劉美麗，丁光學(xué)，呂龍，傅凱

（安徽江淮汽車技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

側(cè)門外開把手耐碰撞分析和優(yōu)化

劉美麗，丁光學(xué)，呂龍，傅凱

（安徽江淮汽車技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

側(cè)門外開把手是汽車側(cè)門鎖系統(tǒng)重要組成部分，是開閉側(cè)門的重要功能件。存在設(shè)計(jì)缺陷的側(cè)門外開把手在車輛遭受側(cè)碰撞時(shí)可能主動(dòng)開啟側(cè)門，導(dǎo)致乘員被拋出車外。如何保證側(cè)門外開把手被動(dòng)安全性和可操作性在特別環(huán)境下發(fā)揮作用，是設(shè)計(jì)和開發(fā)的工作重點(diǎn)。本文通過對(duì)外拉式外開把手耐碰撞性能的計(jì)算并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，闡明最佳側(cè)門外開把手設(shè)計(jì)方案是如何獲得的。

側(cè)門外開把手；側(cè)碰撞；耐慣性特性；設(shè)計(jì)優(yōu)化；應(yīng)用

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-29-05

引言

外拉式外開把手是一種兼顧側(cè)門開啟、裝飾[1]、被動(dòng)安全[2]等功能的部件，主要由外把手、把手座、平衡塊、平衡塊扭力彈簧、鎖外開拉桿等部件組成。把手座和側(cè)門外鈑金固定，通過密封墊保證與車門的密封；外把手是操作手柄，一端安裝在把手座旋轉(zhuǎn)軸槽內(nèi)，另一端與把手座裝飾蓋（或鎖芯安裝機(jī)構(gòu)）配合，該端設(shè)計(jì)有拉鉤平面并與平衡塊撥爪球頭緊密配合；平衡塊安裝在把手座固定卡槽內(nèi)，并圍繞固定卡槽特定軸向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)平衡塊還連接鎖外開拉桿；外把手向外開啟時(shí)，外把手按安裝在把手座旋轉(zhuǎn)軸槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，外把手拉鉤平面帶動(dòng)平衡塊撥爪球頭圍繞平衡塊旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并推動(dòng)連接在平衡塊上的鎖外開拉桿向下運(yùn)動(dòng)推動(dòng)鎖體開啟搖臂，從而達(dá)到開啟鎖的目的；在外把手施力結(jié)束后，安裝在平衡塊上的扭力彈簧推動(dòng)平衡塊回位旋轉(zhuǎn)，使外把手、鎖外開拉桿回到原位（見圖1，把手座、裝飾蓋、密封墊、鎖芯隱藏）。

當(dāng)碰撞[3]來自本側(cè)門時(shí)，碰撞方向是+Y方向，則碰撞加速度為-Y方向，外把手在碰撞加速度作用下向-Y方向運(yùn)動(dòng)，并通過外把手拉鉤平面帶動(dòng)平衡塊旋轉(zhuǎn)和外開拉桿下行，當(dāng)鎖外開臂作用點(diǎn)所受作用力達(dá)到10N（鎖體開啟臂動(dòng)作作用力）時(shí)，鎖便開啟。就是說：如果碰撞時(shí)產(chǎn)生的向下推力大于等于10N時(shí)，側(cè)門外開把手便主動(dòng)開啟側(cè)門，改進(jìn)設(shè)計(jì)的方法有：①增加平衡塊的質(zhì)量或慣性矩，以增加反慣性力矩的大小，但是這個(gè)方法不利于來自對(duì)側(cè)門的側(cè)碰撞；②增加平衡塊扭簧的扭力，利于對(duì)來自任何一側(cè)門的側(cè)碰撞，但不利于外把手正常操作力的要求；③改善各旋轉(zhuǎn)軸的布置位置也可以提高側(cè)門的耐碰撞特性，但需要準(zhǔn)確計(jì)算各旋轉(zhuǎn)軸布置受力情況。

當(dāng)碰撞來自對(duì)側(cè)門時(shí)，其計(jì)算過程相同，因加速度方向相反，外把手慣性力不再推動(dòng)平衡塊運(yùn)轉(zhuǎn)，通過設(shè)計(jì)防撞凸臺(tái)用來阻止平衡塊的慣性運(yùn)轉(zhuǎn)。

一般情況下，還需要保證把手的正常開啟特性：開啟過程的操作力必須滿足設(shè)計(jì)要求。

以下是對(duì)外開把手在側(cè)門上的受力分析、計(jì)算過程、設(shè)計(jì)優(yōu)化等進(jìn)行細(xì)述：

1、外開把手的受力分析和計(jì)算

1.1 外把手結(jié)構(gòu)受力分析

如圖1，C點(diǎn)開啟方向是過C點(diǎn)且垂直于A、B、C三點(diǎn)平面方向，隨著C點(diǎn)的變化其方向也在變化；C點(diǎn)慣性力方向是過C點(diǎn)且垂直于X-Z平面方向，隨著C點(diǎn)的變化其方向不變化。外把手受到的碰撞慣性力矩需要轉(zhuǎn)化為有效地把手開啟力矩，即：C點(diǎn)圍繞AB的旋轉(zhuǎn)力矩。

C點(diǎn)圍繞AB的旋轉(zhuǎn)力矩，與受來自D點(diǎn)的反作用力矩，形成一對(duì)平衡力矩。

D點(diǎn)是平衡塊撥爪球頭，在把手的運(yùn)動(dòng)過程中，D點(diǎn)圍繞EF以固定的旋轉(zhuǎn)半徑運(yùn)動(dòng)，其球頭表面始終和外把手拉鉤平面接觸，D點(diǎn)距外把手拉鉤平面的距離始終相同，在外把手處于初始狀態(tài)時(shí)，過D點(diǎn)平行于拉鉤平面做一平面，并在平面上任意取3點(diǎn)α、β、?，隨著外把手的開啟動(dòng)作，3點(diǎn)平面也隨之運(yùn)動(dòng)，3點(diǎn)平面和D點(diǎn)圍繞EF以固定的旋轉(zhuǎn)半徑運(yùn)動(dòng)的軌跡的交點(diǎn)就是新的D點(diǎn)，這個(gè)D點(diǎn)的計(jì)算比較復(fù)雜，也非常關(guān)鍵。

1.2 平衡塊結(jié)構(gòu)受力分析

1.2.1 D點(diǎn)圍繞EF旋轉(zhuǎn)的力矩，與受來自D點(diǎn)把手的作用力矩，形成一對(duì)平衡力矩。對(duì)外把手來說：其把手有效慣性力矩作用在D點(diǎn)，其方向是過D點(diǎn)且垂直于DAB平面，其大小可通過有效碰撞力矩和D點(diǎn)到直線AB的距離求得。對(duì)于平衡塊來說，來自把手的力需要轉(zhuǎn)化為推動(dòng)D點(diǎn)圍繞EF旋轉(zhuǎn)的有效力，其力的大小與平面DAB向量和平面DEF向量相關(guān)，其有效力的方向垂直于DEF平面，其力臂是D點(diǎn)到直線EF的距離。

1.2.2 G是平衡塊的質(zhì)量中心，平衡塊受側(cè)碰撞產(chǎn)生的慣性力，其方向是過G點(diǎn)且垂直于X-Z平面方向，作用在EF上的有效力矩大小與X-Z平面向量及EF直線向量有關(guān)；平衡塊的重力臂是G和G0兩點(diǎn)Y坐標(biāo)值之差，平衡塊的重力矩作用在EF旋轉(zhuǎn)軸上的有效轉(zhuǎn)矩與X-Z平面向量及EF直線向量有關(guān)。

1.2.3 H是外開拉桿的重力和慣性力作用點(diǎn)，其中外開拉桿受側(cè)碰撞產(chǎn)生的慣性力有一半作用在此點(diǎn)，其方向是過H點(diǎn)且垂直于X-Z平面方向，作用在EF上的有效力矩大小與X-Z平面向量及EF直線向量有關(guān)；外開拉桿的重力臂是H和H0兩點(diǎn)Y坐標(biāo)值之差，外開拉桿的重力矩作用在EF旋轉(zhuǎn)軸上的有效轉(zhuǎn)矩與X-Z平面向量及EF直線向量有關(guān)。

1.3 開啟鎖外開臂的力F受力分析

平衡塊上產(chǎn)生的所有力矩之和，最終形成通過H點(diǎn)對(duì)外開拉桿施加開啟鎖外開臂的力F0，這個(gè)力方向平行于Z軸，力臂是H和H0兩點(diǎn)Y坐標(biāo)值之差。

1.4 以上是外開把手開啟過程的受力和各旋轉(zhuǎn)系力矩分析，根據(jù)分析建立計(jì)算式。（計(jì)算公式：略）

計(jì)算綜合

當(dāng)碰撞來自本側(cè)門，加速度為負(fù)值

本側(cè)門碰撞力矩矢量和：

A2：D圍繞EF旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的有效力矩；

A3：平衡塊重力矩；

A4：平衡塊慣性矩；

A5：外開拉桿重力矩；

A6：平衡塊慣性力矩；

A7：扭簧扭矩；

L7：外開拉桿的力臂；

當(dāng)碰撞來自本側(cè)門，加速度為正值

對(duì)側(cè)門碰撞力矩矢量和：

A3：平衡塊重力矩；

A4：平衡塊慣性矩；

A5：外開拉桿重力矩；

A6：平衡塊慣性力矩；

A7：扭簧扭矩；

L7：外開拉桿的力臂；

平衡塊上產(chǎn)生的所有力矩矢量之和，通過H點(diǎn)對(duì)外開拉桿施加開啟鎖外開臂的力F0，這個(gè)力方向平行于Z軸，L7是力臂，即：H和H0兩點(diǎn)Y坐標(biāo)值之差。所獲得的計(jì)算結(jié)果F0是判定在碰撞過程是否會(huì)主動(dòng)打開車門的依據(jù)。

2、外開把手在正常狀態(tài)下的開啟力計(jì)算

門鎖外開拉桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)開鎖，在把手開啟過程中設(shè)置前空行程，即最初的開啟階段，此階段鎖外開拉桿隨著外把手的開啟產(chǎn)生移動(dòng)，并不需要開啟力的傳遞。設(shè)外把手開啟行程為6°，一般前空行程設(shè)計(jì)為2°，此時(shí)開啟力主要是扭簧力矩的反力矩和零件的重力矩引起的，整個(gè)開啟過程的拉桿向下開鎖力為F0。

得出開啟行程［0°，2°］時(shí)，F(xiàn)0=0，開啟行程（2°，6°］時(shí)，F(xiàn)0=10N

L2：D點(diǎn)距把手轉(zhuǎn)軸距離；

L3：D點(diǎn)距平衡塊轉(zhuǎn)軸距離；

L：操作點(diǎn)距把手轉(zhuǎn)軸距離；

3、外開把手的碰撞計(jì)算

3.1 計(jì)算載體

采用辦公軟件“Microsoft Office Excel 2003”表格自帶的函數(shù)和計(jì)算功能進(jìn)行外開把手的碰撞計(jì)算，計(jì)算方式是在單一方案的布置計(jì)算的基礎(chǔ)上編制的，并在給定范圍和條件下，實(shí)現(xiàn)將單一布置方案擴(kuò)展至無窮布置方案。利用特定編制的“宏”文件，該“宏”文件可以將在無窮方案中，對(duì)照輸入的條件和要求，對(duì)方案逐個(gè)進(jìn)行計(jì)算，最終選擇出符合目標(biāo)要求的最優(yōu)方案。

3.2 計(jì)算輸入

如圖2，共需要輸入11個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和7個(gè)外開把手特征參數(shù)，其中部分?jǐn)?shù)值同時(shí)作為優(yōu)化對(duì)象（計(jì)算輸入的任意數(shù)值都可以作為優(yōu)化對(duì)象）。這些被作為優(yōu)化對(duì)象的數(shù)據(jù)在優(yōu)化計(jì)算對(duì)應(yīng)區(qū)域輸入，當(dāng)優(yōu)化計(jì)算時(shí)讀取優(yōu)化后的數(shù)據(jù)并及時(shí)計(jì)算對(duì)應(yīng)方案的其他數(shù)值，特定的計(jì)算結(jié)果還能給優(yōu)化計(jì)算反饋，獲得目標(biāo)比較信息。

3.3 單個(gè)方案的計(jì)算輸出

如圖3，計(jì)算輸出是基于單個(gè)設(shè)計(jì)方案在受到本側(cè)門碰撞和對(duì)側(cè)門碰撞兩種情況下外把手和平衡塊設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)角度下各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的位置信息和受力狀態(tài)。由于外開把手工作的特殊性，不能就其在某一個(gè)位置的受力情況做出是否符合碰撞要求的判定，必須對(duì)其全過程進(jìn)行計(jì)算才能進(jìn)行最終判定，圖中只是過程計(jì)算的一部分，其余部分隱藏。計(jì)算輸入全部依據(jù)11個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和7個(gè)外開把手特征參數(shù)。圖中所列的是本側(cè)門在受到-65g的碰撞加速度和對(duì)側(cè)門在受到65g的碰撞加速度下，平衡塊對(duì)拉桿向下開鎖推力，此值大于10N時(shí)計(jì)算單元格將提示紅色，雖然本側(cè)門在受到-65g的碰撞加速度時(shí)外把手開啟到3°以后均不合格，但實(shí)際上本側(cè)門在這樣的碰撞速度下是安全的，不會(huì)導(dǎo)致外把手主動(dòng)開啟側(cè)門，因?yàn)橥獍咽诌€沒有開啟轉(zhuǎn)動(dòng)。0°位置受力表明，此位置不但沒有向下推力，反而存在向上23.1N反作用力，表明動(dòng)作不再繼續(xù)進(jìn)行。

對(duì)側(cè)門在受到65g的碰撞加速度下，瞬間平衡塊就向開啟方向24°（對(duì)應(yīng)外把手開啟為1.7°，實(shí)際上在對(duì)側(cè)門碰撞時(shí)外把手不會(huì)向外側(cè)開啟）當(dāng)平衡塊繼續(xù)向開啟方向偏轉(zhuǎn)時(shí)將存在反作用力。也就是說平衡塊將不再繼續(xù)移動(dòng)。門鎖和外把手開啟過程行程設(shè)計(jì)為：當(dāng)外開把手開啟到三分之二處時(shí)，鎖機(jī)構(gòu)完全開啟。對(duì)照該行程計(jì)算，對(duì)應(yīng)外把手開啟為2.8°時(shí)平衡塊向下推力為零，已經(jīng)失去推動(dòng)開啟鎖機(jī)構(gòu)擺臂運(yùn)動(dòng)的能力，雖然此時(shí)平衡塊已經(jīng)推動(dòng)開啟鎖機(jī)構(gòu)擺臂運(yùn)轉(zhuǎn)并使棘爪運(yùn)轉(zhuǎn)10°，但距離鎖機(jī)構(gòu)完全開啟瞬間棘爪運(yùn)轉(zhuǎn)25°的條件還相差較遠(yuǎn)，據(jù)此可以得出在此處不會(huì)導(dǎo)致主動(dòng)開啟車門（文中數(shù)值來源于圖3、4中對(duì)應(yīng)數(shù)值）。

把手正常開啟力計(jì)算是設(shè)計(jì)布置的另一個(gè)重要控制點(diǎn)，本計(jì)算對(duì)把手正常開啟力提出要求并通過設(shè)計(jì)布置和計(jì)算解決。通過計(jì)算可獲得開啟過程中的把手開啟力，對(duì)比目標(biāo)值，保證結(jié)果符合目標(biāo)值的要求。

3.4 方案優(yōu)化計(jì)算

方案優(yōu)化計(jì)算是利用Excel中集成的VBA模塊功能進(jìn)行計(jì)算。按照設(shè)計(jì)者的需求確定特定元素的搜索范圍和密集程度，并確定特定控制對(duì)象，以此在無窮方案中自動(dòng)找出最接近設(shè)計(jì)要求的方案，見圖4。

具體操作：將碰撞加速度一欄設(shè)置為65g（計(jì)算系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別為，來自本側(cè)門的碰撞為-65g，來自對(duì)側(cè)門的碰撞為65g）；在設(shè)置的A、E坐標(biāo)基本值對(duì)應(yīng)的基本值附近定義搜索范圍為±5，增量為0.1（即該點(diǎn)在設(shè)置的坐標(biāo)±5范圍，每個(gè)0.1生成一個(gè)新的坐標(biāo)帶入系統(tǒng)計(jì)算）；扭簧扭矩基本值350的搜索范圍設(shè)置為±150，增量為1（即該點(diǎn)在設(shè)置的坐標(biāo)±150范圍，每個(gè)1生成一個(gè)新的扭矩值帶入系統(tǒng)計(jì)算），系統(tǒng)便自動(dòng)將所有符合設(shè)定范圍的方案，按照一定順序排列。在比較區(qū)域選擇需要讀取并進(jìn)行比較的對(duì)象，表中選擇“把手最小開啟力”、“把手最大開啟力”[4]，目標(biāo)值一欄輸入其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值“16”、“45”，對(duì)應(yīng)的實(shí)際值是從單個(gè)方案計(jì)算中調(diào)取的對(duì)應(yīng)值，偏離系數(shù)對(duì)應(yīng)欄寫入需要表達(dá)的計(jì)算公式，如需要考核其最大值，則把手最大開啟力偏離系數(shù)計(jì)算公式：

Fa：代表把手適時(shí)開啟力，該值及時(shí)從對(duì)應(yīng)計(jì)算方案中調(diào)??；

Fb：代表把手最大開啟力對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值

根據(jù)需要綜合偏離系數(shù)還可以使用以下公式：

ξn：代表具體考核對(duì)象的偏離系數(shù)；

圖4中對(duì)應(yīng)“533239861”一欄是上述范圍內(nèi)總的方案數(shù)，即將單個(gè)方案擴(kuò)展至無窮的計(jì)算過程，此值的大小是根據(jù)設(shè)計(jì)師要求搜索的目標(biāo)個(gè)數(shù)以及每個(gè)目標(biāo)的搜索范圍、搜索密度決定的。通過編制的“宏”，將總方案數(shù)中各方案連續(xù)起來按一定要求進(jìn)行計(jì)算。此處的“宏”主要表達(dá)內(nèi)容是：按照總方案數(shù)的排序，并從第一個(gè)方案開始計(jì)算；計(jì)算的結(jié)果顯示在第八行對(duì)應(yīng)位置；將第八行全部復(fù)制并“選擇性粘貼”到第十一行；再進(jìn)行第二方案的計(jì)算，需要比較偏離系數(shù)，若本方案的偏離系數(shù)大于上一個(gè)方案的偏離系數(shù)，則再進(jìn)行第三個(gè)方案；若本方案的偏離系數(shù)小于上一個(gè)方案的偏離系數(shù)，則將第八行全部復(fù)制并“選擇性粘貼”到第十一行；再進(jìn)行第三方案的計(jì)算……直至計(jì)算到最后一個(gè)方案后退出。在計(jì)算過程中對(duì)應(yīng)方案計(jì)算結(jié)果及時(shí)通過圖形曲線表達(dá)出來，設(shè)計(jì)師可以準(zhǔn)確了解整全部方案的符合性概況。在計(jì)算結(jié)束后，第十一行對(duì)應(yīng)的值就是最接近目標(biāo)方案的優(yōu)選值，讀取這個(gè) “最接近目標(biāo)方案”的自動(dòng)優(yōu)化具體數(shù)據(jù)，就同時(shí)顯示出 “最接近目標(biāo)方案” 圖形曲線。

方案優(yōu)化過程就是通過單個(gè)方案的計(jì)算，結(jié)合Excel強(qiáng)大的計(jì)算能力，將單個(gè)方案擴(kuò)展至“無窮”，并在“無窮”方案中，按照特定目標(biāo)要求選擇最接近目標(biāo)的方案，它大大降低了計(jì)算和分析勞動(dòng)強(qiáng)度，且快捷準(zhǔn)確。

圖4左下角曲線圖說明：開啟把手操作力符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求；本側(cè)門的碰撞開啟力不至于主動(dòng)開啟側(cè)門；對(duì)側(cè)門的碰撞開啟力也不至于主動(dòng)開啟側(cè)門。具體說明見本文“3.3單個(gè)方案的計(jì)算輸出”。

3.5 方案優(yōu)化延伸分析

利用開發(fā)的連續(xù)自動(dòng)運(yùn)算式，分步進(jìn)行以下操作，獲得所需曲線的變化規(guī)律：通過自動(dòng)計(jì)算獲得連續(xù)變化的曲線。下列圖分別是從單個(gè)搜索計(jì)算過程若干截圖中選取的“起始”、“中間”、“結(jié)尾”三張圖片進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)師可以直觀設(shè)計(jì)改進(jìn)的方向。

3.5.1 改變A點(diǎn)X坐標(biāo)曲線變化趨勢(shì)：A點(diǎn)是外把手旋轉(zhuǎn)軸下端點(diǎn)，修改其X坐標(biāo)曲線無明顯變化。

3.5.2 改變A點(diǎn)Y坐標(biāo)曲線變化趨勢(shì)：A點(diǎn)是外把手旋轉(zhuǎn)軸下端點(diǎn)，修改其Y坐標(biāo)曲線有變化。內(nèi)傾越大，越不利于來自本側(cè)門的碰撞，對(duì)來自對(duì)側(cè)門的碰撞幾乎無影響，把手開啟力最大值略有增加，而最小值在減小。

3.5.3 改變E點(diǎn)Y坐標(biāo)曲線變化趨勢(shì)：E點(diǎn)是平衡塊旋轉(zhuǎn)軸左端點(diǎn)，修改其Y坐標(biāo)曲線有明顯變化。

Y值越小，越有利于本側(cè)門碰撞，但不利于對(duì)側(cè)門碰撞。

Collision analysis and optimization of outside handle

Liu meili, Ding guangxue, Lv long, Fu kai
（Center of Technology, Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd., Anhui Hefei 230601）

As an significant function parts,Outside handle is an important part of automobile door system.The door may be opened when the defecting outside handle suffering from side collision,it is cause to the passenger was throw out of car.How to ensure the outside handle passive safety and operability in dangerous environment is a key point of design and development.This article mainly illuminates how to obtain the best design proposal of outside handle through calculating collision resistance ability and optimizing the result of calculation.

outside handle；side collision；resistance of inertial properties；design optimization；application

U463.8

A

1671-7988(2015)02-29-05

劉美麗，車身設(shè)計(jì)主管工程師，就職于江淮汽車技術(shù)中心。