汽车侧门外掀式把手程序化设计研究

丁光学，郑文平，刘美丽，吕　龙

(1.江淮汽车技术中心，安徽 合肥 200601；2.安徽电气工程学校，安徽 合肥 200031)



汽车侧门外掀式把手程序化设计研究

丁光学1，郑文平2，刘美丽1，吕龙1

(1.江淮汽车技术中心，安徽 合肥 200601；2.安徽电气工程学校，安徽 合肥 200031)

车门把手是车身中重要的功能件和安全件。为了实现该类门把手程序化优化设计，针对一种外掀式把手建立了数据模型，根据其空间几何关系以及汽车碰撞过程中外掀式把手受力情况编制了一套宏程序。利用该宏程序实现了外掀式把手关键尺寸、结构布置以及汽车碰撞过程的校核，并根据碰撞校核的结果进一步优化了外掀式把手操作行程、配重块及回位弹簧等关键参数，获得了外掀式把手优化设计方案，为工程应用提供了参考。

侧门；外掀式；把手；布置设计；碰撞

侧门外掀式把手(下述简称外把手)是汽车侧门锁系统的重要组成部分，也是开闭侧门的重要功能件。其设计应考虑如下两方面要求：一是操作性，包括操作力及操作行程，过大或过小都影响用户体验；二是安全性，当车辆遭受侧碰撞[1-2]时，不合理的设计会引起侧门主动开起，导致乘员被抛出车外。

1　外把手结构和工作原理

1.1结构

外把手是一种兼顾侧门开起、装饰和被动安全等功能的部件[3]。其主要由操作手柄、把手座、平衡块、把手回位扭簧和锁外开拉索等部件组成(见图1)。

图1　外把手主要结构

1.2工作原理

外把手工作原理图如图2所示。当正常开起车门时，操作外把手手柄，旋转端安装在把手座的旋转轴AB上，平衡块的旋转轴CD也安装在把手座，AB∥CD，在平衡块上设计有一凸台；该凸台嵌合在把手柄中部导向槽中，当把手柄开起时，导向槽带动凸台一起推动平衡块转动，平衡块转动同时带动锁外开拉索移动，从而达到开起侧门锁的目的。在外把手施力结束后，安装在把手柄上的扭力弹簧推动外把手带动平衡块回位旋转，使外把手、锁外开拉索回到原位。

图2　工作原理图

扭力弹簧扭矩的大小直接关系到正常情况下开起门操作力的大小， 同时也关系到车辆受到侧碰撞

时的被动安全性，因此应精确计算其扭矩。

当碰撞来自本侧门时，碰撞方向是+Y方向，则碰撞加速度为-Y方向，左侧门外把手在碰撞加速度作用下向-Y方向运动，平衡块则向反方向旋转，使其合惯性矩消减，当把手柄惯性力矩大于平衡块惯性力矩时，本侧门锁可能被打开；否则本侧门锁不会开起。

当碰撞来自对侧门时，碰撞方向是-Y方向，则碰撞加速度为+Y方向，左侧门外把手在碰撞加速度作用下产生向+Y方向的惯性矩，虽然其运动受把手座的限制，然而平衡块的惯性矩与把手柄的惯性矩相反，当平衡块的惯性力矩大于把手柄的惯性力矩时，本侧门锁可能被打开；否则本侧门锁不会开起。

本文将围绕下述问题进行研究：1)实现锁开起行程和外把手开起行程的匹配；2)确保外把手开起过程操作力在设计要求范围内；3)在本侧门受到65g加速度的侧碰撞时，本侧门上的外把手产生的综合惯性矩，不会开起本侧门；4)在对侧门受到65g加速度的侧碰撞时，本侧门上的外把手产生的综合惯性矩，也不会开起本侧门；5)设计方案的优化过程。

2　外把手的设计计算

外把手的力学结构分析如图3所示。

图3　外把手结构件图

2.1确定外把手开起行程和平衡块摆动行程的匹配

根据图3可知，外把手开起角度φ和平衡块开起角度θ之间的关系式为：

通过调整l、R和r，可以满足锁机构开起行程的要求。

2.2确定锁开起行程和外把手开起行程的匹配

本车型使用的侧门锁在裸锁状态的外开行程和开起力曲线如图4所示。由图4可知，从初始位置到锁开起行程为13.5 mm，后空行程为6.5 mm，全行程为20 mm。

图4　裸锁状态下的外开行程和开起力

对外把手开起角度来说，锁开起位置应该位于外把手开起行程的2/3处，即位于外把手开起13.5°处，按照这个要求，计算φ从0到13.5°，拉索伸长长度增加量应为13.5 mm。

2.3外把手开起过程操作力的计算

外把手力矩平衡示意图如图5所示。

图5　外把手力矩平衡示意图

通过外把手总成上的合力矩矢量平衡条件：M0+N+M1+M2=0，可求出以θ为自变量的函数操作力F的关系式。其中，M1为外把手柄围绕AB轴的重力矩；M2为开起外把手围绕AB轴产生的开起力矩；M0为平衡块合力矩转化为把手柄的作用力矩；N是扭簧扭矩。本案设计时定义在外把手开起的0°～20°行程中，外把手的操作力定义为20～45 N，可通过调整扭簧扭矩N使外把手操作力满足要求；也可以直接利用计算中设计的宏文件，直接找出满足操作力要求的扭簧扭矩N值。

3　外把手侧碰撞分析和计算

3.1侧碰撞来自本侧门的分析和计算

侧碰撞来自本侧门的分析示意图如图6所示。

图6　侧碰撞来自本侧门的分析示意图

1)外开手柄本身的合力矩。侧碰撞来自本侧门外开手柄的合力矩主要有把手柄的重力矩M1、把手柄的惯性力矩M5和扭簧复位扭矩N。

2)平衡块的合力矩。侧碰撞来自本平衡块的合力矩主要有平衡块的重力矩M3、平衡块的惯性力矩M6和拉索的拉力矩M7。平衡块的合力矩作用在K点的作用力为(M3+M6+M7)/R。平衡块的合力矩产生的作用力通过K点转化为以AB为旋转轴的力矩M9。

3)作用在外把手总成的合力矩。根据外把手总成的合力矩矢量平衡条件：M9+(M1+M5+N)=0，求出拉索拉力F平本的关系式 。碰撞过程中拉索产生的拉力F平本是否全部超过侧门锁的开起力是判定本侧门是否开起的必要条件。在对应开起位置下，当拉索产生的拉力小于侧门锁的开起力时，侧门不会开起；否则存在开起风险。

3.2侧碰撞来自对侧门的分析和计算内容

侧碰撞来自对侧门的分析示意图如图7所示。

1)外开手柄本身的合力矩。侧碰撞来自对侧门手柄合力矩主要有把手柄的重力矩M1、把手柄的惯性力矩-M5和扭簧复位扭矩N。

2)平衡块的合力矩。侧碰撞来自对平衡块合力矩主要有平衡块重力矩M3、平衡块惯性力矩-M6和拉索拉力矩M8。平衡块的合力矩的作用力=(M3-M6+M8)/R。平衡块合力矩作用力通过K点转化为以AB为旋转轴的力矩M10。

图7　侧碰撞来自对侧门的分析示意图

3)作用在外把手总成上的合力矩。通过外把手总成合力矩平衡条件：M10+(M1-M5+N)=0。碰撞过程拉索产生的拉力F平对是否超过侧门锁的开起力,是判定本侧门是否开起的必要条件。在对应开起位置下，当拉索产生的拉力小于侧门锁的开起力时，侧门不会开起；否则存在开起的风险。

4　单个方案计算结果输出形式

4.1计算输入部分

主要输入的是外把手总成处于初始位置相关的特征点或特定参数(见图8)，完成该计算的所有输入值(共20组数据)，其中10组是关键机构的坐标点；另外10组是具体零件的质量信息及约定的工作行程和操作力等，这些都作为外把手的基本信息。下述所有计算都基于这20组数据，这些信息可以同时作为自变量，但考虑到计算的复杂程度，仅选定平衡块轴端点D坐标、平衡块质量、碰撞加速度和扭簧扭矩等4组参数作为自变量进行优化，在优化计算对应位置输入。在单个计算时，该4组参数对应优化计算区域中计算后获得的对应数据。

4.2固定位置的计算输出区域

固定位置的计算输出区域是单个方案计算的计算结果，它为单个方案过程计算提供数据储备。结构计算输出如图9所示(局部)。

4.3单个方案的过程计算输出区域

单个方案的过程计算输出区域是外把手柄开起过程位置参数随开起角度φ变化的计算结果，它包含3个不同工作状态的受力分析：外把手正常开起情况、外把手在来自本侧门碰撞和外把手在来自对侧门碰撞。计算输出内容如图10所示(局部)，曲线图如图11～图13所示。其中，外把手开起角度φ角是根据最初定义的值默认10等份设置，也可以根据需要调大或调小。在图12和图13中，通过2条曲线并列对比，可以判定拉索产生的开锁力是否会导致侧门开起。

图8　计算输入的各结构点及相关参数

图9　结构计算输出

图10　计算输出内容

图12　来自本侧门的碰撞惯性力曲线

图13　来自对侧门的碰撞惯性力曲线

5　方案优化计算

选定平衡块轴端点C坐标、平衡块质量、碰撞加速度和扭簧扭矩等4组参数作为自变量进行优化。

方案优化计算[4]是利用单个方案的计算形式，不断有规律地改变单个方案的输入值，使其计算可以扩展至无穷利用，同时利用Excel中的VBA模块功能进行计算。按照设计者的需求确定特定元素的搜索范围和密集程度，并确定特定控制对象，以此找出最接近设计要求的方案(见图14)。

图14　优化窗口

在图14中，各分“方案数”对应值是由预置值根据“范围”的大小和“增量”的大小计算获得；“方案计算”上面的“401”对应的是总方案数，它是各分方案数之积，这样就是将单个方案扩展至无穷方案的计算过程。总方案数的大小是根据搜索的目标个数以及每个目标的搜索范围、搜索密度的要求决定的。“方案计算”下面的“227”对应的单元格是由方案排列的顺序号。

当不需要在某个预置值附近搜索时，可将其“范围”设置为0，“增量”不能为0。锁定“平衡块轴端点D”“平衡块质量”“碰撞加速度”，读取“单个方案计算”的外把手开起力的最大值和最小值作为监测对象，设置的目标值“23”“45”为监测标准，进行搜索计算，通过比较，最接近目标值的方案顺序号对应的各分方案就是在这个设定方案内的最佳方案。

获得的最佳方案所对应的各状态过程曲线如图15所示。通过分析可知，外把手外开操作力为23～45 N时满足设计要求；当碰撞来自本侧门时，碰撞加速度为-65 g，在开起角度14.1°以后，开起锁机构的拉力不会导致侧门锁开起；当碰撞来自对侧门时，碰撞加速度为65 g，在开起角度1.5°以后，开起锁机构的拉力成为负值，也不会导致侧门锁开起。故该优化方案满足要求。

图15　最佳方案所对应的各状态过程曲线

5.1偏离系数的设计选定

偏离系数计算公式为：

式中，Fa是计算的具体方案中外把手最大开起力，该值及时从对应方案计算中读取；Fb是外把手最大开起力对应的目标值。

根据需要，偏离系数还可以使用如下公式：

ξ=ξ1+ξ2+ξ3+…+ξn

式中，ξn是多个考核对象的偏离系数。

5.2通过VBA编制的程序主要内容

利用自行开发的宏程序命令，一键运行全部方案的计算。按照总方案数的排序，并利用for循环语句，从第1个方案开始计算，计算的结果作为预制值，同时显示在第8行和第11行对应位置后，再进行第2个方案的计算，计算结果显示在第8行，利用if 语句与第11行比较，若本方案的偏离系数大于上一个方案的偏离系数，则再进行第3个方案；若本方案的偏离系数小于上一个方案的偏离系数，则将第2个方案的结果显示在第11行，再进行第3个方案的计算……直至计算到最后一个方案后退出。在计算过程中，对应方案计算结果及时通过图形曲线表达出来，设计师可以准确了解全部方案的符合性概况。在计算结束后，第11行对应的值就是最接近目标方案的优选值，读取最接近目标方案的自动优化具体数据，就可同时显示出其受力曲线。

方案优化过程将单个方案扩展至无穷，并在无穷方案中，按照目标要求，选择最接近目标的方案作为最优方案，其大大降低了计算分析的劳动强度，且快捷、准确。

5.3方案优化延伸分析

利用开发的连续自动运算式，获得所需曲线的变化规律，通过自动计算获得连续变化的曲线。下述分别从单个搜索计算过程的若干截图中，选取起始、中间和结尾等3张图片进行分析，设计师可以根据曲线变化趋势直观把握设计改进的方向。

1)优化C点X坐标的过程曲线如图16所示。在±20 mm范围内，改变C点X坐标，使其由小到大逐渐变化，平衡块旋转轴CD和把手柄旋转轴AB的距离逐渐减少，平衡块旋转半径也逐渐减少，外开开起力基本不变。随着X值的增加，有利于来自本侧门的碰撞，不利于来自对侧门的碰撞。

图16　优化C点X坐标的过程曲线

2)优化C点Y坐标的过程曲线如图17所示。在±5 mm范围内，改变C点Y坐标，使其由小到大逐渐变化，平衡块旋转轴CD和把手柄旋转轴AB的距离减少，平衡块旋转半径急剧减少。由图17可知，外开开起力基本不变，随着Y值的增加，有利于来自本侧门的碰撞，对来自对侧门的碰撞基本没有影响。

图17　优化C点Y坐标的过程曲线

3)优化C点Z坐标的过程曲线如图18所示。在±5 mm范围内，改变C点Z坐标，使其由小到大逐渐变化，平衡块旋转轴CD和把手柄旋转轴AB的距离增大，平衡块旋转半径也增大。由图18可知，外开开起力稍有减小，随着Z值的增加，不利于来自本侧门的碰撞，有利于来自对侧门的碰撞。

图18　优化C点Z坐标的过程曲线

4)优化平衡块质量的过程曲线如图19所示。在±0.1 kg范围内，改变平衡块的质量，使其由小到大逐渐变化。由图19可知，随着平衡块的质量的增加，开起力基本不变，有利于来自本侧门的碰撞，不利于来自对侧门的碰撞。

图19　优化平衡块质量的过程曲线

5)优化碰撞加速度的过程曲线如图20所示。在±98 kg·m/s2范围内，改变加速度的值，使其由小到大逐渐变化。由图20可知，随着加速度值的增加，开起力没有变化，不利于来自本侧门的碰撞，也不利于来自对侧门的碰撞。

图20　优化碰撞加速度的过程曲线

6)优化扭簧扭矩的过程曲线如图21所示。在±0.5 N·m范围内，改变扭簧的值，使其由小到大逐渐变化。由图21可知，随着扭簧值的增加，开起力逐渐变大，有利于来自本侧门的碰撞，也有利于来自对侧门的碰撞。

图21　优化扭簧扭矩的过程曲线

6　结语

研究了一种车身侧门外掀式把手的新设计方法。采用该设计方法，能将所有设计数据参数化，可以根据布置空间的需要任意确定设计参数，从而快速获得碰撞校核和布置的操作性能等参数的计算结果；还可以设定搜索范围，通过系统优化，自动找出最优布置方案，使该类型门把手设计简便、科学和高效，可在车身产品研发过程中推广应用。

[1] 全国汽车标准化技术委员会.GB 15086—2013汽车门锁及车门保持件的性能要求和试验方法[S].北京：中国标准出版社，2015.

[2] 钟志华.汽车碰撞安全技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 高云凯.汽车车身结构分析[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[4] 刘美丽，丁光学，付凯.侧门外开把手耐碰撞分析和优化[J].汽车使用技术，2015(2)：29-32.

责任编辑马彤

A Programmed Design Method of Lifting Type Outside Handle of the Vehicle Side Door

DING Guangxue1， ZHENG Wenping2， LIU Meili1， LYU Long1

(1.Center of Technology, Anhui Jianghuai Automobile Co.， Ltd.， Hefei 200601， China; 2.Anhui Electrical Engineering Secondary School， Hefei 200031， China)

The outside handle is an important functional and safety component of the vehicle body. To realize programmed optimal design of this type of outside handle, establish the data model of an external lifting type door handle. A “macro” has been programed according to the space geometry analysis of the model and the mechanical analysis of the handle during vehicle collision process. The key characteristic dimension, layout of structures and safety check of the crash are all accomplished by using the macro-program. The important dimension parameters of stroke, counter weight and return spring on the outer handle are optimized through conclusion of collision check, and achieve optimal design scheme of outside handle. Finally, hope to provide a reference for the engineering application.

side door， vifting type, outside handle, layout design, collision

U 463.8

A

丁光学(1964-)，男，专家级设计师，主要从事车身门盖系统及重要功能件设计等方面的研究。

2015-12-18