李超帥，王新，林森，于波，李瑞生

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

根據(jù)GB 20071-2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》以及歐盟法規(guī)ECE R95《關(guān)于車輛側(cè)面碰撞中乘員保護(hù)方面對車輛認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》的相關(guān)要求：側(cè)面碰撞試驗過程中車門不得開啟[1]。同時，在《中國新車評價規(guī)程》中也規(guī)定，如果在側(cè)面碰撞中出現(xiàn)車門開啟將被扣分，對于兩側(cè)的每一個車門，若在碰撞過程中開啟，則分別減去一分[2]。GB 15086-2013《汽車門鎖及車門保持件的性能要求和實驗方法》中要求，鎖系統(tǒng)必須滿足球坐標(biāo)系內(nèi)30g的慣性力要求，并提供了一種將鎖系統(tǒng)簡化為一個平面多連桿機構(gòu)，利用力矩平衡原理進(jìn)行計算的方法[3]。

車輛在側(cè)面碰撞過程中，車門異常開啟會極大地危害內(nèi)部乘員的人身安全。綜合車門異常開啟的原因，可分為門鎖系統(tǒng)慣性力驅(qū)動的失效模式、門鈑金變形驅(qū)動外把手解鎖的失效模式以及門鈑金直接撞擊門鎖解鎖結(jié)構(gòu)導(dǎo)致解鎖的失效模式[4-5]。在車門外把手的設(shè)計過程中增加外把手平衡塊結(jié)構(gòu)是一種可有效避免因側(cè)碰慣性力導(dǎo)致車門異常開啟的方法，但是，目前關(guān)于外把手平衡塊的設(shè)計理論不夠完善，問題一旦出現(xiàn)往往需要通過側(cè)碰試驗反復(fù)驗證調(diào)整來達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，驗證周期長且試驗成本高。外把手平衡塊的有效作用力矩設(shè)計過小起不到防止車門側(cè)碰過程中異常開啟的作用，設(shè)計過大又會導(dǎo)致車門在大力關(guān)門情況下無法關(guān)閉的問題。

針對上述問題，本文通過對車門鎖系統(tǒng)建立不同工況下的力學(xué)模型，推導(dǎo)得出一種車門外把手平衡塊設(shè)計的計算方法，為車門外把手平衡塊的設(shè)計提供了理論支持。

1 側(cè)碰過程門鎖系統(tǒng)受力分析

1.1 車輛碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)受力分析

在車輛受到側(cè)面撞擊的過程中，車門隨車身沿碰撞方向產(chǎn)生位移，在車輛碰撞側(cè)外把手由于慣性作用保持不動的瞬間，相當(dāng)于拉動外把手，產(chǎn)生開啟車門的作用效果，當(dāng)外把手慣性力矩大到足以導(dǎo)致車門解鎖時，車門則出現(xiàn)異常開啟現(xiàn)象。由于外把手平衡塊與外把手手柄布置在外把手曲軸旋轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)，因此，外把手平衡塊慣性力矩與外把手本體慣性力矩方向相反，可有效避免車門因側(cè)碰慣性力矩的作用發(fā)生開啟。以外把手平衡塊旋轉(zhuǎn)軸（即解鎖曲軸旋轉(zhuǎn)軸）的運動狀態(tài)為研究對象，建立碰撞工況以及大力關(guān)門工況下門鎖系統(tǒng)的力學(xué)模型，其中側(cè)碰過程中車輛碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)的受力分析如圖1所示。

圖1 車輛碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)受力分析

圖1中1為車門外把手，2為外把手平衡塊，3為回位彈簧，4為解鎖拉桿，5為解鎖擺臂。側(cè)碰過程中，車門外把手1、把手平衡塊2以及解鎖拉桿4均產(chǎn)生與碰撞方向反向的慣性力，若平衡塊旋轉(zhuǎn)軸在側(cè)碰過程中不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，則車門不會因鎖系統(tǒng)慣性力因素開啟，通過力矩平衡原理可得車輛碰撞側(cè)門鎖側(cè)碰無開啟的條件為：

式中，F(xiàn)1為車門外把手的有效慣性力，F(xiàn)2為平衡塊的慣性力，F(xiàn)3為解鎖拉桿的有效慣性力，F(xiàn)4為鎖體的有效解鎖力，G為外把手平衡塊的重力，L1為F1以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，L2為F2以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，L3為F3與F4以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，LG為外把手平衡塊重力G以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，T為回位彈簧的回位扭矩。

通過公式（1）可得滿足車輛碰撞側(cè)車門側(cè)碰無開啟條件的平衡塊慣性力值為：

將慣性力計算公式F=ma與重力計算公式G=mg帶入公式（1）可得平衡塊質(zhì)量m2為：

式（3）中 a1為側(cè)碰過程中車輛碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)各零部件的慣性加速度。

1.2 車輛非碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)受力分析

在車輛受到側(cè)面撞擊的過程中，非碰撞側(cè)車門同樣隨車身產(chǎn)生碰撞方向的位移，在車輛非碰撞側(cè)外把手平衡塊由于自身慣性力作用保持不動的瞬間，其慣性力產(chǎn)生開啟車門的力矩，當(dāng)此力矩大到足以導(dǎo)致車門解鎖時，則車門出現(xiàn)異常開啟現(xiàn)象，與車輛碰撞側(cè)的研究方法相同，以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)為研究對象，建立車輛非碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)受力分析如圖2所示。

圖2 車輛非碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)受力分析

如圖2所示，車輛非碰撞側(cè)車門外把手1、把手平衡塊2以及解鎖拉桿4產(chǎn)生與碰撞方向反向的慣性力，該側(cè)車門外把手1的慣性力與該側(cè)解鎖方向相反，不產(chǎn)生解鎖的作用。外把手平衡塊2慣性力F2’與解鎖拉桿4慣性力在該側(cè)則是解鎖方向的力，通過力矩平衡原理可得車輛非碰撞側(cè)車門側(cè)碰無開啟的條件為：

式中 F2’為車輛非碰撞側(cè)的平衡塊慣性力，F(xiàn)3’為該側(cè)解鎖拉桿的有效慣性力。

通過公式（4）可得滿足車輛非碰撞側(cè)車門側(cè)碰無開啟的平衡塊慣性力值為：

將慣性力計算公式F=ma與重力計算公式G=mg帶入公式（5）可得平衡塊質(zhì)量m2為：

式（6）中 a2為側(cè)碰過程中車輛非碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)各零部件的慣性加速度。

2 平衡塊慣性力對關(guān)門可靠性的影響分析

在關(guān)閉車門時，車門由運動狀態(tài)至接觸車身側(cè)圍停止的過程中，門鎖系統(tǒng)各零部件由于自身慣性作用仍保持車門關(guān)閉方向的運動趨勢，因此產(chǎn)生解鎖方向的慣性力，若此力大于一定數(shù)值，會導(dǎo)致車門的開啟，即導(dǎo)致車門關(guān)閉可靠性的降低。同樣以外把手平衡塊旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)為研究對象對此過程進(jìn)行受力分析如圖3所示。

圖3 門鎖系統(tǒng)關(guān)門可靠性模型受力分析

從圖3可以看出，關(guān)門過程中車門外把手1的慣性力不會產(chǎn)生外把手與車門的相對運動，因此外把手慣性力不產(chǎn)生解鎖的作用，外把手平衡塊慣性力 F2與解鎖拉桿慣性力 F3產(chǎn)生解鎖方向的力矩，是導(dǎo)致車門關(guān)閉失敗的因素，通過力矩平衡原理可得車門可關(guān)閉的條件為：

公式（7）與公式（4）比較分析可知，關(guān)門可靠性模型與側(cè)碰過程中車輛非碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)受力模型相同，可得滿足關(guān)門可靠性的外把手平衡塊質(zhì)量m2的計算公式為：

公式（8）中 a3為關(guān)門時車門由運動至停止過程中門鎖系統(tǒng)各零部件的加速度?？蓪⑵胶鈮K質(zhì)量 m2上限值的計算公式（6）與公式（8）統(tǒng)一表示為：

3 門鎖系統(tǒng)有效慣性力的計算

3.1 外把手有效慣性力F1的計算

車門外把手的運動狀態(tài)為繞把手底座固定軸的旋轉(zhuǎn)運動，其慣性力與所產(chǎn)生解鎖力的關(guān)系如圖4所示。

圖4 外把手慣性力轉(zhuǎn)換示意圖

如圖4所示，側(cè)碰過程中外把手所產(chǎn)生的慣性力為m1a（m1為外把手的質(zhì)量），該慣性力的作用點為外把手的重心位置，la1為該慣性力以外把手旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，l1為外把手對解鎖曲軸作用力的力臂，即有效慣性力F1以外把手旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂，則外把手的有效慣性力 F1的計算公式為：

3.2 解鎖拉桿有效慣性力F3的計算

由上文分析可知，在車輛側(cè)碰過程中，解鎖拉桿的有效慣性力F3在車輛碰撞側(cè)產(chǎn)生阻礙解鎖的力矩，在車輛非碰撞側(cè)產(chǎn)生促使解鎖的力矩，二力的作用方向相反，但分解方式相同。同樣，在關(guān)門可靠性模型中，慣性力F3的分解方式也與碰撞模型一致，因此，以側(cè)碰過程中碰撞側(cè)解鎖拉桿慣性力的分解計算為例進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 解鎖拉桿慣性力分解示意圖

如圖 5所示，側(cè)碰過程中解鎖拉桿所產(chǎn)生的慣性力為m3a（m3為解鎖拉桿的質(zhì)量），該慣性力的作用點為解鎖拉桿的重心位置，la3為該慣性力以拉桿鎖體端為旋轉(zhuǎn)軸的力臂，l3為解鎖拉桿兩端連接點的Z向高度，則慣性力m3a在外把手平衡塊與解鎖拉桿嚙合點的等效作用力為(m3a)’=(m3a×la3)/l3，該等效作用力以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸線1為旋轉(zhuǎn)軸，解鎖拉桿與曲軸嚙合點位置的切線方向的分力 F3，F(xiàn)3與(m3a)’的夾角為α，則解鎖拉桿的有效慣性力F3為：

3.3 有效解鎖力F4的計算

圖6 有效解鎖力分解示意圖

有效解鎖力F4定義為以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸線1為旋轉(zhuǎn)軸，以解鎖拉桿與曲軸嚙合點位置的切線方向為力的作用方向，可以導(dǎo)致門鎖開啟的最小作用力。在車輛側(cè)碰模型中，碰撞側(cè)與非碰撞側(cè)門鎖系統(tǒng)解鎖阻力的作用效果均是阻礙車門解鎖，在關(guān)門可靠性模型中，解鎖阻力的作用效果亦是阻礙車門解鎖，因此有效解鎖力F4的分解方法相同，以碰撞模型中車輛碰撞側(cè)有效解鎖力F4的分解計算為例進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6中Fs為以解鎖擺臂旋轉(zhuǎn)軸線2的切線方向施力解鎖的最小力值，可通過試驗測試獲得，直線1為解鎖拉桿兩端嚙合點的連線，直線1與力Fs的夾角為γ，直線1與軸線1的切線方向夾角為 θ，則使門鎖開啟所需要的外把手有效解鎖力F4可表示為：

4 加速度目標(biāo)值的試驗測試

為確定外把手平衡塊設(shè)計計算過程中的加速度a1、a2與a3的目標(biāo)數(shù)值，采用實車測量的方式進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。如圖7所示，在某三廂轎車圖7所示位置的車門外板內(nèi)側(cè)沿車輛Y方向粘貼加速度傳感器（因車門外板內(nèi)側(cè)安裝面平整，有利于傳感器的固定，同時又能保護(hù)傳感器不受碰撞車輛的直接撞擊而損壞），可用位置1代表前門平衡塊位置的加速度，位置2代表前門鎖位置的加速度，位置3代表后門平衡塊位置的加速度，位置4代表后門鎖位置的加速度。

圖7 加速度采集位置

分別采集獲得了某三廂轎車在 50km/h側(cè)面碰撞試驗過程中碰撞側(cè)與非碰撞側(cè)圖中四個位置的最大瞬時加速度，并通過手動暴力關(guān)門試驗的方式獲得了該車型前后門圖中四個位置的最大瞬時加速度如表1所示。

表1 瞬時加速度數(shù)值

由表1中碰撞側(cè)四個位置的加速度a1與非碰撞側(cè)四個位置的加速度a2對比分析可知，碰撞側(cè)慣性加速度是非碰撞側(cè)的兩倍左右，這主要是由于碰撞過程中車輛變形與位移導(dǎo)致能量損失，非碰撞側(cè)的慣性加速度較碰撞側(cè)明顯衰減。對比四個位置非碰撞側(cè)慣性加速度a2與暴力關(guān)門產(chǎn)生的慣性加速度a3可知，因暴力關(guān)門引起的慣性加速度遠(yuǎn)大于非碰撞側(cè)的側(cè)碰慣性加速度。

5 基于加速度目標(biāo)值的平衡塊質(zhì)量計算

5.1 平衡塊質(zhì)量最小值計算公式的分析

由表1可知，側(cè)碰過程中車輛碰撞側(cè)四個位置的加速度均遠(yuǎn)大于重力加速度g，因此，公式（3）的分母部分L2a1-LGg≈L2a1，將公式（10）與公式（11）帶入公式（3）可得：

由公式（13）可以看出，慣性加速度a1越大，則平衡塊質(zhì)量 m2的最小值越大，即需要質(zhì)量更大的平衡塊來滿足碰撞側(cè)的碰撞要求，因此，實際設(shè)計過程中，慣性加速度a1的目標(biāo)值應(yīng)適當(dāng)增大，以增加防止車輛碰撞側(cè)異常開啟的安全系數(shù)。

5.2 平衡塊質(zhì)量最大值計算公式的分析

將解鎖拉桿有效慣性力F3的計算公式（11）帶入平衡塊質(zhì)量 m2上限值的計算公式（9）可得平衡塊質(zhì)量 m2的上限值計算公式為：

由公式（14）可以看出，加速度a越大，則平衡塊質(zhì)量m2的上限值越小，即需要更小質(zhì)量的平衡塊來滿足非碰撞側(cè)的碰撞無開啟要求以及暴力關(guān)門可靠性要求。因此，實際計算過程中應(yīng)取a2與a3中的較大值作為加速度a的計算值，以增加防止車輛非碰撞側(cè)異常開啟的安全系數(shù)以及暴力關(guān)門可靠性的安全系數(shù)。

5.3 平衡塊質(zhì)量計算區(qū)間公式

綜合公式（3）與公式（9）可得外把手平衡塊的質(zhì)量計算區(qū)間為：

式中 amax為 a2與 a3中的較大值。參照表 1中 a1、a2與a3的實測數(shù)值，為增加車輛的安全性能，計算時可取a1=100g與amax=100g作為目標(biāo)值進(jìn)行計算。

6 基于側(cè)碰安全的外把手設(shè)計優(yōu)化

6.1 回位彈簧扭矩T的設(shè)計優(yōu)化可行性分析

圖8 車門開啟力受力分析示意圖

對公式（15）分析可知，回位彈簧的回位扭矩T越大，則平衡塊質(zhì)量 m2的質(zhì)量區(qū)間越大，即大的回位彈簧扭矩 T既有利于滿足車輛的側(cè)碰安全又有利于提高車門的關(guān)閉可靠性，但是，回位彈簧扭矩T的大小直接關(guān)系到車門開啟力的大小，如圖8所示，為車門開啟力的受力分析示意圖。

根據(jù)力矩平衡原理，可得回位彈簧回位扭矩的大小為：

式中 F0’為外把手作用于曲軸的開啟力，F(xiàn)4max為車門鎖在車門裝配狀態(tài)下的解鎖力。

F0’與目標(biāo)車門開啟力的關(guān)系如圖9所示。

圖9 目標(biāo)開啟力示意圖

其中F0為目標(biāo)車門開啟力，一般定義在40N～55N之間，以保證較好的車門開啟力手感。則外把手作用于曲軸的的開啟力F0’可表示為：

式中 l0為開門時食指以外把手旋轉(zhuǎn)軸線為旋轉(zhuǎn)軸的力臂。將公式（17）帶入公式（16）可得目標(biāo)車門開啟力 F0下的回位彈簧扭矩計算公式為：

因此，在外把手結(jié)構(gòu)一定的情況下，l0、L1、l1以及 L3均為定值，而F0為用戶舒適操作力值，調(diào)整區(qū)間基本固定，F(xiàn)4max的大小取決于門鎖的結(jié)構(gòu)以及門系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力，因此，通過調(diào)整回位彈簧回位扭矩的方式提高車輛的側(cè)碰安全系能與關(guān)門可靠性能可行性較差。

6.2 平衡塊布置位置的設(shè)計優(yōu)化分析

由平衡塊質(zhì)量區(qū)間計算公式（15）分析可知，外把手平衡塊重力力臂LG越大，平衡塊質(zhì)量m2的質(zhì)量區(qū)間越小，即大的外把手平衡塊重力力臂 LG既不有利于滿足車輛的側(cè)碰安全，又不利于滿足車輛的關(guān)門可靠性，因此，在車門外把手平衡塊布置時，在空間上應(yīng)盡量減小平衡塊的重力力臂LG，即在空間滿足的情況下盡量將平衡塊往靠近平衡塊旋轉(zhuǎn)軸正上方的位置布置。

同時，平衡塊慣性力力臂L2越大，平衡塊質(zhì)量m2的區(qū)間整體向數(shù)值減小的方向移動，即在空間布置滿足的前提下，平衡塊設(shè)計時可適當(dāng)增大平衡塊慣性力力臂L2，這樣有利于減小平衡塊的設(shè)計質(zhì)量。

7 計算模型與實車工況的區(qū)別

本文所論述的側(cè)碰過程中車輛碰撞側(cè)與非碰撞側(cè)的計算模型均以外把手曲軸是否旋轉(zhuǎn)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，而在實車碰撞過程中，外把手曲軸需旋轉(zhuǎn)一定角度至解鎖位置時才會導(dǎo)致車門鎖的解鎖，因此，本模型的建立條件較實際情況更為嚴(yán)格，并且本靜態(tài)模型的建立方式是對實際復(fù)雜動態(tài)過程的簡化，因此可采用本模型的建立方法作為判斷依據(jù)。

此外，為簡化計算過程，本計算模型中忽略了機構(gòu)摩擦力的作用效果，因機構(gòu)摩擦力的作用效果總是阻礙解鎖過程的進(jìn)行，因此，忽略機構(gòu)摩擦力較實際情況也更為嚴(yán)格。

[1] 中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB 20071-2006 汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.3.

[2] C-NCAP 管理中心.C-NCAP 管理規(guī)則（2012版）[S].天津:中國汽車技術(shù)研究中心,2012:28-29.

[3] 中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB 15086-2013 汽車門鎖及車門保持件的性能要求和實驗方法[S],北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013:12-13.

[4] 劉哲.側(cè)碰過程中側(cè)門異常開啟的探測和解決方法[J].汽車工程師,2015（1）:53-55.

[5] 劉海玲.汽車側(cè)門外開啟系統(tǒng)設(shè)計[J].上海汽車,2010（12）:26-27.