周英杰 席盛 陳振飛

摘要：汽車(chē)發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)車(chē)門(mén)狀態(tài)直接影響到事故對(duì)乘員的傷害程度，GB-20071亦對(duì)碰撞前后車(chē)門(mén)狀態(tài)做出了明確的要求。本文以某轎車(chē)典型的門(mén)鎖機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，在整車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型的基礎(chǔ)上對(duì)門(mén)鎖及其附件進(jìn)行了詳細(xì)建模，并進(jìn)行了仿真分析。仿真分析發(fā)現(xiàn)碰撞時(shí)開(kāi)鎖傳遞機(jī)構(gòu)受力變形，拉動(dòng)鎖體搖臂產(chǎn)生了開(kāi)鎖方向的旋轉(zhuǎn)，是導(dǎo)致車(chē)門(mén)解鎖的根本原因。進(jìn)而通過(guò)對(duì)開(kāi)鎖原理進(jìn)行研究，提出了優(yōu)化搖臂初始位置的解決方案。計(jì)算機(jī)仿真證明，改進(jìn)后碰撞時(shí)搖臂旋轉(zhuǎn)方向變?yōu)殛P(guān)鎖方向，改進(jìn)效果顯著。該應(yīng)對(duì)策略具有簡(jiǎn)單易行，不增加車(chē)輛制造成本等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：側(cè)面碰撞;車(chē)門(mén)解鎖;門(mén)鎖仿真;傳遞機(jī)構(gòu)

1 前言

隨著我國(guó)汽車(chē)保有量的增加，我國(guó)的汽車(chē)交通事故也呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。有資料顯示，從2015年我國(guó)高速公路發(fā)生的死亡事故情況看，側(cè)面碰撞事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)的6.7%，每年有近萬(wàn)人。因此，提高汽車(chē)側(cè)面碰撞的安全性一直是各大科研機(jī)構(gòu)和汽車(chē)公司研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

當(dāng)汽車(chē)發(fā)生側(cè)面碰撞事故時(shí)，側(cè)面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和完整性直接關(guān)系事故對(duì)到乘員傷害程度。但在進(jìn)行汽車(chē)側(cè)面碰撞試驗(yàn)時(shí)，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)碰撞時(shí)被撞側(cè)車(chē)門(mén)打開(kāi)的狀況，在實(shí)際道路交通事故中該現(xiàn)象也屢見(jiàn)不鮮。

若側(cè)面碰撞時(shí)汽車(chē)車(chē)門(mén)被打開(kāi)，就破壞了側(cè)面結(jié)構(gòu)的完整性，輕則影響側(cè)氣囊、側(cè)氣簾的合理展開(kāi)位置，導(dǎo)致乘員的傷害程度增加，重則有可能直接導(dǎo)致乘員被甩出車(chē)外，發(fā)生碾壓、二次碰撞等惡性交通事故，對(duì)乘員造成致命的傷害。

因此，我國(guó)的側(cè)面碰撞安全法規(guī)GB20071對(duì)側(cè)面碰撞過(guò)程中車(chē)門(mén)的狀態(tài)進(jìn)行了嚴(yán)格的要求。法規(guī)要求：在試驗(yàn)過(guò)程中，車(chē)門(mén)不得開(kāi)啟;試驗(yàn)結(jié)束后，不適用任何工具應(yīng)該能打開(kāi)足夠數(shù)量的車(chē)門(mén)，使得乘員能正常進(jìn)出。

本文針對(duì)某轎車(chē)典型的門(mén)鎖機(jī)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真找出了側(cè)面碰撞過(guò)程中門(mén)把手、鎖體發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，開(kāi)鎖傳遞機(jī)構(gòu)受力變形是車(chē)門(mén)解鎖的主要原因。進(jìn)而通過(guò)對(duì)機(jī)械開(kāi)鎖傳遞機(jī)構(gòu)該進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)解決了碰撞時(shí)車(chē)門(mén)解鎖的問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證，該方法效果顯著，并且?guī)缀醪辉黾悠?chē)的制造成本，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 汽車(chē)門(mén)鎖結(jié)構(gòu)及原理

東風(fēng)某轎車(chē)門(mén)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由門(mén)把手及附件、鎖體及附件、機(jī)械鑰匙開(kāi)/關(guān)鎖拉桿、門(mén)把手開(kāi)/關(guān)拉索、車(chē)內(nèi)開(kāi)/關(guān)拉索幾大部分組成。其中機(jī)械鑰匙開(kāi)/關(guān)鎖拉桿及附件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在日常使用中，用機(jī)械鑰匙解鎖時(shí)，門(mén)鎖的工作原理為：首先，機(jī)械鑰匙插入孔位逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);接著，孔位連接的搖臂（上）隨孔位旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)開(kāi)鎖拉桿上提;進(jìn)而，開(kāi)鎖拉桿上提帶動(dòng)鎖體搖臂（下）順時(shí)針旋轉(zhuǎn);最后鎖體內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)完成開(kāi)鎖。用機(jī)械鑰匙鎖車(chē)門(mén)時(shí)，門(mén)鎖的工作原理反之。

3 計(jì)算機(jī)仿真及碰撞解鎖原因分析

為了分析側(cè)面碰撞時(shí)車(chē)門(mén)解鎖的原因，本文在側(cè)而碰撞有限元模型的基礎(chǔ)上增加了門(mén)鎖系統(tǒng)的分析模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)進(jìn)行分析。

3.1 仿真模型的建立

由于門(mén)鎖鎖體、門(mén)把手結(jié)構(gòu)的零件數(shù)量多，尺寸小，相互之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，在碰撞分析模型中難以準(zhǔn)確模擬，且其結(jié)構(gòu)剛度大，多次碰撞實(shí)車(chē)拆解后未發(fā)現(xiàn)鎖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和破壞，因此仿真中不對(duì)鎖體結(jié)構(gòu)、門(mén)把手進(jìn)行精確建模，將其用一個(gè)整體簡(jiǎn)化替代。

對(duì)門(mén)鎖開(kāi)/關(guān)拉桿（機(jī)械鑰匙）及附件進(jìn)行了詳盡的建模，并確保各個(gè)零件的質(zhì)量和質(zhì)心位置準(zhǔn)確無(wú)誤。根據(jù)各個(gè)零件之問(wèn)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，詳細(xì)的建立了4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，確保有限元的運(yùn)動(dòng)形式和實(shí)際運(yùn)動(dòng)形式一致。

在整車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型的基礎(chǔ)上，將簡(jiǎn)化的門(mén)把手、門(mén)鎖鎖體模型，詳盡的機(jī)械開(kāi)鎖傳遞機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行裝配，完成“側(cè)面碰撞（帶門(mén)鎖）計(jì)算機(jī)仿真模型”的建立，如圖3：

3.2 仿真結(jié)果分析

通過(guò)以上有限元模型的建立，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到側(cè)面碰撞過(guò)程中門(mén)鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（0、30、60ms運(yùn)動(dòng)狀態(tài)截圖）如圖4所示：

如圖4，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真發(fā)現(xiàn)，由于鎖體機(jī)構(gòu)和門(mén)把手區(qū)域Y向（整車(chē)坐標(biāo)系下）受力不一致，并且兩者所在區(qū)域的Y向剛度也存在較大差異。在車(chē)輛受到MDB壁障側(cè)面撞擊時(shí)，鎖體機(jī)構(gòu)由于受到MDB直接撞擊向車(chē)門(mén)內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的侵入量較大，門(mén)把手由于未受到直接撞擊向內(nèi)移動(dòng)產(chǎn)生的侵入量較小，并且在車(chē)門(mén)板和門(mén)鎖拉桿的作用下發(fā)生了沿X軸（整車(chē)坐標(biāo)系下）順時(shí)針?lè)D(zhuǎn)，兩者之間發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，距離變大，開(kāi)，關(guān)鎖拉桿兩側(cè)受拉，導(dǎo)致鎖體搖臂發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)方向與用機(jī)械鑰匙開(kāi)鎖時(shí)旋轉(zhuǎn)方向一致，門(mén)鎖被打開(kāi)。

4 應(yīng)對(duì)策略研究

由以上分析可知：側(cè)面碰撞時(shí)門(mén)把手和鎖體向車(chē)內(nèi)侵入量不一致，并且門(mén)把手發(fā)生翻轉(zhuǎn)，兩者之間距離變大，導(dǎo)致開(kāi)/關(guān)鎖拉桿受到拉力，進(jìn)而拉動(dòng)鎖體搖臂產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，是碰撞時(shí)門(mén)鎖自動(dòng)開(kāi)啟的原因。

針對(duì)以上原因分析，碰撞時(shí)車(chē)門(mén)自解鎖可以有兩種解決策略：

策略1：在門(mén)板上門(mén)鎖和門(mén)把手之間的區(qū)域通過(guò)增加貼片、加強(qiáng)件的方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，可減小門(mén)鎖和門(mén)把手之間的變形，縮小門(mén)把手和鎖體向車(chē)內(nèi)侵入量的差距，從而減小開(kāi)/關(guān)鎖拉桿受拉程度，從而解決碰撞時(shí)車(chē)門(mén)自動(dòng)打開(kāi)的問(wèn)題。

策略2：優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械開(kāi)鎖的傳遞機(jī)構(gòu)（圖2），使得即使被撞時(shí)開(kāi)，關(guān)鎖拉桿受到較大拉力，門(mén)鎖也不會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。

由于策略1有可能會(huì)大幅度增加門(mén)鎖及車(chē)門(mén)的制造成本，并日由于車(chē)門(mén)、門(mén)鎖加強(qiáng)結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)難度大，難以合理把握加強(qiáng)的程度，改進(jìn)效果驗(yàn)證成本高的缺點(diǎn)。策略2從原理上解決問(wèn)題，簡(jiǎn)單實(shí)用，幾乎不增加制造成本，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證效果方便，因此本文著重從策略2進(jìn)行研究。

機(jī)械開(kāi)/關(guān)鎖傳遞機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖5a，在原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)卜，改變鎖體搖臂的初始位置建立改進(jìn)方案1（如圖5b），同時(shí)改變鎖體搖臂（下）和搖臂（上）的初始位置，建立改進(jìn)方案2（如圖5c）。

改進(jìn)方案中調(diào)整了鎖體搖臂的初始位置，當(dāng)汽車(chē)因發(fā)生側(cè)面碰撞而導(dǎo)致開(kāi)/關(guān)鎖拉桿被拉時(shí)，鎖體搖臂的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了變化，由順時(shí)針旋轉(zhuǎn)變成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)方向與用機(jī)械鑰匙關(guān)鎖時(shí)旋轉(zhuǎn)方向相同，門(mén)鎖不但不會(huì)被打開(kāi)，而且會(huì)鎖的更緊，從而保證了汽車(chē)側(cè)面結(jié)構(gòu)的完整性，減少乘員傷害。

但是，改進(jìn)方案1在日常使用機(jī)械鑰匙開(kāi)/關(guān)鎖時(shí)，鑰匙的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了改變。改進(jìn)方案2通過(guò)同時(shí)改變搖臂（上）的初始位置，使得在日常使用機(jī)械鑰匙開(kāi)/關(guān)鎖時(shí)，鑰匙的旋轉(zhuǎn)方向與符合用戶(hù)習(xí)慣的原方案保持一致。

以上三種方案發(fā)生碰撞、日常使用中性能對(duì)比如表1：

5 方案驗(yàn)證

根據(jù)改進(jìn)方案2建立計(jì)算機(jī)仿真分析模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，得到側(cè)面碰撞過(guò)程中門(mén)鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6所示：

從圖6可以看出，碰撞過(guò)程中，鎖體機(jī)構(gòu)和門(mén)把手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本與原方案一致，開(kāi)/關(guān)鎖拉桿的受力狀態(tài)亦與原方案一致，但鎖體搖臂的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了變化，由原設(shè)計(jì)方案的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)變成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)方向與用機(jī)械鑰匙鎖鎖車(chē)門(mén)時(shí)旋轉(zhuǎn)方向一致，此時(shí)門(mén)鎖不但不會(huì)被打開(kāi)，而且會(huì)鎖的更緊。即采用改進(jìn)方案后，車(chē)門(mén)碰撞解鎖的問(wèn)題將得到有效解決。

6 結(jié)論

本文針對(duì)某轎車(chē)典型的門(mén)鎖機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)門(mén)鎖開(kāi)/關(guān)拉桿（機(jī)械鑰匙）及附件進(jìn)行了詳盡的建模，并將該模型裝配到整車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型的上，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。通過(guò)結(jié)果分析找出了側(cè)面碰撞過(guò)程中車(chē)門(mén)解鎖的原因。進(jìn)而針對(duì)該問(wèn)題展開(kāi)了研究，通過(guò)對(duì)機(jī)械開(kāi)鎖傳遞機(jī)構(gòu)該進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出了調(diào)整鎖體搖臂和機(jī)械鑰匙搖臂初始位置的解決方案，并驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)門(mén)鎖開(kāi)/關(guān)拉桿及附件進(jìn)行了詳盡的建模，并將該模型裝配到整車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型的上，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。能夠準(zhǔn)確地反映側(cè)面碰撞過(guò)程中門(mén)鎖機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，找出側(cè)面碰撞時(shí)車(chē)門(mén)解鎖的原因。

（2）側(cè)面碰撞時(shí)門(mén)把手和鎖體向車(chē)內(nèi)侵入量不一致，門(mén)把手發(fā)生翻轉(zhuǎn)，兩者之間距離變大，導(dǎo)致開(kāi)，關(guān)鎖拉桿受到拉力，進(jìn)而拉動(dòng)鎖體搖臂產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并且此旋轉(zhuǎn)方向與用機(jī)械鑰匙解鎖時(shí)鎖體搖臂旋轉(zhuǎn)方向一致，是碰撞時(shí)門(mén)鎖自動(dòng)開(kāi)啟的原因。

（3）通過(guò)對(duì)開(kāi)鎖傳遞機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整鎖體搖臂和機(jī)械鑰匙搖臂的初始位置可以有效解決碰撞時(shí)車(chē)門(mén)自動(dòng)解鎖的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]公安部交通管理局中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒[M]北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2006-2010

[2]中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心C-NCAP管理規(guī)則（ 2012年版），2012.

[3]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)GB20071-2006汽車(chē)側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)[S/OL] （2006-01-18）

[4]曹兆友，沈東海側(cè)面碰撞匯總車(chē)門(mén)自動(dòng)解鎖現(xiàn)象的改進(jìn)[J].汽車(chē)工程師2014 （1）.

[5]范體強(qiáng)，萬(wàn)鑫銘側(cè)面碰撞安全性研究2010中國(guó)汽車(chē)安全技術(shù)國(guó)際研討會(huì)，2010.