汽车锁扣冲击试验台的设计

蔡建波

(贵州华阳汽车零部件有限公司，贵州 贵阳 550009)

0 引言

汽车锁扣分为车门锁扣、座椅锁扣等，锁扣的强度是关系到车辆整体安全性以及乘员安全的重要零件，为保证车辆在发生事故时，车门不会在事故过程中自行打开，并且在事故发生后，车门可以正常解锁，锁扣的结构强度是至关重要的因素。

目前相关标准没有对锁扣冲击强度进行规定，然而在交通事故中，碰撞所产生的冲击力往往是造成伤害的罪魁祸首。我公司作为汽车锁类零部件的专业生产厂家，为对产品的各类工况进行研究，同时在生产过程中抽检并剔除批次性不合格产品，设计了锁扣冲击试验台。

1 现有冲击试验设备

在验证材料的冲击性能时通常会用到摆锤式冲击试验机，其原理如图1。试验时将试样安放在试验机支座上，缺口朝向冲击相反方向并居中摆放(图1(b))。将具有一定重量的摆锤举至一定的高度H1，使其获得的重力势能减去摆锤冲断试样后在终止位置的势能，就是试样吸收的冲击功AK(不计空气阻力等能量损失)，其具体数值可直接从冲击试验机的表盘上读出J：

图1 摆锤式冲击试验台示意图

AK=mg(H1-H2)

(1)

用试样缺口底部的横截面积SN(cm2)除冲击吸收功AK即试样的冲击韧性值αK(J/cm2)[1]。αK是材料的抗冲击性能指标，主要用于特定条件下进行材料比较，一般不到具体零件上进行定量计算。综上，摆锤式冲击试验机更加适合材料冲击性能的研究，而这点也通过实际制作工装，将锁扣固定在摆锤式冲击试验机进行了试验验证：锁扣因其结构特点，相比同等截面积的同种材料试样吸收的冲击功要大得多，所以很难在用于材料冲击试验的摆锤式冲击试验机上进行锁扣的冲击试验。

2 锁扣冲击试验台的设计

2.1 锁扣冲击试验台原理

考虑到现有材料冲击试验用的摆锤式冲击试验机提供的冲击能量有限，不足以破坏锁扣，同时摆臂旋转半径较大，占用实验室空间大等原因，锁扣冲击试验台采用自由落体式重锤冲击的设计方案。将重锤上升到一定高度，释放重锤，使其自由落体后，重锤以一定的速度垂直冲击试件受力点，以此来验证锁扣产品的抗冲击性能。

试验过程中，将重锤提升到一定高度使其具有一定的重力势能，释放重锤，重力势能转化为动能，其物理模型为：

E势=E动+E损

(2)

E势=mgH

(3)

(4)

AK=E动+A剩

(5)

式中，E势为重力势能，E损为重锤下落过程中与导向柱摩擦及空气阻力的能力损耗，m为重锤的质量，g为重力加速度，H为重锤上升高度，v为撞击前瞬间速度，AK为冲击能量，A剩为冲击破坏试件后仍然剩余的动能。重锤下落过程中能量损失与撞击时的动能相比很小，可以忽略不计。

2.2 锁扣冲击试验台的设计与分析

由于汽车锁扣类产品没有冲击试验的先例，此次试验台的设计属于验证性的，设计应遵循结构简单、成本低廉、安全可靠的原则，同时设计还需要兼顾将来的升级与扩展。

汽车锁扣冲击试验台主要由框架、重锤、试件安装支架及支撑座、缓冲座、提升机构等组成。图2为结构示意图。

图2 锁扣冲击试验台结构示意图

2.2.1 高度及重锤质量的确定

图3 锁扣结构示意图

由于在车上的安装位置不同，汽车锁扣往往形态各异，尺寸也各不相同，通常是由高强度合金钢丝与高强度汽车结构钢板通过热铆或者冷铆组合后并进行热、表面处理而成，典型结构如图3所示。

通过由扣环材料的冲击韧性值与扣环横截面积相乘进行估算的结果，以及前期在摆臂式冲击试验台上试验验证的结果，破坏锁扣的冲击能量应大于400 J，但是由试验时扣环破坏程度估计，车门锁扣的破坏冲击能量应小于800 J，所以冲击试验台应能提供涵盖这个范围的冲击能量。

2.2.2 安装支架与支撑座的设计

汽车锁扣一般可分为车门锁扣、座椅锁扣，高度从30 mm至150 mm不等，为兼顾更多种类锁扣的测试，试件的安装支架需要可调以达到更好的通用性。在安装支架上设置安装刻度，是方便不同高度的锁扣安装的不错选择。

图4 试件支架及支撑座三维模型

由于冲击后的能量主要传递到支架及支撑座上，支架和支撑座应能保证冲击时的稳定性，并且经多次试验后不易损伤，所以设计时要考虑充分的强度裕度。本次试验台的支架采用45#钢进行整体铣削加工成型后进行淬火处理，使整体强度高于试件数倍。

2.2.3 冲头的设计

图5 锤头的三维模型

为了提高设备的利用率，本试验台配置的锤头可以应对不同的锁扣冲击试验。图5为锤头的三维模型。

锤头在冲击试验的过程中，与锁扣试件长期直接发生碰撞，冲击力非常大，容易产生变形。如果锤头下端面较软，很容易发生塑性变形，致使锤头与试件的接触面变化甚至与试件咬合，影响试验结果。又如果锤头的整体硬度较高时容易出现锤头脆裂。综上，我们在锤头下端部采用局部淬火的方式，使锤头端面有较高的硬度，同时锤头的芯部保留足够的韧性，以增加锤头的使用寿命。同时锤头设计成可以拆卸的部件，即使多次的冲击试验后，形变达到一定程度时，更换锤头即可。

为使锁扣在不同角度可以充分试验验证，需要锁扣能垂直和水平安装试验，所以在锤头端部设置一个55 mm的缺口，从而可以在锁扣水平安装时，锤头只接触扣环的一脚，可以对锁扣的每一脚进行单独考核。

3 锁扣试验台测试

为验证所设计的锁扣冲击试验台满足设计目标情况，针对选取一批生产合格的车门锁扣进行了试验验证。

3.1 试验过程

试验开始前，将锁扣试件以扣环水平位置固定到安装支架上预定位置固定点，调整支架在支撑座的位置，使其冲击点为锁扣啮合工作区。增减锤头增重块，使锤头达到预定重量，从20 kg开始试验。设置好安全保护措施，拉动重锤至预定高度，释放重锤冲击试件。

图6 锁扣冲击后的情况

每次冲击后，记录试验条件及结果情况，更换试件，重复上述试验过程。但每次试验后改变重锤的质量，重锤的质量由20 kg逐步增加至50 kg，为一组试验。一组试验后，将锁扣安装位置由水平位置变换为垂直位置，继续重复上一组试验过程。试件冲击后的情况如图6。

3.2 试验结果

按照上述试验过程，共冲击锁扣30次。部分试验结果如表1，试验后的锁扣试件如图7。

表1 试验结果统计

图7 部分试件锁扣

图8 试验后试验台主体部分照片

试验后对锁扣冲击试验台进行检查，锤头除正常使用摩擦痕迹，未见明显变形、开裂，支架、支撑座、导轨等均正常，试验台运行灵活，如图8所示，从而证明锁扣冲击试验台的设计达到预期目标。

4 结语

1)为全面研究汽车锁扣的性能，设计了锁扣冲击试验台，并通过实际试验验证了设计方案。

2)由于没有相应标准和先例参考，试验台存在不足和不完善的地方，虽达到验证目的，但存在冲击剩余能量无法计量、拉绳与定滑轮的抬升机构在冲击过程产生较大阻力等问题，将在更深入的研究和升级改造中加以改善。