門鎖系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及其對車輛聲品質(zhì)的影響

李占營（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定071000）

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門鎖系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及其對車輛聲品質(zhì)的影響

李占營
（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定071000）

【摘要】為了削弱汽車門鎖系統(tǒng)對開關(guān)門聲品質(zhì)造成的影響，通過優(yōu)化門鎖內(nèi)部結(jié)構(gòu)、在門鎖內(nèi)各機構(gòu)間接觸部位增加緩沖裝置、調(diào)整止動爪彈簧力值、優(yōu)化旋轉(zhuǎn)卡板與鎖扣間切入角度、提高鎖扣安裝點剛度等措施，減小開關(guān)門瞬間門鎖與鎖扣產(chǎn)生的撞擊及門鎖內(nèi)部各機構(gòu)之間的撞擊聲。通過對優(yōu)化后的門鎖進行聲學(xué)測試和實際評價可知，客觀測試數(shù)據(jù)和主觀評價感受均達到了預(yù)期效果。

主題詞:聲品質(zhì)車門門鎖鎖扣剛度

1　前言

日本學(xué)者將車輛噪聲提煉為14類評價指標(biāo)，而英國Ricardo等研究人員則將噪聲的評價歸類為5種指標(biāo)[1]。美國福特公司Otto等人在此基礎(chǔ)上對汽車聲音的主觀評價試驗方法進行了詳細的概述[2]，為聲品質(zhì)的主觀評價試驗奠定了基礎(chǔ)。然而，對車輛聲品質(zhì)差的原因分析方面，雖然對車門鈑金結(jié)構(gòu)、車門下垂剛度、密封條的影響、車身累計公差的影響等因素進行過一些探討［3～5］，但是在門鎖對關(guān)門聲品質(zhì)的影響分析方面相對較少，導(dǎo)致目前大部分車輛車門聲品質(zhì)仍達不到期望效果。為此，本文從汽車門鎖系統(tǒng)的設(shè)計方面進行探討和實踐論證，為減少因車門鎖系統(tǒng)設(shè)計不合理造成的開關(guān)門雜音提供建議。

2　門鎖結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1車門鎖結(jié)構(gòu)簡介

車門鎖系統(tǒng)主要由爪支座、旋轉(zhuǎn)卡板、止動爪、鎖扣和彈簧等組成，如圖1所示。門鎖的主要工作原理：在鎖扣進入爪支座過程中，通過鎖扣擠壓旋轉(zhuǎn)卡板，使旋轉(zhuǎn)卡板繞安裝軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)卡板旋轉(zhuǎn)到第1擋位置時，止動爪在彈簧作用下旋轉(zhuǎn)并卡住旋轉(zhuǎn)卡板1擋卡爪，以防止旋轉(zhuǎn)卡板回轉(zhuǎn)，保證鎖扣不從旋轉(zhuǎn)卡板中脫出；當(dāng)鎖扣繼續(xù)往爪支座內(nèi)壓入到第2擋位置時，止動爪在驅(qū)動彈簧作用下卡住旋轉(zhuǎn)卡板2擋卡爪，最終鎖扣被旋轉(zhuǎn)卡板和爪支座牢牢卡住，此時門鎖完全鎖閉。在打開車門時，只需要通過遙控開關(guān)驅(qū)動門鎖電機，使止動爪旋轉(zhuǎn)到原來位置并從旋轉(zhuǎn)卡板中脫出，旋轉(zhuǎn)卡板在回位彈簧作用下旋轉(zhuǎn)到開鎖位置，鎖扣順利脫出，開門成功。

通過對門鎖結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，在開關(guān)門過程中因門鎖系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲包括鎖扣與旋轉(zhuǎn)卡板撞擊產(chǎn)生的噪聲、鎖扣與爪支座產(chǎn)生的噪聲、旋轉(zhuǎn)卡板與止動爪撞擊產(chǎn)生的噪聲、旋轉(zhuǎn)卡板與爪支座撞擊產(chǎn)生的噪聲、止動爪與爪支座產(chǎn)生的噪聲等。在上述噪聲因素中，旋轉(zhuǎn)卡板是最關(guān)鍵因素，因為其在整個門鎖系統(tǒng)運動過程中與周邊零部件的碰撞最多，聲音最大。所以，為了降低門鎖系統(tǒng)造成的聲品質(zhì)問題，必須首先對旋轉(zhuǎn)卡板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動校核分析和碰撞分析進行全面探討，同時需要對爪支座、止動爪等零部件的運動碰撞進行FEA仿真分析和優(yōu)化，從而提高開關(guān)門聲品質(zhì)。

圖1　車門鎖系統(tǒng)組成

2.2旋轉(zhuǎn)卡板與鎖扣切入位置的形狀設(shè)計

在車門關(guān)閉時，優(yōu)化設(shè)計旋轉(zhuǎn)卡板與鎖扣的嚙合過程對減小撞擊噪聲非常關(guān)鍵。通常情況下，設(shè)鎖扣的運動方向與旋轉(zhuǎn)卡板輪廓嚙合點切線方向夾角為α，旋轉(zhuǎn)卡板對鎖扣的撞擊力為F，通過力的分解可知，鎖扣在垂直撞擊旋轉(zhuǎn)卡板的力F1為：

F1=F×sinα

當(dāng)夾角α設(shè)計為90°時，旋轉(zhuǎn)卡板與鎖扣會產(chǎn)生最直接的正面碰撞，不但容易產(chǎn)生較大的噪聲，還會加大二者之間的碰撞力。夾角α越小，則F1越小，關(guān)門時旋轉(zhuǎn)卡板與鎖扣之間嚙合過程變長，從而使鎖扣平順切入旋轉(zhuǎn)卡板。這種設(shè)計既可減小撞擊噪聲，也可減小旋轉(zhuǎn)卡板對鎖扣的反作用力，使車門更容易關(guān)閉。通過對不同設(shè)計角度的效果對比試驗分析，建議夾角α≤35°，以獲得較好的關(guān)門效果。目前部分車型如寶馬、奧迪、奔馳等，已開始將旋轉(zhuǎn)卡板與鎖扣初始接觸部位的輪廓形狀改為內(nèi)凹形式，以期進一步減小夾角，使關(guān)門過程更加平穩(wěn)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　鎖扣與旋轉(zhuǎn)卡板切入角度示意

2.3旋轉(zhuǎn)卡板與鎖扣撞擊部位的緩沖設(shè)計

即使夾角α很小，也無法完全避免碰撞噪聲，因為鎖扣是鐵質(zhì)，而旋轉(zhuǎn)卡板的包塑層通常采用Hytrel 5526材料，硬度較大，產(chǎn)生關(guān)門噪聲的主要原因是棘輪與鎖扣間的振蕩沖擊現(xiàn)象。影響撞擊激烈程度的重要因素是旋轉(zhuǎn)卡板a、b部位的形狀以及二者之間的距離（圖3）。為了減小振蕩沖擊噪聲，通常在旋轉(zhuǎn)卡板與鎖扣接觸位置設(shè)計若干個緩沖槽，緩沖槽的尺寸和形狀不但要考慮緩沖效果，還要保證門鎖長時間使用的可靠性，以避免產(chǎn)生磨損損壞。一般要求緩沖槽到旋轉(zhuǎn)卡板外輪廓的距離在0.3～0.8 mm之間。有時為了得到更好的緩沖效果，也可在旋轉(zhuǎn)卡板上并排設(shè)計兩個緩沖槽，對撞擊進行兩次緩沖，進一步減小關(guān)門撞擊聲。

圖3　旋轉(zhuǎn)卡板緩沖槽

當(dāng)旋轉(zhuǎn)卡板與鎖扣第一次碰撞后，旋轉(zhuǎn)卡板將繞自身軸線快速旋轉(zhuǎn)。由于慣性原因，旋轉(zhuǎn)卡板的a側(cè)與鎖扣脫離后，將緊接著與旋轉(zhuǎn)卡板b側(cè)撞擊，如此反復(fù)幾次之后才進入最終鎖閉狀態(tài)，所以需要在旋轉(zhuǎn)卡板的a、b兩側(cè)都設(shè)計緩沖槽，從而降低鎖扣與旋轉(zhuǎn)卡板之間的振蕩撞擊，更有效降低關(guān)門噪聲。

2.4旋轉(zhuǎn)卡板旋轉(zhuǎn)力矩設(shè)計

在關(guān)門初期階段，鎖扣進入爪支座過程中需要克服旋轉(zhuǎn)卡板的阻力，該阻力包括旋轉(zhuǎn)卡板的回位彈簧力、旋轉(zhuǎn)卡板與爪支座之間的摩擦力、旋轉(zhuǎn)卡板與止動爪之間的摩擦力。

旋轉(zhuǎn)卡板的回位彈簧力值設(shè)計很關(guān)鍵，力值太大將直接導(dǎo)致鎖扣的阻力加大，進而導(dǎo)致關(guān)門力大，噪聲變大。力值也不能過小，若該力值不能克服旋轉(zhuǎn)卡板與爪支座之間的摩擦力，將會導(dǎo)致車門第1擋鎖不能正常開啟。旋轉(zhuǎn)卡板、止動爪與爪支座之間的摩擦力除了與材料摩擦系數(shù)有關(guān)，還和環(huán)境溫度有關(guān)，設(shè)計時必須同時考慮低溫環(huán)境影響因素。

通過測試兩個知名品牌的門鎖旋轉(zhuǎn)卡板旋轉(zhuǎn)力值（表1）發(fā)現(xiàn)，兩門鎖在第1擋鎖閉時的旋轉(zhuǎn)力值基本一樣，其中甲鎖測量6次的平均旋轉(zhuǎn)力值為11.7 N，乙鎖測量6次的平均旋轉(zhuǎn)力值為11.8 N。然而在第2擋鎖閉時二者力值發(fā)生了較大差異，其中甲鎖測量6次的平均旋轉(zhuǎn)力值為23.0 N，乙鎖測量6次的平均旋轉(zhuǎn)力值為17.3 N，即甲鎖旋轉(zhuǎn)力值從第1擋到第2擋增加了11.3 N，而乙鎖旋轉(zhuǎn)力值從第1擋到第2擋只增加了5.5 N。該旋轉(zhuǎn)力值越小，關(guān)門力越小，關(guān)門過程中撞擊聲音也就越小，所以說明乙鎖該項性能優(yōu)于甲鎖。建議甲鎖通過調(diào)整彈簧的長度、螺距、直徑、簧絲直徑等參數(shù)優(yōu)化彈簧力值性能。

表1兩個知名品牌門鎖旋轉(zhuǎn)力測量值N

2.5爪支座對鎖扣的緩沖設(shè)計

若鎖扣與爪支座之間未設(shè)計緩沖塊，在車門完全關(guān)閉瞬間，鎖扣與爪支座之間將會產(chǎn)生直接的金屬撞擊，不但造成較大的噪聲，還容易損壞整個爪支座。因此，必須在鎖扣與爪支座之間設(shè)計緩沖塊。緩沖塊的材質(zhì)為橡膠，采用NBR（丁晴橡膠）材料，硬度通常為HS60左右。通常會在橡膠塊上設(shè)計一個異形孔，如圖4所示，以便將緩沖塊與鎖扣之間的壓縮量加大到2～3 mm，從而有效吸收由制造帶來的偏差。

圖4　旋轉(zhuǎn)卡板中的緩沖膠塊

緩沖塊對鎖扣的擠壓力值也是一個關(guān)鍵設(shè)計點，擠壓力過大將導(dǎo)致車門不易關(guān)閉，而擠壓力太小會導(dǎo)致鎖體與鎖扣咬合不緊，在車輛行駛過程中產(chǎn)生相對運動，進而產(chǎn)生“咯吱咯吱”的響聲，同時也會影響門鎖的使用壽命。緩沖塊對鎖扣的擠壓力一方面取決于橡膠硬度特性，另一方面取決于緩沖塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過測量兩個知名品牌的門鎖可知，緩沖塊對鎖扣的壓力并不一樣，具體數(shù)值如表2所列。

表2兩個知名品牌門鎖的緩沖塊對鎖扣壓力的對比　N

通過表2測量數(shù)值發(fā)現(xiàn)，甲鎖緩沖塊對鎖扣的平均壓力值為29.18 N，乙鎖緩沖塊對鎖扣的平均壓力值為13.68 N，說明甲鎖不利于車門關(guān)閉，但在行車狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)卡板與鎖扣咬合更緊，不易產(chǎn)生相對運動，而乙鎖正好相反。通過實車試驗發(fā)現(xiàn)，乙鎖的確出現(xiàn)了車門鎖不緊產(chǎn)生異響的問題，需要改進。通過經(jīng)驗，緩沖塊對鎖扣擠壓力建議設(shè)計到15～20 N之間，既可保證行車不出現(xiàn)異響，又可保證關(guān)門力良好。

2.6旋轉(zhuǎn)卡板與止動爪、爪支座的緩沖設(shè)計

在鎖扣進入旋轉(zhuǎn)卡板過程中，隨著旋轉(zhuǎn)卡板的轉(zhuǎn)動，同時也帶動止動爪轉(zhuǎn)動，每當(dāng)?shù)竭_一個擋位時，止動爪與旋轉(zhuǎn)卡板都會發(fā)生碰撞，如圖5所示，若沒有緩沖設(shè)計，也會產(chǎn)生一定的噪聲，因此需要在旋轉(zhuǎn)卡板與止動爪的接觸部位設(shè)計適當(dāng)緩沖槽，以減緩撞擊帶來的噪聲。緩沖槽的長度一般設(shè)計在5～8 mm，而寬度設(shè)計為1～2 mm即可。

圖5　旋轉(zhuǎn)卡板上的緩沖槽

在第2擋位鎖緊瞬間（即完全鎖閉時），旋轉(zhuǎn)卡板端部與鎖體之間也會產(chǎn)生撞擊。要想消除此處撞擊聲，設(shè)計時需要保證旋轉(zhuǎn)卡板與鎖體之間在鎖閉狀態(tài)下有2 mm的間隙，如圖5所示。也可以采用緩沖設(shè)計方法，在鎖體與旋轉(zhuǎn)卡板間設(shè)計緩沖結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

在車門打開后，鎖扣與旋轉(zhuǎn)卡板完全脫開，旋轉(zhuǎn)卡板在回位彈簧作用下旋轉(zhuǎn)回到最初狀態(tài)，由于彈簧的作用力，旋轉(zhuǎn)卡板會瞬間撞擊到鎖體，從而產(chǎn)生撞擊聲，若未考慮在旋轉(zhuǎn)卡板與爪支座之間設(shè)計緩沖結(jié)構(gòu)，開門時將產(chǎn)生較大撞擊噪聲，最終給開門聲品質(zhì)帶來影響。為減小此處的撞擊噪聲，一般在鎖體上設(shè)計一個緩沖塊，如圖7所示，該緩沖塊材質(zhì)一般選擇為Al?cyrn2070，要求與旋轉(zhuǎn)卡板面接觸面積越大越好，建議不小于9 mm2。若無法在鎖體上設(shè)計緩沖塊，也可以在旋轉(zhuǎn)卡板上開一個緩沖槽，如圖8所示，同樣可以起到減緩旋轉(zhuǎn)卡板撞擊鎖體的效果。

圖6　旋轉(zhuǎn)卡板與緩沖結(jié)構(gòu)

圖7　鎖體緩沖膠塊

圖8　旋轉(zhuǎn)卡板上的緩沖槽示意

3　車門鎖扣安裝點剛度分析

3.1車門鎖扣安裝點剛度設(shè)計優(yōu)化

鎖扣通常用螺栓安裝到側(cè)圍BC柱部位。關(guān)門撞擊聲通過鎖扣安裝點傳遞給側(cè)圍BC柱，尤其是后門，鎖扣安裝到側(cè)圍C柱時問題表現(xiàn)得更加突出（C柱內(nèi)部是一個較大的空腔結(jié)構(gòu)，由于存在空腔模態(tài)，空腔結(jié)構(gòu)會放大該部位的撞擊聲，產(chǎn)生更大的關(guān)門噪聲）。為了盡量減小聲音傳遞，可以從4個方面進行優(yōu)化設(shè)計：第一在鎖扣與側(cè)圍中間設(shè)計一個橡膠隔振墊，如圖9所示，通過橡膠隔振墊減緩聲振傳遞函數(shù)；第二可以在側(cè)圍外板內(nèi)部張貼阻尼膠片，增加側(cè)圍外板阻尼性能，減少振動和噪聲；第三是往C柱空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)注射發(fā)泡膠，改變空腔模態(tài)，避免空腔對聲音的擴大效應(yīng)；第四是通過提高鎖扣安裝點剛度模態(tài)，減少由于關(guān)門撞擊鎖扣產(chǎn)生的振動和噪聲。

圖9　鎖扣安裝橡膠墊

后門鎖扣安裝點位于側(cè)圍C柱，其剛度較前門鎖扣安裝點?。ㄇ伴T鎖扣位于側(cè)圍B柱，內(nèi)有加強板）。為了增大C柱剛度，需要在C柱鎖扣安裝點處增加鎖扣加強板（圖10）或增加發(fā)泡隔聲膠塊（圖11）。

圖10　鎖扣安裝點加強板

圖11　發(fā)泡隔聲膠塊

為了確保鎖扣安裝點剛度符合設(shè)計要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后需通過有限元分析方法對其進行仿真分析。表3為某車型在鎖扣部位增加加強板前、后鎖扣安裝點剛度改善效果。

表3結(jié)構(gòu)改進前、后安裝點剛度數(shù)據(jù)對比

3.2車門鎖系統(tǒng)優(yōu)化后性能驗證

為了驗證C柱發(fā)泡隔聲膠塊的實際效果，對某款車C柱鎖扣安裝點部位進行了不增加發(fā)泡隔聲膠和增加發(fā)泡隔聲膠兩種狀態(tài)車輛NVH性能測試，測試內(nèi)容主要包括聲音的響度、尖銳度、聲壓級3個指標(biāo)[3]。試驗數(shù)據(jù)如表4所列。

表4增加發(fā)泡隔聲膠前、后聲品質(zhì)對比

根據(jù)表4的試驗數(shù)據(jù)可知，增加發(fā)泡隔聲膠后關(guān)門響度降低1.4 Sone，尖銳度降低0.05 Acum，聲壓級增加0.1 dB（A）（根據(jù)經(jīng)驗判定為測量誤差）；開門響度降低3.0 Sone，尖銳度降低0.01 Acum，聲壓級降低2.1 dB（A）。

圖12為車門優(yōu)化前、后開關(guān)門聲品質(zhì)測試頻譜對比。通過關(guān)門頻譜對比可以發(fā)現(xiàn)，改善后較改善前在60～200 Hz區(qū)域能量有所降低；通過開門頻譜可以發(fā)現(xiàn)，改善后較改善前在800～2 000 Hz區(qū)域能量降低比較明顯。

通過NVH試驗表明，對鎖扣安裝點增加發(fā)泡隔聲膠進行優(yōu)化后，開關(guān)門聲品質(zhì)提升較為明顯。同時為保證門鎖可靠性要求，對改進后的門鎖進行了12萬次的耐久試驗、過載關(guān)門試驗等，其中還包括一些基本功能的測試。試驗過程中未發(fā)現(xiàn)有裂紋、變形等損壞現(xiàn)象，所有部件運動正常，表明改進后的門鎖能夠滿足門鎖耐久性使用要求。

圖12　改進前、后聲品質(zhì)頻譜測試對比

4　總結(jié)

通過對車門鎖的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合實際現(xiàn)場匹配驗證，提出了一系列門鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化建議，并對整改效果進行了試驗驗證和評價，結(jié)果證明改進措施對車門關(guān)閉聲品質(zhì)提升效果明顯，可以廣泛借鑒應(yīng)用。但是，要想獲得一個非常好的關(guān)門聲品質(zhì)，僅針對車門鎖進行優(yōu)化和設(shè)計還遠遠不夠，還要對車門的其它相關(guān)系統(tǒng)進行優(yōu)化，如車門玻璃升降系統(tǒng)優(yōu)化、車門密封系統(tǒng)優(yōu)化、鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、車門補強膠片、阻尼膠片的設(shè)計和布置優(yōu)化等。

參考文獻

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（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2015年11月1日。

Optimization Design of Door Lock System and It′s Influence on Sound Quality of Vehicle

Li Zhanying
（Technology center of Great Wall motor Co.,Ltd,Hebei Automotive Engineering Technology Research Center, Baoding 071000）

【Abstract】To lessen the influence of vehicle door lock system on door opening-closing sound quality,this research attempts to minimize the impact between door lock and lock latch during the short moment of opening and closing,and impact sounds among various components inside the door locks by means of optimizing the internal structure of door lock, adding buffer devices in the contact areas among different components in door locks,adjusting spring force value of locking claw,optimizing the entry angle between rotary clamping plate and lock latch,and enhancing the stiffness of lock latch setup points.It is concluded from acoustic testing of the optimized door lock and practical evaluation that both objective test data and subjective feeling of evaluation have achieved the desired effect.

Key words:Sound quality,Car door,Door lock,Lock latch,Stiffness

中圖分類號:U463.83

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）03-0013-05