李超帥,王新,林森,于波,李瑞生
(華晨汽車(chē)工程研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110141)
根據(jù)GB 20071-2006《汽車(chē)側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》以及歐盟法規(guī)ECE R95《關(guān)于車(chē)輛側(cè)面碰撞中乘員保護(hù)方面對(duì)車(chē)輛認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》的相關(guān)要求:側(cè)面碰撞試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)門(mén)不得開(kāi)啟[1]。同時(shí),在《中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程》中也規(guī)定,如果在側(cè)面碰撞中出現(xiàn)車(chē)門(mén)開(kāi)啟將被扣分,對(duì)于兩側(cè)的每一個(gè)車(chē)門(mén),若在碰撞過(guò)程中開(kāi)啟,則分別減去一分[2]。GB 15086-2013《汽車(chē)門(mén)鎖及車(chē)門(mén)保持件的性能要求和實(shí)驗(yàn)方法》中要求,鎖系統(tǒng)必須滿(mǎn)足球坐標(biāo)系內(nèi)30g的慣性力要求,并提供了一種將鎖系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)平面多連桿機(jī)構(gòu),利用力矩平衡原理進(jìn)行計(jì)算的方法[3]。
車(chē)輛在側(cè)面碰撞過(guò)程中,車(chē)門(mén)異常開(kāi)啟會(huì)極大地危害內(nèi)部乘員的人身安全。綜合車(chē)門(mén)異常開(kāi)啟的原因,可分為門(mén)鎖系統(tǒng)慣性力驅(qū)動(dòng)的失效模式、門(mén)鈑金變形驅(qū)動(dòng)外把手解鎖的失效模式以及門(mén)鈑金直接撞擊門(mén)鎖解鎖結(jié)構(gòu)導(dǎo)致解鎖的失效模式[4-5]。在車(chē)門(mén)外把手的設(shè)計(jì)過(guò)程中增加外把手平衡塊結(jié)構(gòu)是一種可有效避免因側(cè)碰慣性力導(dǎo)致車(chē)門(mén)異常開(kāi)啟的方法,但是,目前關(guān)于外把手平衡塊的設(shè)計(jì)理論不夠完善,問(wèn)題一旦出現(xiàn)往往需要通過(guò)側(cè)碰試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證調(diào)整來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),驗(yàn)證周期長(zhǎng)且試驗(yàn)成本高。外把手平衡塊的有效作用力矩設(shè)計(jì)過(guò)小起不到防止車(chē)門(mén)側(cè)碰過(guò)程中異常開(kāi)啟的作用,設(shè)計(jì)過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致車(chē)門(mén)在大力關(guān)門(mén)情況下無(wú)法關(guān)閉的問(wèn)題。
針對(duì)上述問(wèn)題,本文通過(guò)對(duì)車(chē)門(mén)鎖系統(tǒng)建立不同工況下的力學(xué)模型,推導(dǎo)得出一種車(chē)門(mén)外把手平衡塊設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,為車(chē)門(mén)外把手平衡塊的設(shè)計(jì)提供了理論支持。
在車(chē)輛受到側(cè)面撞擊的過(guò)程中,車(chē)門(mén)隨車(chē)身沿碰撞方向產(chǎn)生位移,在車(chē)輛碰撞側(cè)外把手由于慣性作用保持不動(dòng)的瞬間,相當(dāng)于拉動(dòng)外把手,產(chǎn)生開(kāi)啟車(chē)門(mén)的作用效果,當(dāng)外把手慣性力矩大到足以導(dǎo)致車(chē)門(mén)解鎖時(shí),車(chē)門(mén)則出現(xiàn)異常開(kāi)啟現(xiàn)象。由于外把手平衡塊與外把手手柄布置在外把手曲軸旋轉(zhuǎn)軸的兩側(cè),因此,外把手平衡塊慣性力矩與外把手本體慣性力矩方向相反,可有效避免車(chē)門(mén)因側(cè)碰慣性力矩的作用發(fā)生開(kāi)啟。以外把手平衡塊旋轉(zhuǎn)軸(即解鎖曲軸旋轉(zhuǎn)軸)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為研究對(duì)象,建立碰撞工況以及大力關(guān)門(mén)工況下門(mén)鎖系統(tǒng)的力學(xué)模型,其中側(cè)碰過(guò)程中車(chē)輛碰撞側(cè)門(mén)鎖系統(tǒng)的受力分析如圖1所示。
圖1 車(chē)輛碰撞側(cè)門(mén)鎖系統(tǒng)受力分析
圖1中1為車(chē)門(mén)外把手,2為外把手平衡塊,3為回位彈簧,4為解鎖拉桿,5為解鎖擺臂。側(cè)碰過(guò)程中,車(chē)門(mén)外把手1、把手平衡塊2以及解鎖拉桿4均產(chǎn)生與碰撞方向反向的慣性力,若平衡塊旋轉(zhuǎn)軸在側(cè)碰過(guò)程中不發(fā)生旋轉(zhuǎn),則車(chē)門(mén)不會(huì)因鎖系統(tǒng)慣性力因素開(kāi)啟,通過(guò)力矩平衡原理可得車(chē)輛碰撞側(cè)門(mén)鎖側(cè)碰無(wú)開(kāi)啟的條件為:
式中,F(xiàn)1為車(chē)門(mén)外把手的有效慣性力,F(xiàn)2為平衡塊的慣性力,F(xiàn)3為解鎖拉桿的有效慣性力,F(xiàn)4為鎖體的有效解鎖力,G為外把手平衡塊的重力,L1為F1以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂,L2為F2以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂,L3為F3與F4以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂,LG為外把手平衡塊重力G以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂,T為回位彈簧的回位扭矩。
通過(guò)公式(1)可得滿(mǎn)足車(chē)輛碰撞側(cè)車(chē)門(mén)側(cè)碰無(wú)開(kāi)啟條件的平衡塊慣性力值為:
將慣性力計(jì)算公式F=ma與重力計(jì)算公式G=mg帶入公式(1)可得平衡塊質(zhì)量m2為:
式(3)中 a1為側(cè)碰過(guò)程中車(chē)輛碰撞側(cè)門(mén)鎖系統(tǒng)各零部件的慣性加速度。
在車(chē)輛受到側(cè)面撞擊的過(guò)程中,非碰撞側(cè)車(chē)門(mén)同樣隨車(chē)身產(chǎn)生碰撞方向的位移,在車(chē)輛非碰撞側(cè)外把手平衡塊由于自身慣性力作用保持不動(dòng)的瞬間,其慣性力產(chǎn)生開(kāi)啟車(chē)門(mén)的力矩,當(dāng)此力矩大到足以導(dǎo)致車(chē)門(mén)解鎖時(shí),則車(chē)門(mén)出現(xiàn)異常開(kāi)啟現(xiàn)象,與車(chē)輛碰撞側(cè)的研究方法相同,以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)為研究對(duì)象,建立車(chē)輛非碰撞側(cè)門(mén)鎖系統(tǒng)受力分析如圖2所示。
圖2 車(chē)輛非碰撞側(cè)門(mén)鎖系統(tǒng)受力分析
如圖2所示,車(chē)輛非碰撞側(cè)車(chē)門(mén)外把手1、把手平衡塊2以及解鎖拉桿4產(chǎn)生與碰撞方向反向的慣性力,該側(cè)車(chē)門(mén)外把手1的慣性力與該側(cè)解鎖方向相反,不產(chǎn)生解鎖的作用。外把手平衡塊2慣性力F2’與解鎖拉桿4慣性力在該側(cè)則是解鎖方向的力,通過(guò)力矩平衡原理可得車(chē)輛非碰撞側(cè)車(chē)門(mén)側(cè)碰無(wú)開(kāi)啟的條件為:
式中 F2’為車(chē)輛非碰撞側(cè)的平衡塊慣性力,F(xiàn)3’為該側(cè)解鎖拉桿的有效慣性力。
通過(guò)公式(4)可得滿(mǎn)足車(chē)輛非碰撞側(cè)車(chē)門(mén)側(cè)碰無(wú)開(kāi)啟的平衡塊慣性力值為:
將慣性力計(jì)算公式F=ma與重力計(jì)算公式G=mg帶入公式(5)可得平衡塊質(zhì)量m2為:
式(6)中 a2為側(cè)碰過(guò)程中車(chē)輛非碰撞側(cè)門(mén)鎖系統(tǒng)各零部件的慣性加速度。
在關(guān)閉車(chē)門(mén)時(shí),車(chē)門(mén)由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)至接觸車(chē)身側(cè)圍停止的過(guò)程中,門(mén)鎖系統(tǒng)各零部件由于自身慣性作用仍保持車(chē)門(mén)關(guān)閉方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),因此產(chǎn)生解鎖方向的慣性力,若此力大于一定數(shù)值,會(huì)導(dǎo)致車(chē)門(mén)的開(kāi)啟,即導(dǎo)致車(chē)門(mén)關(guān)閉可靠性的降低。同樣以外把手平衡塊旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)為研究對(duì)象對(duì)此過(guò)程進(jìn)行受力分析如圖3所示。
圖3 門(mén)鎖系統(tǒng)關(guān)門(mén)可靠性模型受力分析
從圖3可以看出,關(guān)門(mén)過(guò)程中車(chē)門(mén)外把手1的慣性力不會(huì)產(chǎn)生外把手與車(chē)門(mén)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此外把手慣性力不產(chǎn)生解鎖的作用,外把手平衡塊慣性力 F2與解鎖拉桿慣性力 F3產(chǎn)生解鎖方向的力矩,是導(dǎo)致車(chē)門(mén)關(guān)閉失敗的因素,通過(guò)力矩平衡原理可得車(chē)門(mén)可關(guān)閉的條件為:
公式(7)與公式(4)比較分析可知,關(guān)門(mén)可靠性模型與側(cè)碰過(guò)程中車(chē)輛非碰撞側(cè)門(mén)鎖系統(tǒng)受力模型相同,可得滿(mǎn)足關(guān)門(mén)可靠性的外把手平衡塊質(zhì)量m2的計(jì)算公式為:
公式(8)中 a3為關(guān)門(mén)時(shí)車(chē)門(mén)由運(yùn)動(dòng)至停止過(guò)程中門(mén)鎖系統(tǒng)各零部件的加速度??蓪⑵胶鈮K質(zhì)量 m2上限值的計(jì)算公式(6)與公式(8)統(tǒng)一表示為:
車(chē)門(mén)外把手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為繞把手底座固定軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),其慣性力與所產(chǎn)生解鎖力的關(guān)系如圖4所示。
圖4 外把手慣性力轉(zhuǎn)換示意圖
如圖4所示,側(cè)碰過(guò)程中外把手所產(chǎn)生的慣性力為m1a(m1為外把手的質(zhì)量),該慣性力的作用點(diǎn)為外把手的重心位置,la1為該慣性力以外把手旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂,l1為外把手對(duì)解鎖曲軸作用力的力臂,即有效慣性力F1以外把手旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂,則外把手的有效慣性力 F1的計(jì)算公式為:
由上文分析可知,在車(chē)輛側(cè)碰過(guò)程中,解鎖拉桿的有效慣性力F3在車(chē)輛碰撞側(cè)產(chǎn)生阻礙解鎖的力矩,在車(chē)輛非碰撞側(cè)產(chǎn)生促使解鎖的力矩,二力的作用方向相反,但分解方式相同。同樣,在關(guān)門(mén)可靠性模型中,慣性力F3的分解方式也與碰撞模型一致,因此,以側(cè)碰過(guò)程中碰撞側(cè)解鎖拉桿慣性力的分解計(jì)算為例進(jìn)行分析,如圖5所示。
圖5 解鎖拉桿慣性力分解示意圖
如圖 5所示,側(cè)碰過(guò)程中解鎖拉桿所產(chǎn)生的慣性力為m3a(m3為解鎖拉桿的質(zhì)量),該慣性力的作用點(diǎn)為解鎖拉桿的重心位置,la3為該慣性力以拉桿鎖體端為旋轉(zhuǎn)軸的力臂,l3為解鎖拉桿兩端連接點(diǎn)的Z向高度,則慣性力m3a在外把手平衡塊與解鎖拉桿嚙合點(diǎn)的等效作用力為(m3a)’=(m3a×la3)/l3,該等效作用力以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸線1為旋轉(zhuǎn)軸,解鎖拉桿與曲軸嚙合點(diǎn)位置的切線方向的分力 F3,F(xiàn)3與(m3a)’的夾角為α,則解鎖拉桿的有效慣性力F3為:
圖6 有效解鎖力分解示意圖
有效解鎖力F4定義為以平衡塊旋轉(zhuǎn)軸線1為旋轉(zhuǎn)軸,以解鎖拉桿與曲軸嚙合點(diǎn)位置的切線方向?yàn)榱Φ淖饔梅较颍梢詫?dǎo)致門(mén)鎖開(kāi)啟的最小作用力。在車(chē)輛側(cè)碰模型中,碰撞側(cè)與非碰撞側(cè)門(mén)鎖系統(tǒng)解鎖阻力的作用效果均是阻礙車(chē)門(mén)解鎖,在關(guān)門(mén)可靠性模型中,解鎖阻力的作用效果亦是阻礙車(chē)門(mén)解鎖,因此有效解鎖力F4的分解方法相同,以碰撞模型中車(chē)輛碰撞側(cè)有效解鎖力F4的分解計(jì)算為例進(jìn)行分析,如圖6所示。
圖6中Fs為以解鎖擺臂旋轉(zhuǎn)軸線2的切線方向施力解鎖的最小力值,可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲得,直線1為解鎖拉桿兩端嚙合點(diǎn)的連線,直線1與力Fs的夾角為γ,直線1與軸線1的切線方向夾角為 θ,則使門(mén)鎖開(kāi)啟所需要的外把手有效解鎖力F4可表示為:
為確定外把手平衡塊設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中的加速度a1、a2與a3的目標(biāo)數(shù)值,采用實(shí)車(chē)測(cè)量的方式進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。如圖7所示,在某三廂轎車(chē)圖7所示位置的車(chē)門(mén)外板內(nèi)側(cè)沿車(chē)輛Y方向粘貼加速度傳感器(因車(chē)門(mén)外板內(nèi)側(cè)安裝面平整,有利于傳感器的固定,同時(shí)又能保護(hù)傳感器不受碰撞車(chē)輛的直接撞擊而損壞),可用位置1代表前門(mén)平衡塊位置的加速度,位置2代表前門(mén)鎖位置的加速度,位置3代表后門(mén)平衡塊位置的加速度,位置4代表后門(mén)鎖位置的加速度。
圖7 加速度采集位置
分別采集獲得了某三廂轎車(chē)在 50km/h側(cè)面碰撞試驗(yàn)過(guò)程中碰撞側(cè)與非碰撞側(cè)圖中四個(gè)位置的最大瞬時(shí)加速度,并通過(guò)手動(dòng)暴力關(guān)門(mén)試驗(yàn)的方式獲得了該車(chē)型前后門(mén)圖中四個(gè)位置的最大瞬時(shí)加速度如表1所示。
表1 瞬時(shí)加速度數(shù)值
由表1中碰撞側(cè)四個(gè)位置的加速度a1與非碰撞側(cè)四個(gè)位置的加速度a2對(duì)比分析可知,碰撞側(cè)慣性加速度是非碰撞側(cè)的兩倍左右,這主要是由于碰撞過(guò)程中車(chē)輛變形與位移導(dǎo)致能量損失,非碰撞側(cè)的慣性加速度較碰撞側(cè)明顯衰減。對(duì)比四個(gè)位置非碰撞側(cè)慣性加速度a2與暴力關(guān)門(mén)產(chǎn)生的慣性加速度a3可知,因暴力關(guān)門(mén)引起的慣性加速度遠(yuǎn)大于非碰撞側(cè)的側(cè)碰慣性加速度。
由表1可知,側(cè)碰過(guò)程中車(chē)輛碰撞側(cè)四個(gè)位置的加速度均遠(yuǎn)大于重力加速度g,因此,公式(3)的分母部分L2a1-LGg≈L2a1,將公式(10)與公式(11)帶入公式(3)可得:
由公式(13)可以看出,慣性加速度a1越大,則平衡塊質(zhì)量 m2的最小值越大,即需要質(zhì)量更大的平衡塊來(lái)滿(mǎn)足碰撞側(cè)的碰撞要求,因此,實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,慣性加速度a1的目標(biāo)值應(yīng)適當(dāng)增大,以增加防止車(chē)輛碰撞側(cè)異常開(kāi)啟的安全系數(shù)。
將解鎖拉桿有效慣性力F3的計(jì)算公式(11)帶入平衡塊質(zhì)量 m2上限值的計(jì)算公式(9)可得平衡塊質(zhì)量 m2的上限值計(jì)算公式為:
由公式(14)可以看出,加速度a越大,則平衡塊質(zhì)量m2的上限值越小,即需要更小質(zhì)量的平衡塊來(lái)滿(mǎn)足非碰撞側(cè)的碰撞無(wú)開(kāi)啟要求以及暴力關(guān)門(mén)可靠性要求。因此,實(shí)際計(jì)算過(guò)程中應(yīng)取a2與a3中的較大值作為加速度a的計(jì)算值,以增加防止車(chē)輛非碰撞側(cè)異常開(kāi)啟的安全系數(shù)以及暴力關(guān)門(mén)可靠性的安全系數(shù)。
綜合公式(3)與公式(9)可得外把手平衡塊的質(zhì)量計(jì)算區(qū)間為:
式中 amax為 a2與 a3中的較大值。參照表 1中 a1、a2與a3的實(shí)測(cè)數(shù)值,為增加車(chē)輛的安全性能,計(jì)算時(shí)可取a1=100g與amax=100g作為目標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算。
圖8 車(chē)門(mén)開(kāi)啟力受力分析示意圖
對(duì)公式(15)分析可知,回位彈簧的回位扭矩T越大,則平衡塊質(zhì)量 m2的質(zhì)量區(qū)間越大,即大的回位彈簧扭矩 T既有利于滿(mǎn)足車(chē)輛的側(cè)碰安全又有利于提高車(chē)門(mén)的關(guān)閉可靠性,但是,回位彈簧扭矩T的大小直接關(guān)系到車(chē)門(mén)開(kāi)啟力的大小,如圖8所示,為車(chē)門(mén)開(kāi)啟力的受力分析示意圖。
根據(jù)力矩平衡原理,可得回位彈簧回位扭矩的大小為:
式中 F0’為外把手作用于曲軸的開(kāi)啟力,F(xiàn)4max為車(chē)門(mén)鎖在車(chē)門(mén)裝配狀態(tài)下的解鎖力。
F0’與目標(biāo)車(chē)門(mén)開(kāi)啟力的關(guān)系如圖9所示。
圖9 目標(biāo)開(kāi)啟力示意圖
其中F0為目標(biāo)車(chē)門(mén)開(kāi)啟力,一般定義在40N~55N之間,以保證較好的車(chē)門(mén)開(kāi)啟力手感。則外把手作用于曲軸的的開(kāi)啟力F0’可表示為:
式中 l0為開(kāi)門(mén)時(shí)食指以外把手旋轉(zhuǎn)軸線為旋轉(zhuǎn)軸的力臂。將公式(17)帶入公式(16)可得目標(biāo)車(chē)門(mén)開(kāi)啟力 F0下的回位彈簧扭矩計(jì)算公式為:
因此,在外把手結(jié)構(gòu)一定的情況下,l0、L1、l1以及 L3均為定值,而F0為用戶(hù)舒適操作力值,調(diào)整區(qū)間基本固定,F(xiàn)4max的大小取決于門(mén)鎖的結(jié)構(gòu)以及門(mén)系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力,因此,通過(guò)調(diào)整回位彈簧回位扭矩的方式提高車(chē)輛的側(cè)碰安全系能與關(guān)門(mén)可靠性能可行性較差。
由平衡塊質(zhì)量區(qū)間計(jì)算公式(15)分析可知,外把手平衡塊重力力臂LG越大,平衡塊質(zhì)量m2的質(zhì)量區(qū)間越小,即大的外把手平衡塊重力力臂 LG既不有利于滿(mǎn)足車(chē)輛的側(cè)碰安全,又不利于滿(mǎn)足車(chē)輛的關(guān)門(mén)可靠性,因此,在車(chē)門(mén)外把手平衡塊布置時(shí),在空間上應(yīng)盡量減小平衡塊的重力力臂LG,即在空間滿(mǎn)足的情況下盡量將平衡塊往靠近平衡塊旋轉(zhuǎn)軸正上方的位置布置。
同時(shí),平衡塊慣性力力臂L2越大,平衡塊質(zhì)量m2的區(qū)間整體向數(shù)值減小的方向移動(dòng),即在空間布置滿(mǎn)足的前提下,平衡塊設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增大平衡塊慣性力力臂L2,這樣有利于減小平衡塊的設(shè)計(jì)質(zhì)量。
本文所論述的側(cè)碰過(guò)程中車(chē)輛碰撞側(cè)與非碰撞側(cè)的計(jì)算模型均以外把手曲軸是否旋轉(zhuǎn)作為判斷標(biāo)準(zhǔn),而在實(shí)車(chē)碰撞過(guò)程中,外把手曲軸需旋轉(zhuǎn)一定角度至解鎖位置時(shí)才會(huì)導(dǎo)致車(chē)門(mén)鎖的解鎖,因此,本模型的建立條件較實(shí)際情況更為嚴(yán)格,并且本靜態(tài)模型的建立方式是對(duì)實(shí)際復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程的簡(jiǎn)化,因此可采用本模型的建立方法作為判斷依據(jù)。
此外,為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,本計(jì)算模型中忽略了機(jī)構(gòu)摩擦力的作用效果,因機(jī)構(gòu)摩擦力的作用效果總是阻礙解鎖過(guò)程的進(jìn)行,因此,忽略機(jī)構(gòu)摩擦力較實(shí)際情況也更為嚴(yán)格。
[1] 中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB 20071-2006 汽車(chē)側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.3.
[2] C-NCAP 管理中心.C-NCAP 管理規(guī)則(2012版)[S].天津:中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心,2012:28-29.
[3] 中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB 15086-2013 汽車(chē)門(mén)鎖及車(chē)門(mén)保持件的性能要求和實(shí)驗(yàn)方法[S],北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013:12-13.
[4] 劉哲.側(cè)碰過(guò)程中側(cè)門(mén)異常開(kāi)啟的探測(cè)和解決方法[J].汽車(chē)工程師,2015(1):53-55.
[5] 劉海玲.汽車(chē)側(cè)門(mén)外開(kāi)啟系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].上海汽車(chē),2010(12):26-27.