汽車門鎖鎖止機構棘輪棘爪磨損壽命可靠性研究

鐘傳磊，杭魯濱，王 炎，黃曉波，曲志洋，吳柏銳

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院, 上海 201620)

汽車門鎖是汽車的重要配件，其操作性、壽命和壽命可靠性直接關系到汽車的使用和安全等問題[1]。在閉鎖和解鎖過程中，棘爪與棘輪、棘輪與卡板、棘爪與緩沖塊相接觸，經過多次開閉鎖后，棘輪棘爪都會產生一定的形變和磨損，而微小形變將會改變棘輪棘爪的嚙合狀態和接觸應力，對門鎖機構壽命和磨損壽命可靠度都產生影響。由于其磨損過程存在諸如載荷變化、溫度變化等不可預測因素，壽命可靠度難以從理論分析給出確定值。

李春風[2]28,[3]以失效樹進行了汽車門鎖可靠性分析，得出了汽車門鎖主要失效形式是棘輪棘爪磨損；運用ANSYS軟件對汽車門鎖開鎖和解鎖2種工況下的棘輪棘爪等機構進行了有限元分析，得到了其在不同工況下的應力和應變值，并提出了改進方案。馮元生等[4]對機構磨損可靠分析作了較深入的研究，以磨損量與時間的關系建立了磨損可靠性分析的基礎模型，為便于建立顯式功能函數表達式的機構系統可靠性提供了參考。

針對功能函數難以顯式表達的復雜機械系統，特別是具有高次非線性特征系統，蒙特卡羅法成為解決該問題的常用方法之一，可用于磨損失效概率計算[5-7]。

機械構件磨損過程存在諸如載荷分布不均、溫度變化和載荷變化等不可預測因素并具有隨機性[8]，難以從理論分析給出確定值。故需通過引入概率分布統計，以磨損壽命可靠性描述構件實際使用壽命是可行方法之一。文獻[9-11]提出了新的磨損數學模型以及可靠度估計方法，對于更精準地預測磨損壽命具有重要意義。

課題組通過分析所研制汽車門鎖棘輪棘爪機構不同工況下的受力情況，基于Achard粘著磨損模型，推導開閉鎖過程中棘輪棘爪磨損深度；以棘輪棘爪有效嚙合距離作為判斷指標，利用蒙特卡羅法進行有效嚙合距離數值求解；導出對應磨損壽命可靠度，構造其與壽命的關聯函數。該方法為汽車門鎖棘輪棘爪實際使用壽命提供參考。

1 汽車門鎖棘輪棘爪工況及磨損深度

汽車門鎖作為車門系統內部一個復雜機械系統，可分為操動模塊與執行模塊，如圖1所示。

圖1 汽車門鎖多支鏈機構示意圖

操動模塊由多條剛柔耦合機構支鏈構成，其多條支鏈可實現汽車門鎖不同功能需求；電動開啟支鏈與電動保險支鏈可直接驅動執行模塊并與其他支鏈兼容；執行模塊主要由鎖止機構棘輪棘爪和復位彈簧構成，是實現車門鎖止及解鎖的關鍵部分，其在閉鎖工況與電動開啟工況中由于受到較大接觸力，嚙合面會產生磨損。

棘輪棘爪磨損是新型汽車門鎖的主要失效形式，其可靠性直接關乎到汽車門鎖的壽命及功能。

汽車門鎖在閉鎖過程中一般設有全鎖止與半鎖止功能[2]6，決定了汽車門鎖啟閉過程棘輪、棘爪的磨損次數：汽車門鎖在閉鎖過程中，棘爪鎖止嚙合處經歷2次磨損，棘輪鎖止嚙合處經歷1次磨損；在電動開啟過程中，棘輪棘爪嚙合位置均為1次磨損。其具體解閉鎖磨損過程如圖2所示，其中M1和M2分別是棘輪與棘爪軸心處復位扭簧提供的復位力矩，Fs是鎖體閉鎖狀態下所承受的密封反力。

圖2 汽車門鎖開閉鎖過程中棘輪棘爪磨損過程

汽車門鎖棘輪棘爪在開閉鎖過程經歷多次磨損，棘輪棘爪閉鎖與解鎖工況下的接觸力、磨損量和磨損深度是確定有效嚙合距離及壽命可靠性的重要參數。

1.1 汽車門鎖閉鎖過程棘輪棘爪接觸力

在汽車門鎖閉鎖過程中，分析半鎖止位置對汽車門鎖棘輪棘爪閉鎖過程受力狀況，如圖3所示。

圖3 汽車門鎖棘輪棘爪半鎖止位置受力分析

圖3中：棘爪復位扭簧作用力矩為M1;嚙合點處棘輪對棘爪的法向作用力為F1,摩擦力為f1；棘輪復位扭簧作用力矩為M2;接觸點處棘爪對棘輪法向作用力F2,摩擦力為f2；鎖柱密封力Fs。

棘爪、棘輪此接觸狀態瞬間的力矩靜平衡方程為：

(1)

式中：F1，F2為一對作用力和反作用力；且f1=f2=μF1=μF2,其中摩擦因數μ=0.1。

由式(1)可求得半鎖位置下，棘輪棘爪法向接觸力F1=F2=122.92 N。

1.2 汽車門鎖解鎖過程棘輪棘爪接觸力

汽車門鎖解鎖過程中，剛柔耦合機構電動開啟支鏈驅動棘輪棘爪動作，實現汽車門鎖解鎖。此過程中，電動開啟支鏈對棘爪施加的開啟力矩受復位扭簧旋轉角度、開啟支鏈壓力角、動力效率以及棘輪棘爪不規則外形輪廓的多因素影響，整個電動開啟過程機構動力學難以解析求解，棘輪棘爪的接觸力需由仿真求解。

某型包含電動開啟支鏈與電動保險支鏈的汽車門鎖[12]仿真模型如圖4所示，其電動開啟支鏈控制棘輪棘爪動作，實現汽車門鎖電動開啟功能。

圖4 某型汽車門鎖仿真模型

基于表1扭簧參數剛度和預載荷等參數，可進行該型汽車門鎖電動解鎖動力仿真。

表1 某型汽車門鎖內部扭簧參數設置

電動解鎖過程，棘輪棘爪接觸力仿真結果如圖5所示，棘輪棘爪嚙合初期，接觸力在150 N附近區域波動，隨著棘輪棘爪有效嚙合長度逐漸減少，其接觸力波動愈發劇烈，會在構件末端造成更多磨損。

圖5 解鎖過程中棘輪棘爪接觸力變化曲線

1.3 汽車門鎖棘輪棘爪磨損量及深度計算

根據Achard粘著磨損體積計算公式[13]，可得棘輪棘爪磨損量Wv：

Wv=KFS/H。

(2)

式中：F為棘輪棘爪間的法向接觸力；S為棘輪棘爪間的相對滑移距離；H為布氏硬度；K為磨損系數，2者與棘輪棘爪的材料有關，根據現有棘輪棘爪材料，取K=1.5×10-5N/mm2,H=165 N/mm2。

基于汽車門鎖解鎖過程棘輪棘爪接觸力仿真分析可知，棘輪棘爪嚙合末端附近的微距離元VL受力大且波動劇烈，磨損嚴重，其平均磨損深度可表示為：

(3)

式中：b為棘爪嚙合面的厚度，取5 mm。

同理可得，汽車門鎖閉鎖后，棘輪棘爪的平均磨損深度為：

(4)

2 汽車門鎖棘輪棘爪磨損可靠性分析

汽車門鎖棘輪棘爪磨損過程存在諸如載荷變化及溫度變化等不可預測因素，壽命可靠度難以從理論分析給出確定值。為簡化棘輪棘爪嚙合磨損數學模型以計算磨損壽命可靠性，提出以下假設：

1)棘爪受損后的鎖止位置與受磨前位置保持平行，且棘輪在復位彈簧作用下，受磨損后新表面重新與棘爪嚙合，即嚙合表面基本形狀不變。

2)假設棘爪磨損主要發生在閉鎖過程中，棘輪磨損主要發生在解鎖過程中。

3)假設棘輪棘爪處于正常的磨損階段，其磨損深度與磨損次數成正比。

4)棘輪棘爪開閉鎖過程中，磨損深度符合正態分布。

基于以上假設，將棘輪棘爪磨損量分析轉化為對磨損前后嚙合曲線變化的研究，并設立判斷準則，利用蒙特卡羅法[14]求解計算磨損壽命可靠度，建立棘輪棘爪磨損壽命可靠度函數。

2.1 汽車門鎖棘輪棘爪可靠性分析方法

對機械零件進行可靠性分析和評估，需模擬實際使用環境，進行大量試驗數據來評估零件的可靠性。該方法經濟性低、時間成本大且具有一定的技術難度。

為研究棘輪棘爪磨損壽命可靠性，課題組基于Achard粘著磨損公式，計算棘輪棘爪磨損深度；以正態分布模擬生成磨損深度，分析磨損前后棘輪棘爪嚙合處曲線方程變化；選擇有效嚙合長度為判斷準則建立磨損壽命可靠度數學模型，其具體流程如圖6所示。

圖6 建立磨損壽命可靠度數學模型流程

2.2 汽車門鎖棘輪棘爪磨損壽命可靠度計算

以棘爪的旋轉中心O點為原點，建立直角坐標系如圖7所示，其有效嚙合距離由虛線表示。

圖7 棘輪棘爪磨損模型坐標系建立

從圖7所示的局部放大圖中可知，上極限嚙合點A和下極限嚙合點B之間的距離|AB|為有效嚙合距離。

棘輪棘爪每次開閉鎖磨損后，受扭簧力約束作用回到初始位置，圓弧CA圓心坐標保持不變；嚙合線段AB磨損點沿垂直各自平面向里的方向進行磨損。設每次開閉棘爪磨損深度為Δy1；棘輪嚙磨損深度為Δy2。

棘輪棘爪間的有效嚙合長度|AB|是其原始尺寸和磨損量的復雜隨機函數，難以精確求出其解析表達式。

經過n次開閉鎖磨損后，A點坐標(xA,yA)滿足棘爪邊界圓弧CA和棘爪邊界直線AE曲線方程，即通過聯立方程(5)進行求解：

(5)

式中：棘爪邊界圓弧CA圓心坐標(15.34,-12.18)，半徑0.8 mm；棘輪邊界圓弧BD圓心坐標(15.13,-15.30),半徑1.3 mm；A點初始坐標(15.97,-12.67)，B點初始坐標(13.91,-14.88)，E點初始坐標(13.31，-15.44)。

同理，B點坐標(xB,yB)可通過聯立棘輪邊界圓弧BD和棘輪邊界直線BE曲線方程進行求解。

(6)

由上得出嚙合極限點A與B，可求出有效嚙合距離|AB|：

(7)

為保證汽車門鎖鎖體有足夠強度，有效嚙合距離需大于2.0 mm[15]。考慮制造誤差、安裝誤差和安全系數等因素[16]，課題組取有效嚙合距離|AB|<2.1 mm作為門鎖機構的磨損失效判斷準則；棘輪棘爪磨損壽命可靠度可由有效嚙合距離|AB|求解。

根據式(7)計算出一系列|AB|值，從而估算棘輪棘爪在不同開閉次數下的磨損壽命可靠度：

(8)

式中：n1為|AB|符合有效嚙合長度的數據點數，n2為總模擬數據點數。

2.3 汽車門鎖棘輪棘爪壽命可靠度關聯分析

將門鎖開關次數n依次取1.0×105,1.1×105,1.2×105代入到上述方法中，利用MATLAB編程計算求解有效嚙合長度分別為：2.370 0，2.328 6和2.277 2 mm。此時，門鎖機構磨損壽命可靠度均為100%，不會失效。

如表2所示，列出了開閉次數n取120 000至170 000時，以5 000為步長模擬計算的結果。

表2 棘輪棘爪磨損壽命可靠度

根據表2的計算結果,用最小二乘法擬合出棘輪棘爪機構的磨損壽命可靠度函數：

R=6.289×10-17n4-3.587×10-11n3+7.591×10-6n2-0.707 4n+2.463×104。

(9)

其擬合曲線如圖8所示，不但可以預測磨損壽命的可靠度，還可根據可靠度目標估算棘輪棘爪使用壽命，為新型汽車門鎖產品質量提升及行駛安全性提供參考基礎。

圖8 棘輪棘爪磨損壽命與壽命可靠度曲線

3 結論

課題組通過分析汽車門鎖棘輪棘爪機構不同工況下受力情況，基于Achard粘著磨損模型，利用蒙特卡羅法進行有效嚙合距離數值求解，構造磨損壽命可靠度函數，主要工作及創新點如下：

1)根據開閉鎖過程中棘輪和棘爪半鎖、全鎖關鍵接觸位置的受力分析和仿真，得出了車門棘輪和棘爪鎖止機構平均接觸力。

2)基于汽車門鎖棘輪棘爪半鎖、全鎖工況嚙合接觸力，結合零件磨損Achard理論，分別計算了門鎖、棘輪棘爪的磨損深度，并分別代入對應嚙合面曲線方程，計算棘輪棘爪有效嚙合距離。

3)以有效嚙合距離作為判定指標，通過正態分布生成磨損數據，利用蒙特卡羅法求得棘輪棘爪磨損壽命可靠度并求得使用壽命與磨損壽命可靠度關聯函數。通過對標門鎖實際使用壽命，本方法可大大節省磨損試驗的時間成本。