汽車鎖扣沖擊試驗臺的設計

蔡建波

(貴州華陽汽車零部件有限公司，貴州 貴陽 550009)

0 引言

汽車鎖扣分為車門鎖扣、座椅鎖扣等，鎖扣的強度是關系到車輛整體安全性以及乘員安全的重要零件，為保證車輛在發生事故時，車門不會在事故過程中自行打開，并且在事故發生后，車門可以正常解鎖，鎖扣的結構強度是至關重要的因素。

目前相關標準沒有對鎖扣沖擊強度進行規定，然而在交通事故中，碰撞所產生的沖擊力往往是造成傷害的罪魁禍首。我公司作為汽車鎖類零部件的專業生產廠家，為對產品的各類工況進行研究，同時在生產過程中抽檢并剔除批次性不合格產品，設計了鎖扣沖擊試驗臺。

1 現有沖擊試驗設備

在驗證材料的沖擊性能時通常會用到擺錘式沖擊試驗機，其原理如圖1。試驗時將試樣安放在試驗機支座上，缺口朝向沖擊相反方向并居中擺放(圖1(b))。將具有一定重量的擺錘舉至一定的高度H1，使其獲得的重力勢能減去擺錘沖斷試樣后在終止位置的勢能，就是試樣吸收的沖擊功AK(不計空氣阻力等能量損失)，其具體數值可直接從沖擊試驗機的表盤上讀出J：

圖1 擺錘式沖擊試驗臺示意圖

AK=mg(H1-H2)

(1)

用試樣缺口底部的橫截面積SN(cm2)除沖擊吸收功AK即試樣的沖擊韌性值αK(J/cm2)[1]。αK是材料的抗沖擊性能指標，主要用于特定條件下進行材料比較，一般不到具體零件上進行定量計算。綜上，擺錘式沖擊試驗機更加適合材料沖擊性能的研究，而這點也通過實際制作工裝，將鎖扣固定在擺錘式沖擊試驗機進行了試驗驗證：鎖扣因其結構特點，相比同等截面積的同種材料試樣吸收的沖擊功要大得多，所以很難在用于材料沖擊試驗的擺錘式沖擊試驗機上進行鎖扣的沖擊試驗。

2 鎖扣沖擊試驗臺的設計

2.1 鎖扣沖擊試驗臺原理

考慮到現有材料沖擊試驗用的擺錘式沖擊試驗機提供的沖擊能量有限，不足以破壞鎖扣，同時擺臂旋轉半徑較大，占用實驗室空間大等原因，鎖扣沖擊試驗臺采用自由落體式重錘沖擊的設計方案。將重錘上升到一定高度，釋放重錘，使其自由落體后，重錘以一定的速度垂直沖擊試件受力點，以此來驗證鎖扣產品的抗沖擊性能。

試驗過程中，將重錘提升到一定高度使其具有一定的重力勢能，釋放重錘，重力勢能轉化為動能，其物理模型為：

E勢=E動+E損

(2)

E勢=mgH

(3)

(4)

AK=E動+A剩

(5)

式中，E勢為重力勢能，E損為重錘下落過程中與導向柱摩擦及空氣阻力的能力損耗，m為重錘的質量，g為重力加速度，H為重錘上升高度，v為撞擊前瞬間速度，AK為沖擊能量，A剩為沖擊破壞試件后仍然剩余的動能。重錘下落過程中能量損失與撞擊時的動能相比很小，可以忽略不計。

2.2 鎖扣沖擊試驗臺的設計與分析

由于汽車鎖扣類產品沒有沖擊試驗的先例，此次試驗臺的設計屬于驗證性的，設計應遵循結構簡單、成本低廉、安全可靠的原則，同時設計還需要兼顧將來的升級與擴展。

汽車鎖扣沖擊試驗臺主要由框架、重錘、試件安裝支架及支撐座、緩沖座、提升機構等組成。圖2為結構示意圖。

圖2 鎖扣沖擊試驗臺結構示意圖

2.2.1 高度及重錘質量的確定

圖3 鎖扣結構示意圖

由于在車上的安裝位置不同，汽車鎖扣往往形態各異，尺寸也各不相同，通常是由高強度合金鋼絲與高強度汽車結構鋼板通過熱鉚或者冷鉚組合后并進行熱、表面處理而成，典型結構如圖3所示。

通過由扣環材料的沖擊韌性值與扣環橫截面積相乘進行估算的結果，以及前期在擺臂式沖擊試驗臺上試驗驗證的結果，破壞鎖扣的沖擊能量應大于400 J，但是由試驗時扣環破壞程度估計，車門鎖扣的破壞沖擊能量應小于800 J，所以沖擊試驗臺應能提供涵蓋這個范圍的沖擊能量。

2.2.2 安裝支架與支撐座的設計

汽車鎖扣一般可分為車門鎖扣、座椅鎖扣，高度從30 mm至150 mm不等，為兼顧更多種類鎖扣的測試，試件的安裝支架需要可調以達到更好的通用性。在安裝支架上設置安裝刻度，是方便不同高度的鎖扣安裝的不錯選擇。

圖4 試件支架及支撐座三維模型

由于沖擊后的能量主要傳遞到支架及支撐座上，支架和支撐座應能保證沖擊時的穩定性，并且經多次試驗后不易損傷，所以設計時要考慮充分的強度裕度。本次試驗臺的支架采用45#鋼進行整體銑削加工成型后進行淬火處理，使整體強度高于試件數倍。

2.2.3 沖頭的設計

圖5 錘頭的三維模型

為了提高設備的利用率，本試驗臺配置的錘頭可以應對不同的鎖扣沖擊試驗。圖5為錘頭的三維模型。

錘頭在沖擊試驗的過程中，與鎖扣試件長期直接發生碰撞，沖擊力非常大，容易產生變形。如果錘頭下端面較軟，很容易發生塑性變形，致使錘頭與試件的接觸面變化甚至與試件咬合，影響試驗結果。又如果錘頭的整體硬度較高時容易出現錘頭脆裂。綜上，我們在錘頭下端部采用局部淬火的方式，使錘頭端面有較高的硬度，同時錘頭的芯部保留足夠的韌性，以增加錘頭的使用壽命。同時錘頭設計成可以拆卸的部件，即使多次的沖擊試驗后，形變達到一定程度時，更換錘頭即可。

為使鎖扣在不同角度可以充分試驗驗證，需要鎖扣能垂直和水平安裝試驗，所以在錘頭端部設置一個55 mm的缺口，從而可以在鎖扣水平安裝時，錘頭只接觸扣環的一腳，可以對鎖扣的每一腳進行單獨考核。

3 鎖扣試驗臺測試

為驗證所設計的鎖扣沖擊試驗臺滿足設計目標情況，針對選取一批生產合格的車門鎖扣進行了試驗驗證。

3.1 試驗過程

試驗開始前，將鎖扣試件以扣環水平位置固定到安裝支架上預定位置固定點，調整支架在支撐座的位置，使其沖擊點為鎖扣嚙合工作區。增減錘頭增重塊，使錘頭達到預定重量，從20 kg開始試驗。設置好安全保護措施，拉動重錘至預定高度，釋放重錘沖擊試件。

圖6 鎖扣沖擊后的情況

每次沖擊后，記錄試驗條件及結果情況，更換試件，重復上述試驗過程。但每次試驗后改變重錘的質量，重錘的質量由20 kg逐步增加至50 kg，為一組試驗。一組試驗后，將鎖扣安裝位置由水平位置變換為垂直位置，繼續重復上一組試驗過程。試件沖擊后的情況如圖6。

3.2 試驗結果

按照上述試驗過程，共沖擊鎖扣30次。部分試驗結果如表1，試驗后的鎖扣試件如圖7。

表1 試驗結果統計

圖7 部分試件鎖扣

圖8 試驗后試驗臺主體部分照片

試驗后對鎖扣沖擊試驗臺進行檢查，錘頭除正常使用摩擦痕跡，未見明顯變形、開裂，支架、支撐座、導軌等均正常，試驗臺運行靈活，如圖8所示，從而證明鎖扣沖擊試驗臺的設計達到預期目標。

4 結語

1)為全面研究汽車鎖扣的性能，設計了鎖扣沖擊試驗臺，并通過實際試驗驗證了設計方案。

2)由于沒有相應標準和先例參考，試驗臺存在不足和不完善的地方，雖達到驗證目的，但存在沖擊剩余能量無法計量、拉繩與定滑輪的抬升機構在沖擊過程產生較大阻力等問題，將在更深入的研究和升級改造中加以改善。