车门把手耐碰撞能力的设计分析与应用

杜保华，丁光学

车门把手耐碰撞能力的设计分析与应用

杜保华，丁光学

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

通过建立汽车侧门把手及侧门锁系统数学模型，将侧门把手耐碰撞的力学分析通过计算公式进行表达，然后将计算公式列入计算模块，通过计算模块可以快速准确的找到耐侧碰分析的最优设计。通过模块计算，可使方案设计更准确、更高效，减小了侧门耐碰撞设计的复杂性，使得设计计算和设计校核过程变得更简便快捷。

汽车侧门；数学模型；计算公式；计算模块；应用

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-120-04

引言

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下可能主动开启侧门，导致乘员被抛出车外的灾难后果。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，如何保证侧门在侧面碰撞变形的情况下避免钣金变形引起外开把手驱动外开锁杆开启侧门锁机构，是设计和开发工作重点。

因此，如何建立一种快捷、通用的侧门外开把手耐碰撞能力设计分析方法？如何固化这种方法并推广应用？是本文研究的对象，见图1所示。

图1 侧碰撞过程示意图

1 基于侧门把手耐碰撞的力学分析

1.1 建立侧门把手及侧门锁系统数据模型

见图2所示[1]。

定义锁机构外开启臂旋转轴MN，外开锁杆上J点在特定轨迹上运动，该轨迹一段为直线为了解决空行程设置，另一段为外开启臂沿旋转轴MN转动的圆弧，是锁机构外开启臂开启过程轨迹；

图2 外开把手和锁机构结构示意图

定义平衡块旋转轴EF，平衡块上任意点围绕该轴作空间旋转运动；

定义外开把手旋转轴AB，外开把手上任意点围绕该轴作空间旋转运动。

外开把手拉钩是平衡块球头滑动平面，偏置该平面至过平衡块球头的球心，构成一个新的平面，在该平面上任选三点构成平面方程，当外开把手开启θ角度，由任选三点围绕AB旋转至新位置，其新的平面方程为：

平衡块球头球心D点始终在偏置平面上，这是外开把手和平衡块运动联系点，且随外开把手转动不断变化。

平衡块转动推动外开锁杆下行，外开锁杆上J点在特定轨迹上运动，在平衡块转动的初始角度范围内J点沿一段直线运动（即当平衡块旋转角θ小于某个角度时，该角度可以通过计算获得，开启臂转动角度ω为0），此时不能推动锁机构外开启臂转动，其目的是保持锁机构外开启臂与外开锁杆存在一段空行程；当外开锁杆继续下行进入锁机构外开启臂旋转轨迹时，外开锁杆上J点推动锁机构外开启臂旋转。

1.2 建立外开把手与平衡块及外开启臂的转动关系计算

由定义的平衡块旋转轴EF，获得E、F两点的连线的直线向量{n1}，当外开把手旋转轴旋转θ时，计算偏置平面的平面方程，利用平衡块球头的球心D点轨迹与偏置平面的平面方程，可求出D点的具体坐标值，进一步计算出D点围绕旋转轴EF所转动角度φ，由此计算出平衡块旋转角θ外开把手旋转动角度φ之间的函数关系式。另外，HJ的长度一定，随着H点围绕旋转轴EF所转动角度φ，计算出Hφ点坐标，根据HφJ可能所在的球面范围，将其与J点在特定的运动轨迹连解，及求出Jφ点坐标。进一步计算出J点围绕旋转轴MN所转动角度ω，其计算关系式：

1.3 锁机构的开启条件的设置

锁机构本身的耐碰撞能力不在本文研究的范围，见图3所示，棘爪机构的一端与锁舌接触，并阻止锁舌顺时针转动从而保证锁舌与锁扣的锁合状态。由于侧门胶条作用力存在，锁舌与棘爪机构接触点以及锁舌与锁扣接触点均存在一定压力，侧门胶条作用力越大该压力也越大。当开启时，开启臂一端来自外开锁杆的向下推力，将力矩传递给另一端推动推杆上行，推杆上行推动棘爪机构顺时针转动。当来自外开锁杆的向下推力达到一定力值时，克服棘爪机构回位扭簧的扭力和锁舌挤压棘爪机构所产生的静摩擦阻力，棘爪机构顺时针转动，锁舌挣脱棘爪机构的束缚迅速顺时针转动，进一步滑脱锁扣的束缚——锁机构开启。

图3 锁机构主要结构示意图

针对不同的锁机构和不同的侧门胶条作用力，引起锁机构开启的锁杆向下推力F13均不同，一般锁机构供应商均在图纸上提供具体数值。

1.4 外开锁杆的受力分析及计算关系

见图4所示。

外开锁杆受自身重力F24，等效至J点；受碰撞惯性力F23，作用到平衡块J点；受平衡块向下推力F22，等效至J点；

满足锁机构不开启的条件：

图4 锁杆结构示意图

1.5 平衡块受力分析及计算关系

图5 平衡块结构及局部受力分析示意图

见图5所示。平衡块受自身重力，围绕EF产生的旋转力矩A31；受碰撞惯性力，围绕EF产生的旋转力矩A32；受外开锁杆的惯性推力，围绕EF产生的旋转力矩A33；受外开把手的推力，围绕EF产生的旋转力矩A34；推动外开锁杆下行的推力，围绕EF产生的旋转力矩A35；受扭簧的转动扭矩N1，满足平衡块平衡的条件：

设碰撞加速度的向量n碰，(碰撞加速度方向若平行于Y轴，则：n碰={0, 1, 0})

重力加速度的向量n重，n重={1, 0, 0}

直线EF的向量nef，nef={(Xe-Xf), (Ye-Yf), (Ze-Zf)}

平衡块质量m2

碰撞加速度n*g

外开锁杆质量m1

F21= m1*n*g* (Zi-Zj)/(Zh-Zj)

F21的方向线与EF的夹角λ1：

F22的方向线与EF的夹角λ2：

直线H0H的向量nh0h，nh0h={(Xh-Xh0), (Yh-Yh0), (Zh-Zh0)}

通过F21在平面π1上投影点，计算其投影线的向量n21

则：H0H与F21在π1上投影线夹角为λ3

F21在平面π1有效力臂：

同理可以计算A31、A32、A34、A35

1.6 外开把手的受力分析及计算关系

图6 平衡块结构示意图

见图6所示。外开把手受自身重力，围绕AB产生的有效旋转力矩A41；受碰撞惯性力，围绕AB产生的有效旋转力矩A42；受平衡块球头的阻止力，围绕AB产生的旋转力矩A43；满足平衡块平衡的条件：

参照1.5中的计算方法计算各有效力矩。

2 将计算式列入计算模块

将涉及设计的参数录入计算输入区域，见图7。其中包含方案的设计目标值，用于后期优化时与方案计算获得的实际值进行比对。根据侧碰撞实验情况[2][3]，侧门把手耐碰撞加速度应大于65g。平衡块复位扭簧，不仅起到复位作用，同时也是提高耐碰撞能力，改善操作手感的作用。

图7 计算输入内容

3 计算和优化过程

图8 计算内容示意图

见图8中通过上述数学模型和受力分析，将所列内容转化为实际计算式，将数学模型利用其计算关系完整的连接起来[4]。兼顾：把手正常开启力计算；来自本侧门的碰撞开启力计算；来自对侧门的碰撞开启力计算，还需要涉及侧门把手上防撞机构的作用。

图9 优化内容示意图

计算方案通常是完成单一方案的计算，若所计算的方案不符合设计要求，则需要通过修改设计布置来修订方案，在本计算方案中提高侧门锁机构耐碰撞能力主要有以下几个方面：

（1）改变平衡块的质量及质量中心；

（2）改变平衡块复位弹簧的扭矩；

（3）改善平衡块的旋转轴布置；

（4）改善把手柄的旋转轴布置；

（5）改善把手柄的质量及质量中心；

（6）改善锁机构和把手总成安装位置。

基于上述内容可以将其最关键要素作为优化对象，让其在初步设计预置数据的附近一定区域内计算优化，每个优化方案均获得一个方案的关于目标值差距(偏离系数)的结果[4]，选择差距最小的方案作为最优方案，完成方案的自动优化过程。见图9。

4 结论

车门把手耐碰撞能力的设计计算，将复杂的工程计算，利用数学模型将其方案形成一个计算整体，不仅大大降低设计者劳动强度、快捷的完成车门把手耐碰撞能力的计算和校核，而且使设计计算和验证更准确、更科学，因此值得汽车设计师们借鉴。

[1] 金云光.丁光学.朱伟,车门锁系统耐惯性性能设计与计算解析[J].汽车实用技术,2017.03期(8)∶123-126.

[2] GB 7285-2012.机动车安全运行技术条件[S].

[3] GB20071-2006汽车侧面碰撞的乘员保护[S]

[4] 丁光学.郑文平.刘美丽.吕龙,一种新的汽车侧门外掀式开启把手程序化设计方法[S].新材料新技术,2016.第5期29-32.

The design analysis and application of door handle anti-collision capability

Du Baohua, Ding Guangxue
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

Through the establishment of automobile door handles and door lock system mathematical model, the side door handles anti-collision mechanics analysis is expressed through calculation formula, and then with the formulas, the calculation module can find resistance to lateral touch analysis of optimal design rapidly and exactly. By means of module calculation, the scheme design can be more accurate and more efficient, which reduces the complexity of the design of the side door anti-collision and makes the design calculation and the design check process easier and faster.

automobile door; mathematical model; calculation formula; calculation model; application

U467

A

1671-7988 (2017)16-120-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.042

杜保华，内外饰设计工程师，就职于安徽江淮汽车技术中心。