汪祥 賀占魁 李濤

（泛亞汽車技術(shù)中心）

汽車鎖是汽車門蓋系統(tǒng)中和行車安全相關(guān)的重要功能件，它是集功能性、安全性和裝飾性于一體的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。其功能旨在保證客戶和乘客在用車過程中人身和財(cái)產(chǎn)的安全。汽車鎖鎖緊機(jī)構(gòu)是汽車鎖實(shí)現(xiàn)上述功能的核心機(jī)構(gòu)[1-2]。汽車鎖的鎖緊機(jī)構(gòu)有卡板式、齒輪齒條式和鉤簧式3 種結(jié)構(gòu)。其中卡板式結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最為廣泛的汽車鎖鎖緊機(jī)構(gòu)，主要由棘輪、棘爪、棘輪鉚釘、棘爪鉚釘、棘輪復(fù)位彈簧、棘爪復(fù)位彈簧和底板組成，有承壓式和抗拉式2 種形式。它是通過棘輪和棘爪的相互嚙合來實(shí)現(xiàn)鎖止的。文章以承壓式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對卡板式鎖緊機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行深入的分析，給出了鎖緊機(jī)構(gòu)各參數(shù)和鎖體性能之間的關(guān)系，為卡板式汽車鎖體鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 汽車鎖的性能要求

關(guān)于鎖的性能要求在GB 11568《汽車罩（蓋）鎖系統(tǒng)》和GB 15086《汽車門鎖以及車門保持件的性能要求和實(shí)驗(yàn)方法》中有詳細(xì)的說明。文章根據(jù)上述國標(biāo)要求，結(jié)合某單位的技術(shù)規(guī)范，總結(jié)了汽車門蓋鎖系統(tǒng)的4 項(xiàng)性能要求：1）有合適的上鎖力。上鎖力過大，門蓋系統(tǒng)關(guān)閉困難；上鎖力過小，鎖系統(tǒng)可靠性低。2）能可靠地將門蓋系統(tǒng)保持在鎖止位置，在任何工況下不能自動打開，能克服一定的慣性載荷。3）有合適的開啟力。開啟力過大，客戶操作困難；開啟力過小，鎖系統(tǒng)可靠性低。4）在整個(gè)生命周期，都要具有上述功能。

2 鎖緊機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)

卡板式鎖緊機(jī)構(gòu)是應(yīng)用棘輪棘爪機(jī)構(gòu)單向傳動的特性，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和鎖止的[2]。按照鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖止和開啟順序，汽車鎖鎖緊機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)分為開啟、上鎖、鎖止和解鎖4 個(gè)狀態(tài)[3]，如圖1所示。

圖1a所示的卡板式鎖緊機(jī)構(gòu)的開啟狀態(tài)，當(dāng)關(guān)閉門蓋系統(tǒng)時(shí)，鎖扣會向上運(yùn)動（圖1a所示），推動棘輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，從而推開棘爪，并克服由棘輪復(fù)位彈簧產(chǎn)生的力矩；當(dāng)棘輪轉(zhuǎn)動到圖1b所示的開始鎖止位置時(shí)，棘爪在棘爪彈簧的推動下，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，鎖向棘輪齒槽；圖1c所示的鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖止?fàn)顟B(tài)，在棘輪彈簧和棘爪彈簧的作用下，棘輪和棘爪完全嚙合在一起并形成嚙合面。此時(shí)在門蓋系統(tǒng)密封力的作用下，鎖扣會向下拉棘輪，使得棘輪壓緊棘爪，并在嚙合面上產(chǎn)生壓緊力（正壓力），完成鎖止；在圖 1d 中，在解鎖力（F）的作用下，棘爪克服系統(tǒng)的摩擦力和棘爪彈簧的阻力順時(shí)針轉(zhuǎn)動，當(dāng)棘爪轉(zhuǎn)動到開始解鎖位時(shí)，棘輪在棘輪彈簧的推動下，順時(shí)針轉(zhuǎn)動到圖1a所示的開啟狀態(tài)，這就完成整個(gè)鎖止和開啟的過程。

3 鎖緊機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析

3.1 上鎖過程力學(xué)分析

汽車鎖系統(tǒng)需要有合適的上鎖力。一般說來，評價(jià)上鎖力的量化指標(biāo)是最小靜態(tài)鎖止力。最小靜態(tài)鎖止力是指鎖扣勻速的將棘輪推到開始鎖止位置時(shí)需要的最小力。所以在開始鎖止位置對棘輪進(jìn)行受力分析，如圖2所示，由力矩平衡可知：

式中：FSmin——最小的靜態(tài)鎖止力，N；

n——FSmin對轉(zhuǎn)動中心的力臂，mm；

MFS——棘輪彈簧的復(fù)位扭矩，N·mm；

k——棘輪彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)；

α——棘輪的轉(zhuǎn)動角度，（°）；

Mf——棘輪和棘輪鉚釘之間的摩擦扭矩，N·mm。

由于Mf很?。ㄒ话阋笮∮?0 N·mm），在此忽略不考慮。故：

由式（1）可知，當(dāng)棘輪轉(zhuǎn)動中心和鎖扣鎖止位置確定后，n 為定值，F(xiàn)Smin隨著k 和α 的增大而增大。當(dāng)FSmin很大時(shí)，鎖扣需要提供一個(gè)很大的力才能將棘輪推到上鎖位置，這將造成鎖體上鎖困難。當(dāng)然，棘輪彈簧的復(fù)位力也不能過小，否則將無法克服棘輪的轉(zhuǎn)動阻力。在設(shè)計(jì)棘輪彈簧時(shí)，要根據(jù)棘輪轉(zhuǎn)動的角度、系統(tǒng)的摩擦力矩和最小靜態(tài)鎖止力的要求來選擇合適的倔強(qiáng)系數(shù)。

3.2 鎖止位置力學(xué)分析

當(dāng)鎖緊結(jié)構(gòu)在鎖止位置時(shí)，在棘輪彈簧的作用下，棘輪會在嚙合面上對棘爪施加一個(gè)正壓力。在棘爪嚙合面設(shè)計(jì)時(shí)，為了改善鎖緊機(jī)構(gòu)的性能，往往采用偏心設(shè)計(jì)。即棘爪轉(zhuǎn)動中心和嚙合面中心不重合，此時(shí)正壓力不過轉(zhuǎn)動中心，正壓力對轉(zhuǎn)動中心會形成一個(gè)轉(zhuǎn)動力矩，從而影響鎖緊機(jī)構(gòu)的性能。圖3 示出汽車鎖棘爪嚙合面中心位置示意圖。以嚙合點(diǎn)和轉(zhuǎn)動中心點(diǎn)的連線為分界線，可以將偏心設(shè)計(jì)分為3 種：嚙合面中心在分界線左側(cè)（圖3所示A 區(qū)）、嚙合面中心在分界線右側(cè)（圖3所示B 區(qū)）和嚙合面中心在分界線上。下面對這3 種設(shè)計(jì)進(jìn)行具體的分析。

3.2.1 嚙合面中心在分界線左側(cè)

當(dāng)嚙合面中心在分界線左側(cè)時(shí)，棘爪受力圖（不考慮轉(zhuǎn)動軸處的摩擦扭矩），如圖4所示。此時(shí)棘輪和棘爪沒有相對運(yùn)動趨勢，所以在嚙合面上只存在正壓力，而沒有摩擦力。

由力矩平衡有：

式中：MDS——復(fù)位彈簧的力矩，N·mm；

N——棘輪對棘爪的正壓力，N；

S——嚙合點(diǎn)到轉(zhuǎn)動中心的距離，mm；

θ——正壓力方向和分界線的夾角，（°），衡量嚙合面偏心的程度，θ 越大，表明嚙合面偏心的越厲害；

FH——鎖止?fàn)顟B(tài)下棘爪限位處施加給棘爪的力，N；

d——對轉(zhuǎn)動中心的力臂，mm。

棘輪受力圖，如圖5所示（不考慮轉(zhuǎn)動軸處的摩擦力），由力矩平衡有：

式中：N′——棘輪對棘爪正壓力的反力，N′=N，N；

t2——N′到轉(zhuǎn)動中心的力臂，mm；

FSeal——鎖止?fàn)顟B(tài)下門蓋系統(tǒng)給鎖緊機(jī)構(gòu)施加的密封力，N；

t1——FSeal對轉(zhuǎn)動中心的力臂，mm。

將式（2）代入（3），得：

由式（4）可知，隨著 FSeal的增大，F(xiàn)H也會增大，棘爪被鎖的更緊。也就是說，當(dāng)嚙合面中心偏在分界線左側(cè)時(shí)，N 會使得棘爪有一個(gè)向鎖緊方向轉(zhuǎn)動的趨勢，棘爪會自鎖。

3.2.2 嚙合面中心在分界線右側(cè)

圖6 示出當(dāng)嚙合面中心在分界線右側(cè)時(shí)，棘爪的受力圖（不考慮轉(zhuǎn)動軸處的摩擦扭矩）。

由圖6 可知，棘輪對棘爪的正壓力形成了一個(gè)解鎖方向的力矩（Mpress/N·mm）。當(dāng) Mpress＜MDS時(shí)，棘爪和棘輪之間沒有相對運(yùn)動，此時(shí)嚙合面上沒有摩擦力存在。由力矩平衡有：

式中：FH——棘爪限位處的限位力，N。

當(dāng)Mpress＞MDS時(shí)，棘爪將有一個(gè)向解鎖方向運(yùn)動的趨勢，此時(shí)，F(xiàn)H為0，棘輪和棘爪之間有相對運(yùn)動的趨勢，嚙合面上有靜摩擦力產(chǎn)生。所以有：

式中：Ff——嚙合面上的摩擦力，N。

當(dāng)Ff＜最大靜摩擦力時(shí)，棘爪相對于棘輪只有相對運(yùn)動趨勢，此時(shí)，嚙合面上只有靜摩擦力；當(dāng)Ff＞最大靜摩擦力時(shí)，棘爪相對于棘輪有相對運(yùn)動，此時(shí)嚙合面上會有動摩擦力產(chǎn)生。

棘輪受力圖，如圖6所示（不考慮轉(zhuǎn)動軸處的摩擦力），式（3）依然成立。將式（5）代入式（3），得：

因 MDS，MFS，d，t1，t2，S 都是鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)確認(rèn)后為定值，而FH隨著FSeal的增加而減小，所以當(dāng)FH=0 時(shí)，可得到棘輪與棘爪之間產(chǎn)生相對運(yùn)動趨勢的臨界密封力：

棘輪與棘爪之間由相對運(yùn)動趨勢變?yōu)橄鄬\(yùn)動的臨界密封力為：

由式（8）和（9）可以得到圖7所示的曲線。

由圖8 可知，當(dāng) sin θ-fcos θ=0 時(shí)，即可找到正壓力和分界線的臨界夾角θ0。

1）當(dāng) θ＜θ0時(shí)，F(xiàn)D_Seal_critical＜0，無論 FSeal為多大，嚙合面上只有靜摩擦力而不會產(chǎn)生動摩擦力，即棘輪與棘爪之間只會有相對運(yùn)動趨勢而不會發(fā)生相對運(yùn)動。棘爪不會在正壓力的作用下發(fā)生運(yùn)動。

2）當(dāng) θ＞θ0時(shí)，存在 3 種情況，即：

a.當(dāng) FSeal＜FS_Seal_critical時(shí)（密封力在圖中藍(lán)線下方），棘輪對棘爪的正壓力力矩還不能克服棘爪復(fù)位彈簧的力矩，棘輪和棘爪沒有相對運(yùn)動趨勢，嚙合面上沒有摩擦力；

b.當(dāng) FSeal滿足 FS_Seal_critical＜FSeal＜FD_Seal_critical時(shí)（密封力在圖中藍(lán)線和綠線之間），棘輪對棘爪的正壓力力矩能克服棘爪復(fù)位彈簧的力矩，棘輪和棘爪只有相對運(yùn)動趨勢，還沒有發(fā)生相對運(yùn)動，此時(shí)嚙合面上會產(chǎn)生靜摩擦力；

c.當(dāng) FSeal＞FD_Seal_critical時(shí)（即：密封力在圖中綠線上方），棘輪和棘爪之間發(fā)生相對運(yùn)動，棘爪在正壓力的作用下向解鎖方向運(yùn)動，此時(shí)鎖緊結(jié)構(gòu)存在自動解鎖的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 嚙合面中心在分界線上

當(dāng)嚙合面中心在分界線上時(shí)，棘爪的受力圖，如圖8所示，N 過棘爪的轉(zhuǎn)動中心，所以N 對轉(zhuǎn)動中心的力矩為0。在這種設(shè)計(jì)狀態(tài)下，正壓力對鎖緊結(jié)構(gòu)的鎖止和解鎖性能沒有影響。

3.3 解鎖過程力學(xué)分析

3.3.1 嚙合面中心在分界線左側(cè)

嚙合面中心在分界線左側(cè)時(shí)，解鎖過程中棘爪的受力，如圖9所示（不考慮轉(zhuǎn)動軸處的摩擦扭矩）。

由力矩平衡有：

式中：F——解鎖力，N；

l——解鎖力對轉(zhuǎn)動中心的力臂，mm；

f′——鎖止面上的靜態(tài)摩擦系數(shù)。

由式（10）可得，解鎖力和偏心角關(guān)系圖，如圖10所示。可知，隨著θ的增大，F(xiàn) 將迅速增大。

3.3.2 嚙合面中心在分界線右側(cè)

嚙合面中心在分界線右側(cè)時(shí)，解鎖過程中棘爪的受力，如圖11所示（不考慮轉(zhuǎn)動軸處的摩擦扭矩）。

由力矩平衡有：

由式（11）可得解鎖力和偏心角關(guān)系圖，如圖12所示。由圖12 可知，隨著θ的增大，F(xiàn) 將迅速減小。

3.3.3 嚙合面中心在分界線上

嚙合面中心在分界線上時(shí)，解鎖過程中棘爪的受力，如圖13所示（不考慮轉(zhuǎn)動軸處的摩擦扭矩）。

由圖13 可知，N 過轉(zhuǎn)動中心，所以N 對轉(zhuǎn)動中心的力矩為0，對解鎖力沒有影響。

4 結(jié)論

棘輪棘爪嚙合面的偏心設(shè)計(jì)和棘輪彈簧的性能直接影響汽車門鎖的鎖止性能和解鎖性能。從安全性和可靠性角度考慮，一般應(yīng)將鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為自鎖形式；當(dāng)不得不采用解鎖形式的結(jié)構(gòu)時(shí)，需要控制解鎖面的偏心角盡量小于臨界角，以免產(chǎn)生自解鎖風(fēng)險(xiǎn)。