侧门外开把手耐碰撞分析和优化

刘美丽，丁光学，吕龙，傅凯

（安徽江淮汽车技术中心，安徽 合肥 230601）

侧门外开把手耐碰撞分析和优化

刘美丽，丁光学，吕龙，傅凯

（安徽江淮汽车技术中心，安徽 合肥 230601）

侧门外开把手是汽车侧门锁系统重要组成部分，是开闭侧门的重要功能件。存在设计缺陷的侧门外开把手在车辆遭受侧碰撞时可能主动开启侧门，导致乘员被抛出车外。如何保证侧门外开把手被动安全性和可操作性在特别环境下发挥作用，是设计和开发的工作重点。本文通过对外拉式外开把手耐碰撞性能的计算并对计算结果进行优化，阐明最佳侧门外开把手设计方案是如何获得的。

侧门外开把手；侧碰撞；耐惯性特性；设计优化；应用

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

引言

外拉式外开把手是一种兼顾侧门开启、装饰[1]、被动安全[2]等功能的部件，主要由外把手、把手座、平衡块、平衡块扭力弹簧、锁外开拉杆等部件组成。把手座和侧门外钣金固定，通过密封垫保证与车门的密封；外把手是操作手柄，一端安装在把手座旋转轴槽内，另一端与把手座装饰盖（或锁芯安装机构）配合，该端设计有拉钩平面并与平衡块拨爪球头紧密配合；平衡块安装在把手座固定卡槽内，并围绕固定卡槽特定轴向旋转，同时平衡块还连接锁外开拉杆；外把手向外开启时，外把手按安装在把手座旋转轴槽内旋转轴转动，外把手拉钩平面带动平衡块拨爪球头围绕平衡块旋转轴转动，并推动连接在平衡块上的锁外开拉杆向下运动推动锁体开启摇臂，从而达到开启锁的目的；在外把手施力结束后，安装在平衡块上的扭力弹簧推动平衡块回位旋转，使外把手、锁外开拉杆回到原位（见图1，把手座、装饰盖、密封垫、锁芯隐藏）。

当碰撞[3]来自本侧门时，碰撞方向是+Y方向，则碰撞加速度为-Y方向，外把手在碰撞加速度作用下向-Y方向运动，并通过外把手拉钩平面带动平衡块旋转和外开拉杆下行，当锁外开臂作用点所受作用力达到10N（锁体开启臂动作作用力）时，锁便开启。就是说：如果碰撞时产生的向下推力大于等于10N时，侧门外开把手便主动开启侧门，改进设计的方法有：①增加平衡块的质量或惯性矩，以增加反惯性力矩的大小，但是这个方法不利于来自对侧门的侧碰撞；②增加平衡块扭簧的扭力，利于对来自任何一侧门的侧碰撞，但不利于外把手正常操作力的要求；③改善各旋转轴的布置位置也可以提高侧门的耐碰撞特性，但需要准确计算各旋转轴布置受力情况。

当碰撞来自对侧门时，其计算过程相同，因加速度方向相反，外把手惯性力不再推动平衡块运转，通过设计防撞凸台用来阻止平衡块的惯性运转。

一般情况下，还需要保证把手的正常开启特性：开启过程的操作力必须满足设计要求。

以下是对外开把手在侧门上的受力分析、计算过程、设计优化等进行细述：

1、外开把手的受力分析和计算

1.1 外把手结构受力分析

如图1，C点开启方向是过C点且垂直于A、B、C三点平面方向，随着C点的变化其方向也在变化；C点惯性力方向是过C点且垂直于X-Z平面方向，随着C点的变化其方向不变化。外把手受到的碰撞惯性力矩需要转化为有效地把手开启力矩，即：C点围绕AB的旋转力矩。

C点围绕AB的旋转力矩，与受来自D点的反作用力矩，形成一对平衡力矩。

D点是平衡块拨爪球头，在把手的运动过程中，D点围绕EF以固定的旋转半径运动，其球头表面始终和外把手拉钩平面接触，D点距外把手拉钩平面的距离始终相同，在外把手处于初始状态时，过D点平行于拉钩平面做一平面，并在平面上任意取3点α、β、ɤ，随着外把手的开启动作，3点平面也随之运动，3点平面和D点围绕EF以固定的旋转半径运动的轨迹的交点就是新的D点，这个D点的计算比较复杂，也非常关键。

1.2 平衡块结构受力分析

1.2.1 D点围绕EF旋转的力矩，与受来自D点把手的作用力矩，形成一对平衡力矩。对外把手来说：其把手有效惯性力矩作用在D点，其方向是过D点且垂直于DAB平面，其大小可通过有效碰撞力矩和D点到直线AB的距离求得。对于平衡块来说，来自把手的力需要转化为推动D点围绕EF旋转的有效力，其力的大小与平面DAB向量和平面DEF向量相关，其有效力的方向垂直于DEF平面，其力臂是D点到直线EF的距离。

1.2.2 G是平衡块的质量中心，平衡块受侧碰撞产生的惯性力，其方向是过G点且垂直于X-Z平面方向，作用在EF上的有效力矩大小与X-Z平面向量及EF直线向量有关；平衡块的重力臂是G和G0两点Y坐标值之差，平衡块的重力矩作用在EF旋转轴上的有效转矩与X-Z平面向量及EF直线向量有关。

1.2.3 H是外开拉杆的重力和惯性力作用点，其中外开拉杆受侧碰撞产生的惯性力有一半作用在此点，其方向是过H点且垂直于X-Z平面方向，作用在EF上的有效力矩大小与X-Z平面向量及EF直线向量有关；外开拉杆的重力臂是H和H0两点Y坐标值之差，外开拉杆的重力矩作用在EF旋转轴上的有效转矩与X-Z平面向量及EF直线向量有关。

1.3 开启锁外开臂的力F受力分析

平衡块上产生的所有力矩之和，最终形成通过H点对外开拉杆施加开启锁外开臂的力F0，这个力方向平行于Z轴，力臂是H和H0两点Y坐标值之差。

1.4 以上是外开把手开启过程的受力和各旋转系力矩分析，根据分析建立计算式。（计算公式：略）

计算综合

当碰撞来自本侧门，加速度为负值

本侧门碰撞力矩矢量和：

A2：D围绕EF旋转产生的有效力矩；

A3：平衡块重力矩；

A4：平衡块惯性矩；

A5：外开拉杆重力矩；

A6：平衡块惯性力矩；

A7：扭簧扭矩；

L7：外开拉杆的力臂；

当碰撞来自本侧门，加速度为正值

对侧门碰撞力矩矢量和：

A3：平衡块重力矩；

A4：平衡块惯性矩；

A5：外开拉杆重力矩；

A6：平衡块惯性力矩；

A7：扭簧扭矩；

L7：外开拉杆的力臂；

平衡块上产生的所有力矩矢量之和，通过H点对外开拉杆施加开启锁外开臂的力F0，这个力方向平行于Z轴，L7是力臂，即：H和H0两点Y坐标值之差。所获得的计算结果F0是判定在碰撞过程是否会主动打开车门的依据。

2、外开把手在正常状态下的开启力计算

门锁外开拉杆向下运动时开锁，在把手开启过程中设置前空行程，即最初的开启阶段，此阶段锁外开拉杆随着外把手的开启产生移动，并不需要开启力的传递。设外把手开启行程为6°，一般前空行程设计为2°，此时开启力主要是扭簧力矩的反力矩和零件的重力矩引起的，整个开启过程的拉杆向下开锁力为F0。

得出开启行程［0°，2°］时，F0=0，开启行程（2°，6°］时，F0=10N

L2：D点距把手转轴距离；

L3：D点距平衡块转轴距离；

L：操作点距把手转轴距离；

3、外开把手的碰撞计算

3.1 计算载体

采用办公软件“Microsoft Office Excel 2003”表格自带的函数和计算功能进行外开把手的碰撞计算，计算方式是在单一方案的布置计算的基础上编制的，并在给定范围和条件下，实现将单一布置方案扩展至无穷布置方案。利用特定编制的“宏”文件，该“宏”文件可以将在无穷方案中，对照输入的条件和要求，对方案逐个进行计算，最终选择出符合目标要求的最优方案。

3.2 计算输入

如图2，共需要输入11个点的坐标和7个外开把手特征参数，其中部分数值同时作为优化对象（计算输入的任意数值都可以作为优化对象）。这些被作为优化对象的数据在优化计算对应区域输入，当优化计算时读取优化后的数据并及时计算对应方案的其他数值，特定的计算结果还能给优化计算反馈，获得目标比较信息。

3.3 单个方案的计算输出

如图3，计算输出是基于单个设计方案在受到本侧门碰撞和对侧门碰撞两种情况下外把手和平衡块设计旋转角度下各个运动状态下的位置信息和受力状态。由于外开把手工作的特殊性，不能就其在某一个位置的受力情况做出是否符合碰撞要求的判定，必须对其全过程进行计算才能进行最终判定，图中只是过程计算的一部分，其余部分隐藏。计算输入全部依据11个点坐标和7个外开把手特征参数。图中所列的是本侧门在受到-65g的碰撞加速度和对侧门在受到65g的碰撞加速度下，平衡块对拉杆向下开锁推力，此值大于10N时计算单元格将提示红色，虽然本侧门在受到-65g的碰撞加速度时外把手开启到3°以后均不合格，但实际上本侧门在这样的碰撞速度下是安全的，不会导致外把手主动开启侧门，因为外把手还没有开启转动。0°位置受力表明，此位置不但没有向下推力，反而存在向上23.1N反作用力，表明动作不再继续进行。

对侧门在受到65g的碰撞加速度下，瞬间平衡块就向开启方向24°（对应外把手开启为1.7°，实际上在对侧门碰撞时外把手不会向外侧开启）当平衡块继续向开启方向偏转时将存在反作用力。也就是说平衡块将不再继续移动。门锁和外把手开启过程行程设计为：当外开把手开启到三分之二处时，锁机构完全开启。对照该行程计算，对应外把手开启为2.8°时平衡块向下推力为零，已经失去推动开启锁机构摆臂运动的能力，虽然此时平衡块已经推动开启锁机构摆臂运转并使棘爪运转10°，但距离锁机构完全开启瞬间棘爪运转25°的条件还相差较远，据此可以得出在此处不会导致主动开启车门（文中数值来源于图3、4中对应数值）。

把手正常开启力计算是设计布置的另一个重要控制点，本计算对把手正常开启力提出要求并通过设计布置和计算解决。通过计算可获得开启过程中的把手开启力，对比目标值，保证结果符合目标值的要求。

3.4 方案优化计算

方案优化计算是利用Excel中集成的VBA模块功能进行计算。按照设计者的需求确定特定元素的搜索范围和密集程度，并确定特定控制对象，以此在无穷方案中自动找出最接近设计要求的方案，见图4。

具体操作：将碰撞加速度一栏设置为65g（计算系统自动识别为，来自本侧门的碰撞为-65g，来自对侧门的碰撞为65g）；在设置的A、E坐标基本值对应的基本值附近定义搜索范围为±5，增量为0.1（即该点在设置的坐标±5范围，每个0.1生成一个新的坐标带入系统计算）；扭簧扭矩基本值350的搜索范围设置为±150，增量为1（即该点在设置的坐标±150范围，每个1生成一个新的扭矩值带入系统计算），系统便自动将所有符合设定范围的方案，按照一定顺序排列。在比较区域选择需要读取并进行比较的对象，表中选择“把手最小开启力”、“把手最大开启力”[4]，目标值一栏输入其对应的目标值“16”、“45”，对应的实际值是从单个方案计算中调取的对应值，偏离系数对应栏写入需要表达的计算公式，如需要考核其最大值，则把手最大开启力偏离系数计算公式：

Fa：代表把手适时开启力，该值及时从对应计算方案中调取；

Fb：代表把手最大开启力对应的目标值

根据需要综合偏离系数还可以使用以下公式：

ξn：代表具体考核对象的偏离系数；

图4中对应“533239861”一栏是上述范围内总的方案数，即将单个方案扩展至无穷的计算过程，此值的大小是根据设计师要求搜索的目标个数以及每个目标的搜索范围、搜索密度决定的。通过编制的“宏”，将总方案数中各方案连续起来按一定要求进行计算。此处的“宏”主要表达内容是：按照总方案数的排序，并从第一个方案开始计算；计算的结果显示在第八行对应位置；将第八行全部复制并“选择性粘贴”到第十一行；再进行第二方案的计算，需要比较偏离系数，若本方案的偏离系数大于上一个方案的偏离系数，则再进行第三个方案；若本方案的偏离系数小于上一个方案的偏离系数，则将第八行全部复制并“选择性粘贴”到第十一行；再进行第三方案的计算……直至计算到最后一个方案后退出。在计算过程中对应方案计算结果及时通过图形曲线表达出来，设计师可以准确了解整全部方案的符合性概况。在计算结束后，第十一行对应的值就是最接近目标方案的优选值，读取这个 “最接近目标方案”的自动优化具体数据，就同时显示出 “最接近目标方案” 图形曲线。

方案优化过程就是通过单个方案的计算，结合Excel强大的计算能力，将单个方案扩展至“无穷”，并在“无穷”方案中，按照特定目标要求选择最接近目标的方案，它大大降低了计算和分析劳动强度，且快捷准确。

图4左下角曲线图说明：开启把手操作力符合设计目标要求；本侧门的碰撞开启力不至于主动开启侧门；对侧门的碰撞开启力也不至于主动开启侧门。具体说明见本文“3.3单个方案的计算输出”。

3.5 方案优化延伸分析

利用开发的连续自动运算式，分步进行以下操作，获得所需曲线的变化规律：通过自动计算获得连续变化的曲线。下列图分别是从单个搜索计算过程若干截图中选取的“起始”、“中间”、“结尾”三张图片进行分析，设计师可以直观设计改进的方向。

3.5.1 改变A点X坐标曲线变化趋势：A点是外把手旋转轴下端点，修改其X坐标曲线无明显变化。

3.5.2 改变A点Y坐标曲线变化趋势：A点是外把手旋转轴下端点，修改其Y坐标曲线有变化。内倾越大，越不利于来自本侧门的碰撞，对来自对侧门的碰撞几乎无影响，把手开启力最大值略有增加，而最小值在减小。

3.5.3 改变E点Y坐标曲线变化趋势：E点是平衡块旋转轴左端点，修改其Y坐标曲线有明显变化。

Y值越小，越有利于本侧门碰撞，但不利于对侧门碰撞。

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

刘美丽，车身设计主管工程师，就职于江淮汽车技术中心。