基于ADAMS的房车门锁机构仿真运动分析

向金田， 杨 梅*， 胡靖明， 杨金发， 李沫若， 张强林， 孙伟一， 王 壤

(1.甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.宁波望通锁业有限公司，浙江 宁波 315000)

我国是汽车制造与使用大国，而汽车的安全问题一直是消费者及社会各界关注度较高的焦点问题。随着汽车产业结构的完善以及各项技术的日益成熟，汽车安全性能也随之大幅提高，但如何更好地保护驾乘人员的安全一直以来都是汽车制造生产过程中的重要研究内容。当汽车在行驶过程中，车辆可能发生交通事故从而导致车辆出现强烈撞击或翻滚等突发状况，而这些情况的发生又可能导致车门锁意外打开，从而影响汽车驾乘人员的生命安全。在《GB20071—2006汽车侧面碰撞的乘员保护》[1]中明确车辆发生碰撞时车门始终要为关闭状态。在《中国新车评价规程》[2]文中也设定相关扣分规则，若车辆在碰撞过程中，每开启一个侧车门，将扣除1分。

为了解决汽车在发生事故时车门锁意外打开问题，相关学者对车门锁开展了多方面的研究。杨军等[3]分析出车辆在发生碰撞时车门开启的原因，并对相关结构进行优化，减小了车辆碰撞过程中车门锁打开的风险。丁光学等[4]通过对车门锁机构的开启建立数学模型，较真实地还原出碰撞过程中车门锁内部零件的运动情况。曹燎原等[5]使用MSC·ADAMS运动仿真软件对某锁制机构进行分析，该研究说明了MSC·ADAMS软件对门锁机构的运动学仿真是完全适用的。由于在特定工况下对其车门锁内部零件运动情况进行仿真分析的相关文章未见报道，本研究通过模拟仿真分析出当汽车启动后，车辆速度较低且车门锁未自动落锁前(锁舌安全插销未插入)受到后方车辆碰撞时的车门锁内部主要零件运动情况。通过对某房车门锁水平运动方向分别设定1 g到15 g的15个不同的惯性载荷[6]数值，在运用ADAMS软件进行运动学仿真并分析出在对应的惯性载荷下主锁锁舌最大位移量，最终得到能够开启车门的临界惯性载荷数值，为进一步提高车门锁的可靠性和安全性提供理论依据。

1 仿真虚拟样机的建立

1.1 模型简化与建立

首先对本文所研究的房车门锁进行简化，简化后的房车门锁主要由主锁体、主锁体连接板、主锁锁舌、主锁齿条、圆柱直齿轮、主锁体压板盘、主锁体双联齿、主锁体压板盘、主锁内联动块、主锁内转动盘以及主锁内把手等其他零件组成。运用SolidWorks软件建立简化后的模型，并将建立的三维模型导入ADAMS软件中。门锁运动学模型如图1所示。

图1 运动学模型

1.2 房车门锁机构运动原理

简化后的房车门锁结构如图2所示，当主锁锁舌自由伸出时，保持车门关闭状态。当需要打开车门时，则需要手动解锁，解锁的过程为：顺时针转动主锁内把手，主锁内把手会带动与之相连接的主锁内转动盘转动，转动方向与主锁内把手保持一致，主锁内转动盘的齿轮又与主锁内联动的齿条相啮合。当齿轮顺时针转动时，主锁内联动块在齿条的带动下向下移动，与之相连的主锁体连接板也相应地向下运动。主锁体连接板上的齿条通过主锁双联齿带动圆柱直齿轮齿轮顺时针转动，从而带动主锁齿条压缩锁舌销末端弹簧使主锁锁舌收回，最终使得车门打开。

图2 房车门锁结构1.主锁体；2.主锁锁舌；3.前置弹簧；4.主锁体连接板；5.后置弹簧；6.主锁齿条；7.圆柱直齿轮；8.主锁体双联齿；9.主锁体压板盘；10.主锁内把手；11.主锁内转动盘；12.主锁内联动块

1.3 定义特征

1.3.1 定义零件材料属性

根据房车门锁各零件加工材料，在ADAMS软件中设置各个零件进行材料属性，如表1所示。

表1 零件材料属性表

1.3.2 设置运动副

根据各零件运动情况，对各零件进行运动副的定义如表2所示。

表2 零件运动副表

1.3.3 定义弹簧参数

弹簧是房车门锁的重要构成部件，弹簧参数的准确与否直接关系这车门锁的可靠性与稳定性，设置弹簧参数如表3所示。

表3 弹簧参数表

由弹簧弹性系数计算公式：

(1)

式中：k为弹簧弹性系数；Δf为力相对于弹簧位移的变化量，N；Δx为弹簧的位移量，mm。

由公式(1)及表3数据，计算锁舌轴销前端弹性系数k1和锁舌轴销后端弹簧弹性系数k2如式(2)(3)。

(2)

(3)

由式(2)(3)分别得出两个弹簧得弹性系数均为0.15 N/mm。

由表3数据，锁舌轴销前端弹簧有8 mm的预紧长度，锁舌轴销后端弹簧有1 mm的预紧长度，据公式：

f=k×x

(4)

计算出锁舌轴销前端弹簧需要加1.2 N的预紧力，锁舌轴销后端弹簧需要加0.15 N的预紧力。

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2 房车门锁机构仿真参数设置

2.1 添加驱动

由房车门锁机构运动原理可知，当车辆行驶过程中与后方车辆发生碰撞时，车门锁受到与主锁锁舌压缩位移方向的惯性载荷，其车门锁内部在该方向能够产生力的零件为主锁锁舌和主锁齿条，所以主锁锁舌和主锁齿条为主动件，在添加驱动力时应将主锁锁舌和主锁齿条加以相应的等效驱动力。为方便添加驱动力，将惯性载荷转换为力进行等效转化，计算出各零件质量情况后，模拟仿真时便可以将惯性载荷转换为力加载在相应零件上，公式如式(5)所示。

F=m×a

(5)

式中：F为加载在构件上的力，N；m为加载力所在构件的质量，kg；a为加载在构件上的加速度，m/s2。

由于需要计算等效驱动力，从而需得到每个构件的质量。在Adams中设置好材料属性后，会加载出相应材料密度，Adams会自行计算出定义材料属性后的每个零件质量，各零件质量如表4所示。

表4 零件质量表

由表4、公式(5)可得出所需加载的零件驱动力大小，如表5所示。

表5 零件驱动力表

2.2 添加接触力

由于Adams软件不能自动识别构件与构件间的相互接触，而每个构件的材料又可能不同，导致不同零件相互接触的接触力参数可能不同。因此，需要通过添加接触力的方式来实现各零件之间力的传导。为了更好地还原齿轮接触碰撞的真实性，齿轮间的啮合被定义为基于接触碰撞的力约束关系，且仅有此种约束关系[7-9]。通过查阅相关资料对房车门锁各个零件所对应材料进行设置，经过调试后，最终确定的接触参数设置如表6所示。

表6 接触力参数表

表中：K为Stiffness(刚度系数)；c为Damping(阻尼系数)；e为Force Exponent(力指数)；d为Penetration Depth(渗透深度)；vs为Stiction Transition Vel(静摩擦转换速度)；vd为Friction Transition Vel(动摩擦转换速度)；mus为StaticCoefficient(静摩擦系数)；mud为Dynamic Coefficient(动摩擦系数)；R为Coefficient of Restitution(恢复系数)。

各零件接触力参数设置如表7所示。

表7 接触力参数表

3 房车门锁机构仿真结果与分析

3.1 模拟试验结果

图3 锁舌位移

由图分析可知，车辆在发生碰撞时，由于在1 g惯性载荷作用下主锁锁舌与主锁齿条产生驱动力，从而带动车门锁其他机构开始运动，锁舌也发生与之相应的位移。该情况下主锁锁舌的初始位置为263.5 mm，最大位移为265.079 5 mm，位移差为1.579 5 mm，故该情况下主锁锁舌的最大位移量为1.579 5 mm。

由于主锁锁舌的自由伸出长度为后置弹簧工作压缩长度13mm，该情况下主锁锁舌位最大移量小于主锁锁舌自由伸出长度，故此情况下车门未被打开，还处于关闭状态。

为研究车辆发生碰撞时，所受惯性载荷数值在多大情况下使得车门被打开，现设定1 g到15 g的15个不同的惯性载荷数值进行模拟仿真试验，测定出主锁锁舌相对应的位移数据，最终得到的模拟仿真试验结果如表8所示。

表8 模拟仿真试验结果

3.2 模拟试验分析

Origin软件是一款功能强大的数据处理软件。利用Origin软件的自定义函数编辑功能，可简便、快速、准确地实现非线性方程的编辑和拟合[10，11]。为更好地分析房车门锁主锁锁舌运动情况，采用Origin 2019b软件对模拟仿真试验结果进行数据处理。选择合适的非线性拟合方程，是提高拟合程度的有效途径[12，13]。经对比分析后，选用polynomial模型对此试验结果进行非线性拟合，所得拟合方程为：

y=-5.420 03+16.443 51x-14.390 11x2

+6.111 47x3-1.311 46x4+0.155 69x5

-0.010 43x6+3.69 47×10-4x7-5.337 98 ×10-6x8-2.558 75×10-9x9

(6)

式中：x为惯性载荷数值，g；y为锁舌最大位移量，mm。

该拟合方程的预测决定系数R2=0.997 3，拟合程度较高，能很好地表达出主锁锁舌所受惯性载荷数值与最大位移量之间的函数关系。当车辆碰撞过程中，若要出现车门被打开的可能，则需要主锁锁舌运动的最大位移量等于自由伸出长度。主锁锁舌最大位移量13 mm，所以取y=13，由式计算可得出x=5.472。因此，由分析可得，当车辆碰撞时的惯性载荷数值达到5.472 g时，此时车门将有被打开的可能。

根据试验数据及拟合方程，利用Origin软件进行非线性拟合，可得到拟合曲线如图4所示。

图4 主锁锁舌最大位移量拟合曲线

由图4可以看出，当主锁锁舌所受惯性载荷数值小于7 g时，锁舌最大位移量变化较明显。当主锁锁舌所受惯性载荷数值等于7 g时，锁舌最大位移量为15.005 1 mm，已大于锁舌自由伸出长度，此时车锁处于打开状态。当主锁锁舌所受惯性载荷数值大于7 g时，此时前置弹簧与后置弹簧的压缩量都已超过工作压缩量，主锁锁舌位移量所受惯性载荷数值变化较小，随着惯性载荷数值的增大，主锁锁舌位移量在15.011 1 mm附近波动。

4 结论

(1)运用SolidWorks软件对某房车门锁进行三维建模，通过对房车门锁加以不同数值大小的惯性载荷来模拟车辆发生碰撞时房车门锁内部零件的运动情况。

(2)采用ADAMS软件对房车门锁机构进行仿真试验，运用origin软件对试验结果进行数据处理。经试验数据分析后，得出房车门锁机构所受惯性载荷数值大小与主锁锁舌最大位移量之间的函数关系，进而得出当碰撞时的惯性载荷数值达到5.472 g时，锁舌的最大位移量已达到13 mm，此时车门有被打开的风险。本研究通过软件模拟试验与数据处理相结合的方法，分析出房车门锁内部零件运动情况，为进一步增加汽车门锁的可靠性和安全性提供了理论依据。