楊軍 蘇東 陳小剛 曾繁林

摘? 要：針對(duì)汽車在側(cè)碰試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的車門開(kāi)啟問(wèn)題，結(jié)合門鎖子系統(tǒng)試驗(yàn)、試驗(yàn)拆解與變形分析以及側(cè)碰仿真，系統(tǒng)化的分析導(dǎo)致車門開(kāi)啟的原因，確認(rèn)導(dǎo)致車門門鎖解鎖開(kāi)啟的主要原因是門鎖區(qū)域局部變形過(guò)大，導(dǎo)致外開(kāi)把手彈出解鎖，使得車門開(kāi)啟。結(jié)合文中提出的能夠反映門鎖區(qū)域局部變形與承受沖擊載荷的量化指標(biāo)，提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，仿真結(jié)果顯示優(yōu)化方案的相關(guān)指標(biāo)可減小70%以上，能夠有效改善門鎖區(qū)域局部變形及其承受的沖擊載荷作用，有效防止門鎖在側(cè)碰過(guò)程中解鎖開(kāi)啟。優(yōu)化方案的側(cè)碰試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其有效性，試驗(yàn)中門鎖區(qū)域局部變形小，車門未開(kāi)啟。本文為解決側(cè)碰過(guò)程中的車門打開(kāi)問(wèn)題提供一種分析方法與設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：碰撞安全;側(cè)面碰撞;車門開(kāi)啟;碰撞仿真;結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U461.91? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）03-0057-07

Abstract： Aiming at the door open problem in MDB side impact test， combined with door lock subsystem tests， post-test disassembly and deformation analysis ， side impact simulation， systematically analyzed the causes of door open.Finally confirmed the main reason for door open was that the local deformation of the door lock area is too large， Caused the outer handle to be ejected and unlocked so that the door opens.. In this paper， a structural optimization scheme was proposed. According to the quantitative indicators that can reflect the local deformation and the impact load， the simulation results show that the related quantitative indicators of the optimization scheme can be reduced by more than 70%， and the local deformation of door lock can be effectively improved， thus preventing the unlocking of the door lock during the side impact. The effectiveness of the side impact test of the optimized scheme was verified. In the experiment， the local deformation of the door lock area was small and the door was not opened. This paper provides an analysis method and design guidance for solving the door opening problem in the side impact.

Key Words： crash safety; side impact; door open; crash simulation; structural optimization and verification

1? ? 前言

隨著我國(guó)汽車保有量的不斷增加，交通事故的發(fā)生隨之增多，因此提高汽車安全性，降低交通事故中乘員的受傷風(fēng)險(xiǎn)是汽車安全開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)者的重要任務(wù)。交通事故的類型主要包含正面碰撞、側(cè)面碰撞及追尾等。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，各類碰撞事故發(fā)生的比例為正面碰撞59.2%，側(cè)面碰撞27%，追尾8.1%，其他5.7%[1]。其中側(cè)碰作為占比第二重的碰撞形式;為保證側(cè)碰過(guò)程中乘員的安全性，目前主要通過(guò)汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)車輛的側(cè)面安全性能，試驗(yàn)采用可移動(dòng)壁障以一定的速度撞擊車輛的側(cè)面，通過(guò)評(píng)價(jià)假人的傷害值和車身結(jié)構(gòu)的變形情況來(lái)評(píng)定車輛在側(cè)碰過(guò)程中對(duì)乘員的安全保護(hù)性能。在國(guó)標(biāo)及NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程中均對(duì)側(cè)碰性能有要求，同時(shí)為保證車內(nèi)乘員在側(cè)碰過(guò)程中不被甩出以及防止外來(lái)物進(jìn)入車內(nèi)對(duì)乘員造成傷害，GB 20071-2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》[2]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(duì)車輛認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》中要求：側(cè)面碰撞試驗(yàn)過(guò)程中車門不得開(kāi)啟。在《中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程》[3]中也規(guī)定，如果在側(cè)面碰撞中出現(xiàn)車門開(kāi)啟將被扣分，對(duì)于兩側(cè)的每一個(gè)車門，若在碰撞過(guò)程中開(kāi)啟，則分別減去一分。

本文針對(duì)某乘用車型在開(kāi)發(fā)階段的側(cè)碰試驗(yàn)中出現(xiàn)的車門解鎖開(kāi)啟問(wèn)題，結(jié)合對(duì)門鎖系統(tǒng)的系統(tǒng)測(cè)試、試驗(yàn)后車門及門鎖拆解分析與整車側(cè)碰仿真研究車門在側(cè)面碰撞過(guò)程中解鎖開(kāi)啟的原因，提出可以量化門鎖周邊局部變形和受沖擊情況相關(guān)指標(biāo)。針對(duì)門鎖解鎖開(kāi)啟的原因提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，進(jìn)行優(yōu)化方案的側(cè)面碰撞的仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，優(yōu)化方案?jìng)?cè)碰試驗(yàn)門鎖周邊局部變形改善明顯，未出現(xiàn)車門打開(kāi)問(wèn)題，方案有效。

2? ? 問(wèn)題描述與分析

2.1? ?問(wèn)題描述

在某車型按照2015版C-NCAP規(guī)則進(jìn)行側(cè)面碰撞試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)了碰撞過(guò)程中左后車門解鎖開(kāi)啟的現(xiàn)象，如圖1所示：

2.2? ?問(wèn)題分析

如圖2所示，車門鎖系統(tǒng)主要包括鎖體總成、內(nèi)外開(kāi)拉桿拉絲、內(nèi)外門把手總成等。門鎖系統(tǒng)開(kāi)啟的過(guò)程為，在解鎖止?fàn)顟B(tài)下，拉動(dòng)把手拉手，通過(guò)拉桿，帶動(dòng)鎖體外開(kāi)搖臂，促使鎖體內(nèi)鎖舌轉(zhuǎn)動(dòng)，脫離鎖扣完成車門開(kāi)啟。

針對(duì)門鎖系統(tǒng)的相關(guān)耐沖擊性等性能，在國(guó)標(biāo)GB 15086-2013 汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗(yàn)方法[4]中對(duì)有相關(guān)要求：a）對(duì)于車門門鎖系統(tǒng)，在鎖止裝置未鎖止的情況下以與車輛縱向軸及車輛橫向加30g的慣性載荷，不應(yīng)從全鎖緊位置脫開(kāi);b）對(duì)于后門門鎖系統(tǒng)，在鎖止裝置未鎖止的情況下以與車輛垂直軸平行方向施加30g的慣性載荷，不應(yīng)從全鎖止位置脫開(kāi);c）每個(gè)部件和子系統(tǒng)可通過(guò)計(jì)算求出在特定方向上的最小耐慣性載荷，阻止開(kāi)鎖的組合耐慣性載荷，應(yīng)保證門鎖系統(tǒng)在正確安裝到車門上，承受上述a）和b）規(guī)定的慣性載荷時(shí)，保持在鎖緊位置。

一般而言，導(dǎo)致車門解鎖開(kāi)啟的原因可分為：門鎖系統(tǒng)慣性力驅(qū)動(dòng)的失效模式、門鈑金變形驅(qū)動(dòng)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[5]。

針對(duì)門鎖系統(tǒng)進(jìn)行慣性沖擊試驗(yàn)，驗(yàn)證其能夠承受的慣性沖擊載荷，如圖3所示，門鎖慣性沖擊載荷試驗(yàn)，門鎖外開(kāi)把手在45g慣性沖擊載荷下沒(méi)有開(kāi)啟動(dòng)作，鎖體與內(nèi)門把手可承受60g與48g以上的慣性沖擊載荷，滿足門鎖系統(tǒng)抗沖擊要求，初步排除門鎖系統(tǒng)慣性力驅(qū)動(dòng)失效的可能性。

對(duì)于是否為門把手拉桿或鎖體運(yùn)動(dòng)件被門鈑金撞擊而解鎖失效，在側(cè)碰試驗(yàn)后，對(duì)左后車門進(jìn)行切割與拆解分析，如圖4所示，外開(kāi)拉桿保持完好，鎖體的相應(yīng)零件也無(wú)磕碰痕跡，由此分析導(dǎo)致門鎖解鎖而使得車門開(kāi)啟的可能性較小。

如圖5-圖6所示，外開(kāi)把手在側(cè)碰過(guò)程中發(fā)生擠壓折彎變形，且玻璃導(dǎo)軌撞擊到把手的底座，門把手區(qū)域的鈑金變形大，呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)折彎變形。

如圖7所示，從中部擠壓把手底座，或從端部施加彎矩，可復(fù)現(xiàn)外把手彈出現(xiàn)象。結(jié)合門鎖系統(tǒng)的慣性沖擊試驗(yàn)、車門及門鎖局部區(qū)域在側(cè)碰過(guò)程中的變形和拆解結(jié)果判斷：門鎖區(qū)域鈑金變形（擠壓與扭轉(zhuǎn)變形）過(guò)大，外開(kāi)把手彈出，在撞擊過(guò)程中下壓外開(kāi)拉桿解鎖，導(dǎo)致車門打開(kāi)。

2.3? ?側(cè)面碰撞仿真

為進(jìn)一步分析確認(rèn)側(cè)碰車門解鎖開(kāi)啟的原因，建立整車側(cè)碰仿真模型，仿真模型按照與試驗(yàn)相同的條件設(shè)置，考慮到門鎖機(jī)構(gòu)采用詳細(xì)建模的復(fù)雜性以及其網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)的限制，本文仿真模型：門鎖機(jī)構(gòu)采用門鎖部件外部特征（主要為外開(kāi)把手）簡(jiǎn)化建模，為準(zhǔn)確模擬外開(kāi)把手在試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)與開(kāi)啟情況，外開(kāi)把手未用剛性（鎖死狀態(tài)）連接，而采用在外開(kāi)把手的內(nèi)外部件間建立彈簧單元，模擬把手的開(kāi)啟程度。側(cè)面碰撞模型搭建采用Hypermesh與Primer軟件，模型單元數(shù)1985609，節(jié)點(diǎn)數(shù)17005203，分析求解時(shí)間90ms，如圖8所示：

如圖9，試驗(yàn)和仿真的車門變形情況對(duì)比，后門及門鎖區(qū)域的變形基本一致，基本能夠反映側(cè)碰過(guò)程中車門及門鎖的變形情況，仿真結(jié)果可行度高。

如何準(zhǔn)確的量化門鎖局部區(qū)域的變形情況和受沖擊載荷情況，同時(shí)便于開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的效果對(duì)比評(píng)估，本文提出如下指標(biāo)來(lái)描述門鎖及其周邊的局部變形與受沖擊載荷的程度，如圖10所示：a.把手Y向間隙：Y0;b.把手部位鈑金X向變形及相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度：abθ;c.把手及手窩處的Y向加速度：Aw? As;d.把手底座與玻璃導(dǎo)軌最小間隙：D0。

如圖11-圖15所示，左側(cè)（撞擊側(cè)）后門中腰線下靠近把手位置出現(xiàn)明顯凹陷，外開(kāi)把手底座在碰撞過(guò)程中與玻璃導(dǎo)軌發(fā)生擠壓。圖12與圖13所示外開(kāi)把手的Y向間隙變化、把手部位鈑金的X向變形以及相對(duì)扭轉(zhuǎn)變形角度指標(biāo)亦顯示外開(kāi)把手窩局部鈑金X向承受擠壓與扭轉(zhuǎn)變形，對(duì)外把產(chǎn)生較大的外推力，在撞擊過(guò)程中，外開(kāi)把手彈出下壓外開(kāi)拉桿解鎖，導(dǎo)致車門打開(kāi)。

綜上分析，該車型在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中左后車門自動(dòng)解鎖的原因是主要后門鎖區(qū)域局部變形過(guò)大，承受較大的X向擠壓與扭轉(zhuǎn)變形，且玻璃導(dǎo)軌擠壓外開(kāi)把手底座，促使外開(kāi)把手被擠出，推動(dòng)拉桿帶動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致解鎖，車門開(kāi)啟。

3? ? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證

3.1? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化

綜合零部件子系統(tǒng)試驗(yàn)、試驗(yàn)后拆解分析與仿真分析可以得出，為防止車門在側(cè)碰過(guò)程中解鎖開(kāi)啟，需要改善門鎖區(qū)域的局部變形，減小門鎖承受的擠壓與扭轉(zhuǎn)變形，盡可能使門鎖局部區(qū)域的變形為一種“整體變形”形式?；诟纳崎T鎖區(qū)域局部變形的思路，為此設(shè)計(jì)了如圖16所示的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部件，并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定加強(qiáng)結(jié)構(gòu)最優(yōu)的材料與厚度，該優(yōu)化加強(qiáng)結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)變形發(fā)生在車門的中前區(qū)域，降低門鎖區(qū)域的局部變形，保持門鎖區(qū)域的“整體性”，降低解鎖風(fēng)險(xiǎn)。

3.2? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案分析

基于側(cè)碰仿真模型，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行相同條件下的側(cè)碰仿真對(duì)比分析。如圖17所示，紫色為優(yōu)化方案、綠色為原始方案，優(yōu)化方案的車門變形轉(zhuǎn)移至中前部，門鎖區(qū)域的整體性保持較好，沒(méi)有發(fā)生明顯的擠壓和扭轉(zhuǎn)變形。圖18顯示，優(yōu)化方案的玻璃導(dǎo)軌與把手底座的最小間隙為16mm，碰撞過(guò)程中導(dǎo)軌沒(méi)有撞擊把手底座。

如圖19-21、表3-5門鎖局部變形和加速度指標(biāo)對(duì)比，其中外開(kāi)把手的Y向間隙峰值、把手部位鈑金局部變形（X向變形與扭轉(zhuǎn)變形）以及把手與把手窩加速度峰值均大幅降低，降低幅度均超70%，其中扭轉(zhuǎn)變形的改善量達(dá)99%，優(yōu)化方案可明顯的改善門鎖區(qū)域的局部變形，降低門鎖系統(tǒng)在側(cè)碰過(guò)程中承受的慣性沖擊載荷，有效降低門鎖解鎖車門開(kāi)啟的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3? ?試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案經(jīng)過(guò)多次側(cè)碰試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)中左后車門均未發(fā)生解鎖開(kāi)啟現(xiàn)象，如圖22所示所示，門鎖區(qū)域局部X向擠壓與扭轉(zhuǎn)變形小，完整性保持好。

試驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比顯示，左后車門的變形形式、變形位置及門鎖局部的變形狀態(tài)均較為一致，說(shuō)明本文建立的仿真模型是可靠有效的，能夠預(yù)測(cè)側(cè)碰試驗(yàn)中的變形情況，可用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形及優(yōu)化方案對(duì)比分析，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)本文中提出的局部變形與承受載荷作用的量化指標(biāo)，能夠較為準(zhǔn)確的表征門鎖區(qū)域的局部變形和受沖擊程度，亦可用來(lái)進(jìn)行優(yōu)化改善方案效果評(píng)估。對(duì)于后續(xù)解決該類問(wèn)題均有重要的意義。

4? ? 結(jié)論

本文基于側(cè)碰過(guò)程中車門解鎖打開(kāi)的問(wèn)題，結(jié)合試驗(yàn)與仿真的分析方法，確認(rèn)了車門開(kāi)啟的原因，并提出了解決車門解鎖開(kāi)啟問(wèn)題對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，有效解決了側(cè)碰試驗(yàn)中車門開(kāi)啟的問(wèn)題，得出以下結(jié)論：

本文從可能導(dǎo)致門鎖解鎖的因素中，結(jié)合子系統(tǒng)試驗(yàn)、試驗(yàn)后變形與拆解及仿真分析，系統(tǒng)化的分析了導(dǎo)致車門開(kāi)啟的原因，最終確認(rèn)了門鎖區(qū)域局部X向擠壓與扭轉(zhuǎn)變形過(guò)大，玻璃導(dǎo)軌擠壓外開(kāi)把手底座，促使外開(kāi)把手被擠出，推動(dòng)拉桿帶動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致解鎖為車門開(kāi)啟的問(wèn)題所在。

提出了能夠反映門鎖局部區(qū)域變形及承受沖擊作用的指標(biāo)，便于量化變形及受沖擊程度，亦可用做優(yōu)化方案的改善效果評(píng)估對(duì)比，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。

針對(duì)車門解鎖開(kāi)啟的問(wèn)題基于控制門鎖區(qū)域局部變形的優(yōu)化思路，提出了有效的對(duì)應(yīng)優(yōu)化方案，可明顯的減小車門鎖區(qū)域的X向擠壓變形與扭轉(zhuǎn)變形，降低門鎖系統(tǒng)受沖擊的慣性載荷，降低門鎖解鎖開(kāi)啟的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)多次側(cè)碰試驗(yàn)驗(yàn)證方案有效。

建立了準(zhǔn)確地仿真模型，通過(guò)仿真與試驗(yàn)的量化指標(biāo)對(duì)比研究，可以較為準(zhǔn)確地描述該類問(wèn)題，形成相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)，在設(shè)計(jì)階段通過(guò)仿真的手段即可提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，有效應(yīng)對(duì)，縮短開(kāi)發(fā)周期，減少試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，保證車型的安全性。

針對(duì)本文中提出的量化指標(biāo)如何確定設(shè)計(jì)目標(biāo)值來(lái)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其仿真對(duì)標(biāo)研究確定。

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