汽車門鎖系統(tǒng)的建模及失效研究

陸珉

摘 要：隨著我國人民生活水平的提高，汽車已經(jīng)成為大眾出行的主要交通工具。門鎖作為汽車基本構(gòu)造中的一部分，關(guān)系到人們的生命財產(chǎn)安全，因此我們必須對汽車門鎖系統(tǒng)進(jìn)行全面而深入的了解。本文從汽車門鎖的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，概述了汽車門鎖工作的基本原理，隨后探索了解除門鎖故障的有效方法，最后對汽車門鎖系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，希望本文可以為汽車門鎖系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供依據(jù)和經(jīng)驗參考。

關(guān)鍵詞：汽車；門鎖系統(tǒng)；建模；失效；優(yōu)化

0 引言

汽車門鎖附屬于汽車車身，是車身的關(guān)鍵部件，汽車門鎖的質(zhì)量安全和耐久性直接關(guān)系到人們的生命和財產(chǎn)安全，并且車鎖質(zhì)量的好壞還關(guān)系到汽車被盜的可能性，總之，汽車門鎖是考核一輛車好壞的重要指標(biāo)，如果在使用和試驗過程車鎖出現(xiàn)了問題，應(yīng)該積極地采取措施進(jìn)行補(bǔ)救，從而保證人們的生命財產(chǎn)安全。

1 汽車門鎖結(jié)構(gòu)及其工作原理

汽車門鎖是汽車整個車身結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其可靠性和安全性直接關(guān)系到汽車行業(yè)的信譽(yù)和效益。因為目前大眾在追求生活質(zhì)量的同時，對安全性的要求越來越高。通過調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，門鎖安全系數(shù)高的汽車的市場占有率更高，銷售量更高。

汽車門鎖的基本功能包括實(shí)現(xiàn)內(nèi)開啟、外開啟、內(nèi)鎖止保險、外鎖止保險及鎖緊車門等。汽車門鎖一旦出現(xiàn)問題，將會給車主帶來一系列的問題。比如用戶想停車，卻發(fā)現(xiàn)車門鎖不死，或者出現(xiàn)想要開門卻發(fā)現(xiàn)打不開車門等情況。這些問題在日常生活中都是較為常見的，因此我們必須做好門鎖的失效分析。另外，可以將汽車門鎖系統(tǒng)當(dāng)作由很多構(gòu)件組成的運(yùn)動鏈。

2 失效模式解析

在正常關(guān)閉車門的過程中，鎖扣會給棘輪一個推動力，在推動力的作用下，棘爪會受到彈簧力的作用正常復(fù)位。在出現(xiàn)問題的時候，棘爪是不能夠正常復(fù)位的，因此車門就不能夠正常關(guān)閉，由此我們可以發(fā)現(xiàn)，門鎖關(guān)不上的主要原因是棘爪回彈的速度變慢，不能夠與嚙合位。下面我們將從力學(xué)的角度來闡述這一問題，棘爪回位簧的狀態(tài)如圖1所示。

復(fù)位力等于棘爪回位簧扭力減去棘爪間隙摩擦力和油脂阻尼阻力，由此可知，當(dāng)開啟門鎖時，復(fù)位力等于前者加上后兩者之和。門鎖開啟和關(guān)閉的受力是相對的，其受力狀況如圖2所示。

接下來，筆者將從3個方面來分析棘爪回位速度變慢的原因，分別為開啟力測試、對棘爪回位簧扭力和間隙摩擦分析和對油脂阻尼阻力的分析。在進(jìn)行開啟力測試時，所涉及的開啟角度理論上為80°，扭矩T2為155N·mm，其扭矩偏差為正負(fù)15N·mm。具體的示意圖如圖3所示。

常溫下，棘爪間隙摩擦力和油脂阻尼阻力理論上忽略不計。因此開啟力應(yīng)該等于扭矩力比車鎖中心點(diǎn)到邊緣的長度，即F=T2/L=155/15.7≈10N。算出開啟力之后還應(yīng)該考慮到門鎖設(shè)備在制造過程可能產(chǎn)生的誤差，因此最終的開啟力應(yīng)該在算出的開啟力的基礎(chǔ)上加減2N。我們將發(fā)生了故障的鎖塊，放在-40℃的環(huán)境里4小時，然后利用測力計來測門鎖的開啟力。具體的數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以發(fā)現(xiàn)，在低溫環(huán)境下，開啟力超差。對棘爪回位簧扭力和間隙摩擦分析方面，根據(jù)設(shè)計的理論扭矩為為155N·mm加減15N·mm，同樣棘爪間隙摩擦力和油脂阻尼阻力常溫下理論上忽略不計。在常溫的情況下，一般想要車門能夠正常關(guān)閉則需要棘爪回位的彈力能夠滿足要求。因此同樣將故障鎖放在-40℃的環(huán)境里4小時，然后用彈簧扭力機(jī)對回位的彈力進(jìn)行檢測。

下面檢測開啟力在不同溫度下的大小，分別裝配3個無油脂的鎖塊和有油脂的鎖塊，所檢測的數(shù)據(jù)如表2所示。

將表2所獲得的數(shù)據(jù)繪制成圖譜，如圖4所示。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)在零下的度數(shù)里，有油脂的所需的開啟力大，且溫度越低，所需的開啟力越大。通過上面的數(shù)據(jù)結(jié)論不難發(fā)現(xiàn)，棘爪厚度尺寸偏大導(dǎo)致軸向竄動間隙變小，同時低溫環(huán)境下油脂阻尼變大，從而導(dǎo)致棘爪回位速度慢，造成車門冷車關(guān)不上的故障出現(xiàn)。

3 設(shè)計優(yōu)化模型

本次研究將從兩個方面對模型進(jìn)行優(yōu)化，一是對棘爪軸向間隙進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，二是為油脂油量制定規(guī)范。并且在棘爪軸向間隙優(yōu)化方面做了3個測試，測試的對象為厚度不一的棘爪，具體的測試數(shù)據(jù)和實(shí)驗結(jié)果如表3所示。

隨后筆者對于實(shí)驗得出的開啟力與棘爪軸向竄動間隙數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合，得出相應(yīng)的計算式。在油脂油量方面，通過類似的數(shù)據(jù)耦合，得出了開啟力與涂油量的關(guān)系，并且找到了最優(yōu)涂油量在0.20～0.35g之間，棘爪軸向的最佳間距在0.4～0.8mm之間。

4 結(jié)語

門鎖作為車身的主要附件之一，關(guān)系到人們的生命和財產(chǎn)安全，因此必須確保門鎖的安全性。本文在在了解門鎖工作的基本原理之后，分析了門鎖可能出現(xiàn)的故障，并且針對門鎖做了低溫試驗。在門鎖的故障分析中，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致門鎖出現(xiàn)問題的主要原因是棘爪的回位速度變慢，然后對這一現(xiàn)象進(jìn)行了受力分析；并且，針對門鎖故障通過模型進(jìn)行優(yōu)化，找出了最佳涂油量和棘爪軸向間距，以期促進(jìn)汽車門鎖行業(yè)的發(fā)展。

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（作者單位：上海恩坦華汽車門系統(tǒng)有限公司）