持不動的瞬間，視覺上看到的是仿佛有股無形中的力將外拉手拉開，如圖3所示。車輛隨后發生位移，在達到解鎖行程時將車門打開，車門自動解鎖，問題車型就是在這種情況下，車門發生了異常開啟。

圖3 前門外拉手由于慣性保持原有姿態

2 模擬分析及結構改進

2.1 模擬分析

該車型的門鎖開發滿足GB 15086—2013中的要求，在任何方向上門鎖系統均要能夠承受30 g的慣性載荷，且保持在鎖緊位置，同時門鎖的設計應保證能防止車門意外打開。該車型理論上不應該出現碰撞中門鎖異常開啟的現象。在查閱車型設計目標時發現碰撞是按照E-NCAP要求來進行開發的，對比新版C-NCAP2018側面碰撞試驗最大的差異點就是側碰移動壁障的質量增加了100 kg，同時障礙物高度也增加了50 mm，碰撞時對車門系統的沖擊會增大很多。

按C-NCAP2018建立CAE分析模型，通過計算分析，對比側面碰撞分析結果車門拉手區域的變形結果和試驗變形完全一致，說明該CAE分析模型的可信度很高，如圖4所示。

圖4 側面碰撞CAE和試驗結果對比

2.2 結構改進

從CAE分析的結果可以很明顯地看出，在側面碰撞過程中，車門拉手位置發生了很大的變形，尤其在特征線下方與門拉手的上部發生了很嚴重的凹陷。該凹陷變形使得門拉手區域較大的Y方向的變形。在前面的分析中提到的車門外拉手由于受慣性力保持原有的姿態的傾向下，該變形會帶動車門內拉手向車內移動，當車門外拉手和車門內拉手2者的位移量達到門鎖解鎖要求的行程時，就會導致解鎖的發生。

要想改進該車門異常開啟的問題，就要減小車門內外拉手的位移量，減小變形。針對變形區域大的位置，即車門拉手上部特征線的下方增加一個支架，來減小變形量，如圖5所示。

圖5 車門系統改進前后對比

2.3 試驗驗證

為驗證該方案的有效性，將支架繪制成網格模型，如圖6所示。

圖6 改進后的有限元模型

將新改進后的模型，重新計算分析，結果如圖7所示。從分析結果上看，之前門拉手的上方，在碰撞完成后只有輕微的變形，對比之前有很大的改善。從解鎖的位移量上看，門內拉手在碰撞后幾乎對位移沒有貢獻，在側面碰撞測試中車門異常開啟的問題應該能夠解決，為驗證該方案的有效性，繼續進行實車碰撞試驗。

圖7 改善后的CAE分析結果

為滿足車型的開發節點，縮短零件制作周期，選擇開軟模的方式制作試驗件，同時協調焊裝生產員工手工焊接支架，生產車門鈑金總成，在焊裝車間裝配到量產車型上，經過電泳完成后拆卸該車門。立即發送到試驗場，再通過替換掉預先已在試驗場備用車輛的前門鈑金總成的方式來縮短準備試驗車輛的時間。

圖8 手工焊接的支架和車門鈑金總成

試驗繼續按照C-NCAP 2018側面碰撞的要求進行，圖9示出改進后的車門進行的碰撞試驗，試驗結果和CAE的模型一致性相吻合，車門拉手位置的變形得到了明顯改善，在試驗過程中車門門鎖系統始終保持閉合，該改進方案有效地解決了碰撞過程中車門自動解鎖的異常開啟問題，完成了車型開發目標。

圖9 改進后的車門進行的碰撞試驗

3 結論

該車型側面碰撞過程中發生的駕駛員側車門開啟問題是由于在C-NCAP 2018對比E-NCAP的要求中避障的質量增加了100 kg，同時位置提高了50 mm，給車門的沖擊過大，車門原結構已不能滿足試驗要求。1）在側面碰撞過程中，車門拉手位置發生了很大的變形，尤其在特征線下方與門拉手的上部發生了很嚴重的凹陷。該凹陷變形使得門拉手區域較大的Y方向的變形，該變形會帶動車門內拉手向車內移動，同時車門外拉手由于受慣性力保持原有的姿態的傾向，當車門外拉手和車門內拉手兩者的位移量達到門鎖解鎖要求的行程時導致解鎖的發生。2）對于因為門外板變形導致的門鎖開啟問題，通過改進該車門結構即車門拉手上部特征線的下方增加一個支架，來減小碰撞后的變形量，從而解決這一類的問題。3）運用有限元方法建立側面碰撞分析模型，能夠準確地模擬碰撞后車門的形變，且能很好地發現和解決車門自動解鎖的異常開啟問題。