金云光，丁光學(xué)，朱偉

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

淺談車門外把手開啟力的設(shè)計(jì)與計(jì)算

金云光，丁光學(xué)，朱偉

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章將終端主觀感受——車門開啟手感輕重，轉(zhuǎn)化成車門系統(tǒng)性能指標(biāo)——車門外把手開啟力；深入解析通過車門開把手開鎖的動(dòng)作過程和力學(xué)（力矩）傳遞，詳細(xì)闡述了車門外把手開啟力的計(jì)算原理和方法；建立了車門外把手開啟力的計(jì)算模型，在該計(jì)算模型中，可基于車門外把手開啟力的性能指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)正向設(shè)計(jì)。

車門外把手開啟力；力學(xué)傳遞；計(jì)算模型

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-10-03

引言

車門外把手是汽車車門一個(gè)重要的部件，為車門上使用頻次最多，用戶感受最多的一個(gè)部件。

終端用戶對(duì)車門外把手的感受包括視覺審美、操作方便性、力學(xué)手感等各個(gè)維度。

對(duì)車門外把手的設(shè)計(jì)，不僅保證車門外把手基本功能的實(shí)現(xiàn)，還要根據(jù)終端用戶對(duì)車門外把手的主觀感受需求進(jìn)行車門外把手的性能設(shè)計(jì)，其中車門外把手的開啟力是一項(xiàng)最基本的性能要求，針對(duì)車門外把手的使用特性，把手開啟力須在一定合理范圍內(nèi)，否則影響車門把手的使用手感。

對(duì)于車門外把手的布置、設(shè)計(jì)與計(jì)算，如何設(shè)定的車門外把手的參數(shù)，保證車門外把手上開啟力指標(biāo)的準(zhǔn)確高效地達(dá)成，成為車門外把手設(shè)計(jì)開發(fā)過程的一個(gè)重要的課題。

本文依據(jù)車門外把手開啟力性能要求、基于開啟過程的解析、建立了車門外把手開啟力計(jì)算模型，確保在設(shè)計(jì)階段、通過輸入?yún)?shù)變量、準(zhǔn)確高效地輸出其性能指標(biāo)。

1、車門外把手及鎖系統(tǒng)

車門鎖系統(tǒng)包括鎖體總成、鎖扣總成、內(nèi)外把手總成、鎖芯總成、門鎖聯(lián)動(dòng)裝置門鎖系統(tǒng)的工作過程，在解鎖止?fàn)顟B(tài)下，拉動(dòng)外把手（內(nèi)把手）拉手，通過拉桿（內(nèi)開拉索），帶動(dòng)鎖體外開搖臂，促使鎖體內(nèi)鎖舌轉(zhuǎn)動(dòng)以脫離鎖扣，完成車門的開啟。

圖1 車門鎖系統(tǒng)示意圖

2、性能要求

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/JQ 6113外把手的操作力為35N～75N；當(dāng)外把手總成安裝在車門或者工裝夾具上時(shí)，其邊緣處的操作力在10N-30N之間（未加載狀態(tài)下，測(cè)量位置模擬實(shí)際操作位置設(shè)定：60）。

3、原理解析

車門外把手主要包括把手手柄、把手基座，外把手基座上配有聯(lián)軸器，其包含配重塊、扭簧等。通過車門外把手開鎖過程為手動(dòng)拉動(dòng)車門外把手手柄、把手手柄繞其軸線A-B旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、通過手柄掛鉤拉動(dòng)把手基座聯(lián)軸器（D點(diǎn)為作用位置）、把手基座聯(lián)軸器繞其軸線E-F旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過聯(lián)軸器上外開拉桿安裝孔帶動(dòng)外開拉桿向下運(yùn)動(dòng)（H點(diǎn)為作用位置）、外開拉桿帶動(dòng)車門鎖體上的外開擺臂繞其軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)車門鎖體外開擺臂繞其軸線運(yùn)動(dòng)達(dá)到車門鎖體有效開啟行程，車門鎖體鎖扣嚙合則會(huì)開啟。

通過車門外把手開啟門鎖過程，其作用力的傳遞路徑為把手手柄-把手基座聯(lián)軸器-外開拉桿-車門鎖體外開擺臂；當(dāng)把手開啟力與上述作用反力達(dá)到力矩平衡，車門鎖體則會(huì)開啟。

圖2 車門外把手開啟過程示意圖

圖3 車門外開拉桿受力 平衡示意圖

（1）外開擺臂及外開拉桿受力分析

外開鎖桿自身重力，由于在下壓過程中，平衡塊不承擔(dān)支撐鎖桿重量，鎖桿重量全部傳遞到鎖機(jī)構(gòu)開啟臂的開啟點(diǎn)上。設(shè)定鎖桿重量為m3，其重力為m3g；

當(dāng)鎖機(jī)構(gòu)開啟臂開啟力達(dá)到一定值時(shí)，開啟臂突破鎖機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，鎖被開啟，以D-21鎖為例，該鎖翻轉(zhuǎn)角為θ=15.56 °開啟時(shí)的操作力約為10N。就是說，開啟時(shí)對(duì)該鎖施加的操作力逐漸增加到F1=10N時(shí)，鎖機(jī)構(gòu)將翻轉(zhuǎn)開啟。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)將以θ和F1作為基本開啟條件建立計(jì)算關(guān)系。

（2）平衡塊的受力分析

a外開拉桿作用反力力矩計(jì)算

平衡塊旋轉(zhuǎn)時(shí)，外開鎖桿對(duì)其的阻力為F2。

來自平衡塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向下壓力分析計(jì)算（平衡塊旋轉(zhuǎn)時(shí)，外開鎖桿對(duì)其的阻止力）：

HH1是過H點(diǎn)的鉛垂線，過H作直線EF的法平面π1交EF于H0，過H、E、F三點(diǎn)作平面π2，過H作平面π2法線HH2，HH2與HH1夾角α1；過H0作H0H3⊥H3H2，HH2與HH0夾角為α2。

圖4 聯(lián)軸器上外開拉桿作用力矩示意圖

圖5 聯(lián)軸器上平衡塊重力作用 力矩示意圖

H0H3是有效轉(zhuǎn)矩的力臂為：HH0*SINα2

外開拉桿對(duì)聯(lián)軸器的有效作用反力為：F2/CONα1

外開拉桿對(duì)把手基座聯(lián)軸器作用反力形成力矩為：

b配重塊重力力矩計(jì)算

GG1是過G點(diǎn)的鉛垂線，；過G作直線EF的法平面π3交EF于G0，GG2是GG1在該平面π3內(nèi)投影;過G0點(diǎn)作G0G3⊥GG2的于G3，G0G3為有效重力臂。GG3與G0G3之間夾角α4.

有效重力=m2*g*CONα3

有效重力臂G0G3=G0G*CONα4；

平衡塊自身重力產(chǎn)生的有效重力矩：

c聯(lián)軸器摩擦力矩

平衡塊旋轉(zhuǎn)時(shí)阻力矩在輸入時(shí)定義為A3，是一個(gè)具體值。

d聯(lián)軸器扭簧阻力力矩

扭簧的阻力矩定義為A4，它在工作過程中按一定規(guī)律變化，是一個(gè)規(guī)律變化值。

e把手手柄對(duì)聯(lián)軸器的有效作用力矩

D是平衡塊球頭球心；D在直線EF的投影D3，過D、E、F三點(diǎn)做平面π4，過D作π4的法線DD1，DD1則是把手柄推動(dòng)平衡塊旋轉(zhuǎn)的有效力臂方向，過D、A、B三點(diǎn)做平面π5，過D作平面π5的法線DD2，DD2是把手柄推動(dòng)平衡塊旋轉(zhuǎn)的有效力臂方向，DD0是把手柄旋轉(zhuǎn)的有效力臂，∠D1DD2=α9。

當(dāng)把手柄的旋轉(zhuǎn)作用力為F3時(shí)，則平衡塊獲得把手柄傳來的有效力矩：

（3）把手柄的受力分析

a車門外把手重力矩

CC1是過C點(diǎn)的鉛垂線；過C作直線AB的法平面π7交AB于C0，該平面方程由AB兩點(diǎn)向量及C點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算獲得，過C作A、B、C三點(diǎn)的法平面π8，過C作C2C垂直于π8，則C2C為把手柄重力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩有效力方向，∠CC1C2=α5。

CC1是把手柄重力方向，CC2是作用在以AB為旋轉(zhuǎn)軸上的有效旋轉(zhuǎn)力方向，C0C是有效旋轉(zhuǎn)力的力臂。C0C通過點(diǎn)C到直線AB距離求得。

圖6 外把手手柄上聯(lián)軸器作用力矩示意圖

圖7 車門外把手手柄開啟 力作用力矩示意圖

把手柄作用在以AB為旋轉(zhuǎn)軸上的有效重力矩：

內(nèi)傾是負(fù)值，外傾是正值。

b把手柄旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦阻力

把手柄旋轉(zhuǎn)時(shí)阻力矩在輸入時(shí)定義為A7，是一個(gè)具體值。

c作用在把手柄開啟力

過K作直線AB的法平面π9交AB于K0，該平面方程由直線AB的向量和D點(diǎn)坐標(biāo)求得，過A、B、K三點(diǎn)作平面π10，該平面方程由A、B、D點(diǎn)坐標(biāo)求得，過K點(diǎn)作直線KK1垂直于π10。

KK1是把手柄操作力方向。

KK0是把手柄操作力力臂。

當(dāng)把手柄開啟操作力為F0時(shí)，把手柄開啟力有效轉(zhuǎn)矩：

（1）綜合計(jì)算

車門把手手柄上的開啟力與傳遞路徑上的作用反力達(dá)成力矩平衡后，車門鎖體開啟。

4、計(jì)算模型建立

依據(jù)上述原理解析，輸入相應(yīng)的幾何尺寸參數(shù)、門鎖體的解鎖力、扭簧的扭矩、影響零部件重量、摩擦力矩，可精確地計(jì)算車門外把手的開啟力。

事實(shí)上，把手基座聯(lián)軸器和把手手柄的摩擦力矩很難準(zhǔn)確的獲取；原理解析中力臂的角度和作用力的角度對(duì)車門外把手開啟力影響比例較小；把手基座聯(lián)軸器、外開拉桿、把手手柄的重力對(duì)車門外把手開啟力的影響比例也較小。

圖8 車門外把手開啟力計(jì)算模型示意圖

一般情況，可根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果或相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用作用力傳遞效率替上述上述三個(gè)方面的因素（摩擦力矩、作用力及力臂角度和零部件重量），建立簡(jiǎn)化的外把手開啟力計(jì)算模型。

在該計(jì)算模型中，輸入相關(guān)的參數(shù)，例如車門鎖體的解鎖力、扭簧的扭矩、結(jié)構(gòu)幾何尺寸，便可輸出車門外把手的開啟力。在設(shè)計(jì)階段，可基于車門外把手開啟力的性能指標(biāo)對(duì)模型上幾何參數(shù)變量（結(jié)構(gòu)尺寸）和物理參數(shù)變量（解鎖力、彈簧扭矩等）進(jìn)行布置設(shè)計(jì)和設(shè)定，做到外把手開啟力性能的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的正向設(shè)計(jì)。

5、結(jié)束語

顧客購車欲望一定程度上來源于對(duì)車門系統(tǒng)的主觀感受，車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的一項(xiàng)主要工作為，量化成車門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，以車門系統(tǒng)性能指標(biāo)驅(qū)動(dòng)車門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)布置與零部件的設(shè)計(jì)，保證車門系統(tǒng)性能滿足市場(chǎng)顧客需求。

車門開啟手感輕重，是用戶使用感受中重要的一部分。本文將終端主觀感受——車門開啟手感輕重，轉(zhuǎn)化成車門系統(tǒng)性能指標(biāo)——車門外把手開啟力；深入解析通過車門開把手開鎖的動(dòng)作過程和力學(xué)（力矩）傳遞，詳細(xì)闡述了車門外把手開啟力的計(jì)算原理和方法；建立了車門外把手開啟力的計(jì)算模型，在該計(jì)算模型中，可基于車門外把手開啟力的性能指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)正向設(shè)計(jì)。

車門外把手開啟力驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化正向設(shè)計(jì)模型，將性能指標(biāo)（外把手開啟力）的開發(fā)工作真正提前到設(shè)計(jì)階段，具有廣泛的推廣意義。

[1] 黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版設(shè)計(jì).2007.

[2] 周旭坤.汽車門鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ).兵器工業(yè)出版設(shè)計(jì).2015.

[3] 林忠欽;汽車車身制造質(zhì)量控制技術(shù) [D]：出版社：機(jī)械工業(yè)出版社.

[4] GB5847-2004-T尺寸鏈計(jì)算方法.

The Design and calculation of release force for automobile outside Handel

Jin Yunguang, Ding Guangxue, Zhu Wei
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper, the feeling to unlock the door is translated the index-the release force of outside handle; the transfer of force and torque and procedure of outside handle is pointed, the calculation of release force is specified; the formula to calculate the release force of outside handle is established.

release force of outside handle; transfer of force and torque; formula to calculate

U467.3

A

1671-7988 (2017)05-10-03

金云光，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.004