侧面碰撞过程中前门异常开启问题的改进

吴欢辉 吴黎 李荣

（广汽菲亚特克莱斯勒汽车有限公司产品工程技术中心）

随着我国社会经济的高速发展，汽车行业也蓬勃地发展起来，随之汽车交通事故也越来越多，而碰撞是汽车最常见的事故。汽车在受到侧面碰撞过程中，车门的异常开启会危害到汽车内部驾驶员、乘员的安全。C-NCAP从2006年建立起来后，其发布的车辆安全评级标准受到购车客户的广泛关注，各大汽车厂都将其要求作为参考来设定新车型开发的目标。在C-NCAP管理规则（2018版）中规定，在可变形移动壁障侧面碰撞试验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1分[1]。某车型开发过程中侧面碰撞试验时出现车门异常开启的问题，文章对车门系统进行的系统分析，总结可能的失效的原因，提出了门拉手是受惯性力的影响导致车门自动解锁的异常开启，同时对问题进行模拟分析，对其结构进行改进，以及进行CAE仿真分析和实车验证，结果表明该改进方案有效地解决了侧面碰撞时前门开启的问题。

1 问题描述与分析

1.1 问题的描述

某车型在开发过程中，进行侧面碰撞试验，对比C-NCAP 2015、2018版本当中最大的变化点就是侧碰移动壁障的质量增加了450 kg，臂障的中心高度也增加了50 mm，试验难度提升。在该试验中驾驶员侧的车门发生了开启现象。图1示出碰撞中驾驶员侧车门异常开启。

图1 前门异常开启

根据C-NCAP管理规则（2018版）要求，由于在侧面碰撞过程中前门的异常开启，导致驾驶员不能起到应有的保护作用，从而导致得分的降低，在新车评价时要被减去1分。该品牌系列车型该项均是以满分20分通过，出现罚分与其开发目标不符，需要进行改进。

1.2 问题的分析

根据过往学者的研究和分析，汽车在侧面碰撞过程中，车门异常开启主要有以下3个原因：1）门锁系统的惯性力，车辆在受到侧面撞击的过程中，车门外板会产生塑性和弹性形变，整车在碰撞下同时也会产生位移，车门外拉手保持惯性不动的瞬间，相当于拉动外拉手，达到解锁行程后，车门解锁开启。2）车门钣金直接撞击门锁解锁结构，第1种失效模式是：内板或者外板在变形时直接撞击锁体处解锁连杆解锁；第2种失效模式是：车门外板推动拉手的配重块，配重块驱动门锁解锁。3）车门钣金变形驱动外拉手解锁，门钣金在撞击过程产生变形，带动安装在外板上面的门拉手本体移动，使门拉手与门锁之间的上下相对位置产生变化，拉杆移动达到解锁行程后车门开启[2-10]。

对试验完成后的试验车进行检查，首先排除了门钣金直接撞击门锁解锁结构这个潜在原因。如图2所示，外解锁使用的拉锁并不是拉杆且车门的内外钣金并未撞击到门锁的锁体；接下来对比碰撞前后车门外拉手的相对位置，测量前后相对位置相差为5 mm左右，远不足开启门锁的行程，也排除了门钣金变形驱动门外拉手解锁；排除了这2个原因后，只留下门锁系统的惯性力这个潜在原因。

图2 问题车型的门锁系统图示

通过仔细观察试验录像，反复对比，可以看到在碰撞过程中的前门的外门拉手，在侧碰移动壁障碰撞车辆时车辆整体加速，而车门外拉手保持原有的运动状态的倾向，而车门的外钣金在撞击的过程中产生变形，门拉手由于惯性保持不动的瞬间，视觉上看到的是仿佛有股无形中的力将外拉手拉开，如图3所示。车辆随后发生位移，在达到解锁行程时将车门打开，车门自动解锁，问题车型就是在这种情况下，车门发生了异常开启。

图3 前门外拉手由于惯性保持原有姿态

2 模拟分析及结构改进

2.1 模拟分析

该车型的门锁开发满足GB 15086—2013中的要求，在任何方向上门锁系统均要能够承受30 g的惯性载荷，且保持在锁紧位置，同时门锁的设计应保证能防止车门意外打开。该车型理论上不应该出现碰撞中门锁异常开启的现象。在查阅车型设计目标时发现碰撞是按照E-NCAP要求来进行开发的，对比新版C-NCAP2018侧面碰撞试验最大的差异点就是侧碰移动壁障的质量增加了100 kg，同时障碍物高度也增加了50 mm，碰撞时对车门系统的冲击会增大很多。

按C-NCAP2018建立CAE分析模型，通过计算分析，对比侧面碰撞分析结果车门拉手区域的变形结果和试验变形完全一致，说明该CAE分析模型的可信度很高，如图4所示。

图4 侧面碰撞CAE和试验结果对比

2.2 结构改进

从CAE分析的结果可以很明显地看出，在侧面碰撞过程中，车门拉手位置发生了很大的变形，尤其在特征线下方与门拉手的上部发生了很严重的凹陷。该凹陷变形使得门拉手区域较大的Y方向的变形。在前面的分析中提到的车门外拉手由于受惯性力保持原有的姿态的倾向下，该变形会带动车门内拉手向车内移动，当车门外拉手和车门内拉手2者的位移量达到门锁解锁要求的行程时，就会导致解锁的发生。

要想改进该车门异常开启的问题，就要减小车门内外拉手的位移量，减小变形。针对变形区域大的位置，即车门拉手上部特征线的下方增加一个支架，来减小变形量，如图5所示。

图5 车门系统改进前后对比

2.3 试验验证

为验证该方案的有效性，将支架绘制成网格模型，如图6所示。

图6 改进后的有限元模型

将新改进后的模型，重新计算分析，结果如图7所示。从分析结果上看，之前门拉手的上方，在碰撞完成后只有轻微的变形，对比之前有很大的改善。从解锁的位移量上看，门内拉手在碰撞后几乎对位移没有贡献，在侧面碰撞测试中车门异常开启的问题应该能够解决，为验证该方案的有效性，继续进行实车碰撞试验。

图7 改善后的CAE分析结果

为满足车型的开发节点，缩短零件制作周期，选择开软模的方式制作试验件，同时协调焊装生产员工手工焊接支架，生产车门钣金总成，在焊装车间装配到量产车型上，经过电泳完成后拆卸该车门。立即发送到试验场，再通过替换掉预先已在试验场备用车辆的前门钣金总成的方式来缩短准备试验车辆的时间。

图8 手工焊接的支架和车门钣金总成

试验继续按照C-NCAP 2018侧面碰撞的要求进行，图9示出改进后的车门进行的碰撞试验，试验结果和CAE的模型一致性相吻合，车门拉手位置的变形得到了明显改善，在试验过程中车门门锁系统始终保持闭合，该改进方案有效地解决了碰撞过程中车门自动解锁的异常开启问题，完成了车型开发目标。

图9 改进后的车门进行的碰撞试验

3 结论

该车型侧面碰撞过程中发生的驾驶员侧车门开启问题是由于在C-NCAP 2018对比E-NCAP的要求中避障的质量增加了100 kg，同时位置提高了50 mm，给车门的冲击过大，车门原结构已不能满足试验要求。1）在侧面碰撞过程中，车门拉手位置发生了很大的变形，尤其在特征线下方与门拉手的上部发生了很严重的凹陷。该凹陷变形使得门拉手区域较大的Y方向的变形，该变形会带动车门内拉手向车内移动，同时车门外拉手由于受惯性力保持原有的姿态的倾向，当车门外拉手和车门内拉手两者的位移量达到门锁解锁要求的行程时导致解锁的发生。2）对于因为门外板变形导致的门锁开启问题，通过改进该车门结构即车门拉手上部特征线的下方增加一个支架，来减小碰撞后的变形量，从而解决这一类的问题。3）运用有限元方法建立侧面碰撞分析模型，能够准确地模拟碰撞后车门的形变，且能很好地发现和解决车门自动解锁的异常开启问题。