基于侧碰安全的车门外把手平衡块设计研究

李超帅，王新，林森，于波，李瑞生

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

前言

根据GB 20071-2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》以及欧盟法规ECE R95《关于车辆侧面碰撞中乘员保护方面对车辆认证的统一规定》的相关要求：侧面碰撞试验过程中车门不得开启[1]。同时，在《中国新车评价规程》中也规定，如果在侧面碰撞中出现车门开启将被扣分，对于两侧的每一个车门，若在碰撞过程中开启，则分别减去一分[2]。GB 15086-2013《汽车门锁及车门保持件的性能要求和实验方法》中要求，锁系统必须满足球坐标系内30g的惯性力要求，并提供了一种将锁系统简化为一个平面多连杆机构，利用力矩平衡原理进行计算的方法[3]。

车辆在侧面碰撞过程中，车门异常开启会极大地危害内部乘员的人身安全。综合车门异常开启的原因，可分为门锁系统惯性力驱动的失效模式、门钣金变形驱动外把手解锁的失效模式以及门钣金直接撞击门锁解锁结构导致解锁的失效模式[4-5]。在车门外把手的设计过程中增加外把手平衡块结构是一种可有效避免因侧碰惯性力导致车门异常开启的方法，但是，目前关于外把手平衡块的设计理论不够完善，问题一旦出现往往需要通过侧碰试验反复验证调整来达到设计目标，验证周期长且试验成本高。外把手平衡块的有效作用力矩设计过小起不到防止车门侧碰过程中异常开启的作用，设计过大又会导致车门在大力关门情况下无法关闭的问题。

针对上述问题，本文通过对车门锁系统建立不同工况下的力学模型，推导得出一种车门外把手平衡块设计的计算方法，为车门外把手平衡块的设计提供了理论支持。

1 侧碰过程门锁系统受力分析

1.1 车辆碰撞侧门锁系统受力分析

在车辆受到侧面撞击的过程中，车门随车身沿碰撞方向产生位移，在车辆碰撞侧外把手由于惯性作用保持不动的瞬间，相当于拉动外把手，产生开启车门的作用效果，当外把手惯性力矩大到足以导致车门解锁时，车门则出现异常开启现象。由于外把手平衡块与外把手手柄布置在外把手曲轴旋转轴的两侧，因此，外把手平衡块惯性力矩与外把手本体惯性力矩方向相反，可有效避免车门因侧碰惯性力矩的作用发生开启。以外把手平衡块旋转轴（即解锁曲轴旋转轴）的运动状态为研究对象，建立碰撞工况以及大力关门工况下门锁系统的力学模型，其中侧碰过程中车辆碰撞侧门锁系统的受力分析如图1所示。

图1 车辆碰撞侧门锁系统受力分析

图1中1为车门外把手，2为外把手平衡块，3为回位弹簧，4为解锁拉杆，5为解锁摆臂。侧碰过程中，车门外把手1、把手平衡块2以及解锁拉杆4均产生与碰撞方向反向的惯性力，若平衡块旋转轴在侧碰过程中不发生旋转，则车门不会因锁系统惯性力因素开启，通过力矩平衡原理可得车辆碰撞侧门锁侧碰无开启的条件为：

式中，F1为车门外把手的有效惯性力，F2为平衡块的惯性力，F3为解锁拉杆的有效惯性力，F4为锁体的有效解锁力，G为外把手平衡块的重力，L1为F1以平衡块旋转轴为轴线的力臂，L2为F2以平衡块旋转轴为轴线的力臂，L3为F3与F4以平衡块旋转轴为轴线的力臂，LG为外把手平衡块重力G以平衡块旋转轴为轴线的力臂，T为回位弹簧的回位扭矩。

通过公式（1）可得满足车辆碰撞侧车门侧碰无开启条件的平衡块惯性力值为：

将惯性力计算公式F=ma与重力计算公式G=mg带入公式（1）可得平衡块质量m2为：

式（3）中 a1为侧碰过程中车辆碰撞侧门锁系统各零部件的惯性加速度。

1.2 车辆非碰撞侧门锁系统受力分析

在车辆受到侧面撞击的过程中，非碰撞侧车门同样随车身产生碰撞方向的位移，在车辆非碰撞侧外把手平衡块由于自身惯性力作用保持不动的瞬间，其惯性力产生开启车门的力矩，当此力矩大到足以导致车门解锁时，则车门出现异常开启现象，与车辆碰撞侧的研究方法相同，以平衡块旋转轴的旋转为研究对象，建立车辆非碰撞侧门锁系统受力分析如图2所示。

图2 车辆非碰撞侧门锁系统受力分析

如图2所示，车辆非碰撞侧车门外把手1、把手平衡块2以及解锁拉杆4产生与碰撞方向反向的惯性力，该侧车门外把手1的惯性力与该侧解锁方向相反，不产生解锁的作用。外把手平衡块2惯性力F2’与解锁拉杆4惯性力在该侧则是解锁方向的力，通过力矩平衡原理可得车辆非碰撞侧车门侧碰无开启的条件为：

式中 F2’为车辆非碰撞侧的平衡块惯性力，F3’为该侧解锁拉杆的有效惯性力。

通过公式（4）可得满足车辆非碰撞侧车门侧碰无开启的平衡块惯性力值为：

将惯性力计算公式F=ma与重力计算公式G=mg带入公式（5）可得平衡块质量m2为：

式（6）中 a2为侧碰过程中车辆非碰撞侧门锁系统各零部件的惯性加速度。

2 平衡块惯性力对关门可靠性的影响分析

在关闭车门时，车门由运动状态至接触车身侧围停止的过程中，门锁系统各零部件由于自身惯性作用仍保持车门关闭方向的运动趋势，因此产生解锁方向的惯性力，若此力大于一定数值，会导致车门的开启，即导致车门关闭可靠性的降低。同样以外把手平衡块旋转轴的旋转为研究对象对此过程进行受力分析如图3所示。

图3 门锁系统关门可靠性模型受力分析

从图3可以看出，关门过程中车门外把手1的惯性力不会产生外把手与车门的相对运动，因此外把手惯性力不产生解锁的作用，外把手平衡块惯性力 F2与解锁拉杆惯性力 F3产生解锁方向的力矩，是导致车门关闭失败的因素，通过力矩平衡原理可得车门可关闭的条件为：

公式（7）与公式（4）比较分析可知，关门可靠性模型与侧碰过程中车辆非碰撞侧门锁系统受力模型相同，可得满足关门可靠性的外把手平衡块质量m2的计算公式为：

公式（8）中 a3为关门时车门由运动至停止过程中门锁系统各零部件的加速度。可将平衡块质量 m2上限值的计算公式（6）与公式（8）统一表示为：

3 门锁系统有效惯性力的计算

3.1 外把手有效惯性力F1的计算

车门外把手的运动状态为绕把手底座固定轴的旋转运动，其惯性力与所产生解锁力的关系如图4所示。

图4 外把手惯性力转换示意图

如图4所示，侧碰过程中外把手所产生的惯性力为m1a（m1为外把手的质量），该惯性力的作用点为外把手的重心位置，la1为该惯性力以外把手旋转轴为轴线的力臂，l1为外把手对解锁曲轴作用力的力臂，即有效惯性力F1以外把手旋转轴为轴线的力臂，则外把手的有效惯性力 F1的计算公式为：

3.2 解锁拉杆有效惯性力F3的计算

由上文分析可知，在车辆侧碰过程中，解锁拉杆的有效惯性力F3在车辆碰撞侧产生阻碍解锁的力矩，在车辆非碰撞侧产生促使解锁的力矩，二力的作用方向相反，但分解方式相同。同样，在关门可靠性模型中，惯性力F3的分解方式也与碰撞模型一致，因此，以侧碰过程中碰撞侧解锁拉杆惯性力的分解计算为例进行分析，如图5所示。

图5 解锁拉杆惯性力分解示意图

如图 5所示，侧碰过程中解锁拉杆所产生的惯性力为m3a（m3为解锁拉杆的质量），该惯性力的作用点为解锁拉杆的重心位置，la3为该惯性力以拉杆锁体端为旋转轴的力臂，l3为解锁拉杆两端连接点的Z向高度，则惯性力m3a在外把手平衡块与解锁拉杆啮合点的等效作用力为(m3a)’=(m3a×la3)/l3，该等效作用力以平衡块旋转轴线1为旋转轴，解锁拉杆与曲轴啮合点位置的切线方向的分力 F3，F3与(m3a)’的夹角为α，则解锁拉杆的有效惯性力F3为：

3.3 有效解锁力F4的计算

图6 有效解锁力分解示意图

有效解锁力F4定义为以平衡块旋转轴线1为旋转轴，以解锁拉杆与曲轴啮合点位置的切线方向为力的作用方向，可以导致门锁开启的最小作用力。在车辆侧碰模型中，碰撞侧与非碰撞侧门锁系统解锁阻力的作用效果均是阻碍车门解锁，在关门可靠性模型中，解锁阻力的作用效果亦是阻碍车门解锁，因此有效解锁力F4的分解方法相同，以碰撞模型中车辆碰撞侧有效解锁力F4的分解计算为例进行分析，如图6所示。

图6中Fs为以解锁摆臂旋转轴线2的切线方向施力解锁的最小力值，可通过试验测试获得，直线1为解锁拉杆两端啮合点的连线，直线1与力Fs的夹角为γ，直线1与轴线1的切线方向夹角为 θ，则使门锁开启所需要的外把手有效解锁力F4可表示为：

4 加速度目标值的试验测试

为确定外把手平衡块设计计算过程中的加速度a1、a2与a3的目标数值，采用实车测量的方式进行了数据采集。如图7所示，在某三厢轿车图7所示位置的车门外板内侧沿车辆Y方向粘贴加速度传感器（因车门外板内侧安装面平整，有利于传感器的固定，同时又能保护传感器不受碰撞车辆的直接撞击而损坏），可用位置1代表前门平衡块位置的加速度，位置2代表前门锁位置的加速度，位置3代表后门平衡块位置的加速度，位置4代表后门锁位置的加速度。

图7 加速度采集位置

分别采集获得了某三厢轿车在 50km/h侧面碰撞试验过程中碰撞侧与非碰撞侧图中四个位置的最大瞬时加速度，并通过手动暴力关门试验的方式获得了该车型前后门图中四个位置的最大瞬时加速度如表1所示。

表1 瞬时加速度数值

由表1中碰撞侧四个位置的加速度a1与非碰撞侧四个位置的加速度a2对比分析可知，碰撞侧惯性加速度是非碰撞侧的两倍左右，这主要是由于碰撞过程中车辆变形与位移导致能量损失，非碰撞侧的惯性加速度较碰撞侧明显衰减。对比四个位置非碰撞侧惯性加速度a2与暴力关门产生的惯性加速度a3可知，因暴力关门引起的惯性加速度远大于非碰撞侧的侧碰惯性加速度。

5 基于加速度目标值的平衡块质量计算

5.1 平衡块质量最小值计算公式的分析

由表1可知，侧碰过程中车辆碰撞侧四个位置的加速度均远大于重力加速度g，因此，公式（3）的分母部分L2a1-LGg≈L2a1，将公式（10）与公式（11）带入公式（3）可得：

由公式（13）可以看出，惯性加速度a1越大，则平衡块质量 m2的最小值越大，即需要质量更大的平衡块来满足碰撞侧的碰撞要求，因此，实际设计过程中，惯性加速度a1的目标值应适当增大，以增加防止车辆碰撞侧异常开启的安全系数。

5.2 平衡块质量最大值计算公式的分析

将解锁拉杆有效惯性力F3的计算公式（11）带入平衡块质量 m2上限值的计算公式（9）可得平衡块质量 m2的上限值计算公式为：

由公式（14）可以看出，加速度a越大，则平衡块质量m2的上限值越小，即需要更小质量的平衡块来满足非碰撞侧的碰撞无开启要求以及暴力关门可靠性要求。因此，实际计算过程中应取a2与a3中的较大值作为加速度a的计算值，以增加防止车辆非碰撞侧异常开启的安全系数以及暴力关门可靠性的安全系数。

5.3 平衡块质量计算区间公式

综合公式（3）与公式（9）可得外把手平衡块的质量计算区间为：

式中 amax为 a2与 a3中的较大值。参照表 1中 a1、a2与a3的实测数值，为增加车辆的安全性能，计算时可取a1=100g与amax=100g作为目标值进行计算。

6 基于侧碰安全的外把手设计优化

6.1 回位弹簧扭矩T的设计优化可行性分析

图8 车门开启力受力分析示意图

对公式（15）分析可知，回位弹簧的回位扭矩T越大，则平衡块质量 m2的质量区间越大，即大的回位弹簧扭矩 T既有利于满足车辆的侧碰安全又有利于提高车门的关闭可靠性，但是，回位弹簧扭矩T的大小直接关系到车门开启力的大小，如图8所示，为车门开启力的受力分析示意图。

根据力矩平衡原理，可得回位弹簧回位扭矩的大小为：

式中 F0’为外把手作用于曲轴的开启力，F4max为车门锁在车门装配状态下的解锁力。

F0’与目标车门开启力的关系如图9所示。

图9 目标开启力示意图

其中F0为目标车门开启力，一般定义在40N～55N之间，以保证较好的车门开启力手感。则外把手作用于曲轴的的开启力F0’可表示为：

式中 l0为开门时食指以外把手旋转轴线为旋转轴的力臂。将公式（17）带入公式（16）可得目标车门开启力 F0下的回位弹簧扭矩计算公式为：

因此，在外把手结构一定的情况下，l0、L1、l1以及 L3均为定值，而F0为用户舒适操作力值，调整区间基本固定，F4max的大小取决于门锁的结构以及门系统的系统压力，因此，通过调整回位弹簧回位扭矩的方式提高车辆的侧碰安全系能与关门可靠性能可行性较差。

6.2 平衡块布置位置的设计优化分析

由平衡块质量区间计算公式（15）分析可知，外把手平衡块重力力臂LG越大，平衡块质量m2的质量区间越小，即大的外把手平衡块重力力臂 LG既不有利于满足车辆的侧碰安全，又不利于满足车辆的关门可靠性，因此，在车门外把手平衡块布置时，在空间上应尽量减小平衡块的重力力臂LG，即在空间满足的情况下尽量将平衡块往靠近平衡块旋转轴正上方的位置布置。

同时，平衡块惯性力力臂L2越大，平衡块质量m2的区间整体向数值减小的方向移动，即在空间布置满足的前提下，平衡块设计时可适当增大平衡块惯性力力臂L2，这样有利于减小平衡块的设计质量。

7 计算模型与实车工况的区别

本文所论述的侧碰过程中车辆碰撞侧与非碰撞侧的计算模型均以外把手曲轴是否旋转作为判断标准，而在实车碰撞过程中，外把手曲轴需旋转一定角度至解锁位置时才会导致车门锁的解锁，因此，本模型的建立条件较实际情况更为严格，并且本静态模型的建立方式是对实际复杂动态过程的简化，因此可采用本模型的建立方法作为判断依据。

此外，为简化计算过程，本计算模型中忽略了机构摩擦力的作用效果，因机构摩擦力的作用效果总是阻碍解锁过程的进行，因此，忽略机构摩擦力较实际情况也更为严格。

[1] 中华人民共和国标准化委员会.GB 20071-2006 汽车侧面碰撞的乘员保护[S].北京:中国标准出版社,2006.3.

[2] C-NCAP 管理中心.C-NCAP 管理规则（2012版）[S].天津:中国汽车技术研究中心,2012:28-29.

[3] 中华人民共和国标准化委员会.GB 15086-2013 汽车门锁及车门保持件的性能要求和实验方法[S],北京:中国标准出版社,2013:12-13.

[4] 刘哲.侧碰过程中侧门异常开启的探测和解决方法[J].汽车工程师,2015（1）:53-55.

[5] 刘海玲.汽车侧门外开启系统设计[J].上海汽车,2010（12）:26-27.