汽車側(cè)面碰撞時車門解鎖原因及應對策略研究

周英杰 席盛 陳振飛

摘要：汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時車門狀態(tài)直接影響到事故對乘員的傷害程度，GB-20071亦對碰撞前后車門狀態(tài)做出了明確的要求。本文以某轎車典型的門鎖機構(gòu)為研究對象，在整車側(cè)面碰撞仿真模型的基礎(chǔ)上對門鎖及其附件進行了詳細建模，并進行了仿真分析。仿真分析發(fā)現(xiàn)碰撞時開鎖傳遞機構(gòu)受力變形，拉動鎖體搖臂產(chǎn)生了開鎖方向的旋轉(zhuǎn)，是導致車門解鎖的根本原因。進而通過對開鎖原理進行研究，提出了優(yōu)化搖臂初始位置的解決方案。計算機仿真證明，改進后碰撞時搖臂旋轉(zhuǎn)方向變?yōu)殛P(guān)鎖方向，改進效果顯著。該應對策略具有簡單易行，不增加車輛制造成本等優(yōu)點，具有較高的工程應用價值。

關(guān)鍵詞：側(cè)面碰撞;車門解鎖;門鎖仿真;傳遞機構(gòu)

1 前言

隨著我國汽車保有量的增加，我國的汽車交通事故也呈現(xiàn)出快速增長的勢頭。有資料顯示，從2015年我國高速公路發(fā)生的死亡事故情況看，側(cè)面碰撞事故導致的死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)的6.7%，每年有近萬人。因此，提高汽車側(cè)面碰撞的安全性一直是各大科研機構(gòu)和汽車公司研究的重點和熱點。

當汽車發(fā)生側(cè)面碰撞事故時，側(cè)面結(jié)構(gòu)強度和完整性直接關(guān)系事故對到乘員傷害程度。但在進行汽車側(cè)面碰撞試驗時，時常會出現(xiàn)碰撞時被撞側(cè)車門打開的狀況，在實際道路交通事故中該現(xiàn)象也屢見不鮮。

若側(cè)面碰撞時汽車車門被打開，就破壞了側(cè)面結(jié)構(gòu)的完整性，輕則影響側(cè)氣囊、側(cè)氣簾的合理展開位置，導致乘員的傷害程度增加，重則有可能直接導致乘員被甩出車外，發(fā)生碾壓、二次碰撞等惡性交通事故，對乘員造成致命的傷害。

因此，我國的側(cè)面碰撞安全法規(guī)GB20071對側(cè)面碰撞過程中車門的狀態(tài)進行了嚴格的要求。法規(guī)要求：在試驗過程中，車門不得開啟;試驗結(jié)束后，不適用任何工具應該能打開足夠數(shù)量的車門，使得乘員能正常進出。

本文針對某轎車典型的門鎖機構(gòu)，通過計算機仿真找出了側(cè)面碰撞過程中門把手、鎖體發(fā)生相對移動，開鎖傳遞機構(gòu)受力變形是車門解鎖的主要原因。進而通過對機械開鎖傳遞機構(gòu)該進行改進設計解決了碰撞時車門解鎖的問題。通過計算機仿真驗證，該方法效果顯著，并且?guī)缀醪辉黾悠嚨闹圃斐杀?，具有較高的工程應用價值。

2 汽車門鎖結(jié)構(gòu)及原理

東風某轎車門鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由門把手及附件、鎖體及附件、機械鑰匙開/關(guān)鎖拉桿、門把手開/關(guān)拉索、車內(nèi)開/關(guān)拉索幾大部分組成。其中機械鑰匙開/關(guān)鎖拉桿及附件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在日常使用中，用機械鑰匙解鎖時，門鎖的工作原理為：首先，機械鑰匙插入孔位逆時針旋轉(zhuǎn);接著，孔位連接的搖臂（上）隨孔位旋轉(zhuǎn)，帶動開鎖拉桿上提;進而，開鎖拉桿上提帶動鎖體搖臂（下）順時針旋轉(zhuǎn);最后鎖體內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)完成開鎖。用機械鑰匙鎖車門時，門鎖的工作原理反之。

3 計算機仿真及碰撞解鎖原因分析

為了分析側(cè)面碰撞時車門解鎖的原因，本文在側(cè)而碰撞有限元模型的基礎(chǔ)上增加了門鎖系統(tǒng)的分析模型，通過計算機仿真來進行分析。

3.1 仿真模型的建立

由于門鎖鎖體、門把手結(jié)構(gòu)的零件數(shù)量多，尺寸小，相互之間的運動關(guān)系復雜，在碰撞分析模型中難以準確模擬，且其結(jié)構(gòu)剛度大，多次碰撞實車拆解后未發(fā)現(xiàn)鎖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和破壞，因此仿真中不對鎖體結(jié)構(gòu)、門把手進行精確建模，將其用一個整體簡化替代。

對門鎖開/關(guān)拉桿（機械鑰匙）及附件進行了詳盡的建模，并確保各個零件的質(zhì)量和質(zhì)心位置準確無誤。根據(jù)各個零件之問的運動關(guān)系，詳細的建立了4個轉(zhuǎn)動連接，確保有限元的運動形式和實際運動形式一致。

在整車側(cè)面碰撞仿真模型的基礎(chǔ)上，將簡化的門把手、門鎖鎖體模型，詳盡的機械開鎖傳遞機構(gòu)模型進行裝配，完成“側(cè)面碰撞（帶門鎖）計算機仿真模型”的建立，如圖3：

3.2 仿真結(jié)果分析

通過以上有限元模型的建立，并利用計算機進行仿真計算，得到側(cè)面碰撞過程中門鎖機構(gòu)運動狀態(tài)（0、30、60ms運動狀態(tài)截圖）如圖4所示：

如圖4，通過計算機仿真發(fā)現(xiàn)，由于鎖體機構(gòu)和門把手區(qū)域Y向（整車坐標系下）受力不一致，并且兩者所在區(qū)域的Y向剛度也存在較大差異。在車輛受到MDB壁障側(cè)面撞擊時，鎖體機構(gòu)由于受到MDB直接撞擊向車門內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的侵入量較大，門把手由于未受到直接撞擊向內(nèi)移動產(chǎn)生的侵入量較小，并且在車門板和門鎖拉桿的作用下發(fā)生了沿X軸（整車坐標系下）順時針翻轉(zhuǎn)，兩者之間發(fā)生了相對運動，距離變大，開，關(guān)鎖拉桿兩側(cè)受拉，導致鎖體搖臂發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)方向與用機械鑰匙開鎖時旋轉(zhuǎn)方向一致，門鎖被打開。

4 應對策略研究

由以上分析可知：側(cè)面碰撞時門把手和鎖體向車內(nèi)侵入量不一致，并且門把手發(fā)生翻轉(zhuǎn)，兩者之間距離變大，導致開/關(guān)鎖拉桿受到拉力，進而拉動鎖體搖臂產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，是碰撞時門鎖自動開啟的原因。

針對以上原因分析，碰撞時車門自解鎖可以有兩種解決策略：

策略1：在門板上門鎖和門把手之間的區(qū)域通過增加貼片、加強件的方式對結(jié)構(gòu)進行加強，可減小門鎖和門把手之間的變形，縮小門把手和鎖體向車內(nèi)侵入量的差距，從而減小開/關(guān)鎖拉桿受拉程度，從而解決碰撞時車門自動打開的問題。

策略2：優(yōu)化設計機械開鎖的傳遞機構(gòu)（圖2），使得即使被撞時開，關(guān)鎖拉桿受到較大拉力，門鎖也不會自動打開。

由于策略1有可能會大幅度增加門鎖及車門的制造成本，并日由于車門、門鎖加強結(jié)構(gòu)存在設計難度大，難以合理把握加強的程度，改進效果驗證成本高的缺點。策略2從原理上解決問題，簡單實用，幾乎不增加制造成本，通過計算機仿真驗證效果方便，因此本文著重從策略2進行研究。

機械開/關(guān)鎖傳遞機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖5a，在原始設計的基礎(chǔ)卜，改變鎖體搖臂的初始位置建立改進方案1（如圖5b），同時改變鎖體搖臂（下）和搖臂（上）的初始位置，建立改進方案2（如圖5c）。

改進方案中調(diào)整了鎖體搖臂的初始位置，當汽車因發(fā)生側(cè)面碰撞而導致開/關(guān)鎖拉桿被拉時，鎖體搖臂的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了變化，由順時針旋轉(zhuǎn)變成逆時針旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)方向與用機械鑰匙關(guān)鎖時旋轉(zhuǎn)方向相同，門鎖不但不會被打開，而且會鎖的更緊，從而保證了汽車側(cè)面結(jié)構(gòu)的完整性，減少乘員傷害。

但是，改進方案1在日常使用機械鑰匙開/關(guān)鎖時，鑰匙的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了改變。改進方案2通過同時改變搖臂（上）的初始位置，使得在日常使用機械鑰匙開/關(guān)鎖時，鑰匙的旋轉(zhuǎn)方向與符合用戶習慣的原方案保持一致。

以上三種方案發(fā)生碰撞、日常使用中性能對比如表1：

5 方案驗證

根據(jù)改進方案2建立計算機仿真分析模型，通過計算機仿真計算，得到側(cè)面碰撞過程中門鎖機構(gòu)運動狀態(tài)如圖6所示：

從圖6可以看出，碰撞過程中，鎖體機構(gòu)和門把手的運動狀態(tài)基本與原方案一致，開/關(guān)鎖拉桿的受力狀態(tài)亦與原方案一致，但鎖體搖臂的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了變化，由原設計方案的順時針旋轉(zhuǎn)變成逆時針旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)方向與用機械鑰匙鎖鎖車門時旋轉(zhuǎn)方向一致，此時門鎖不但不會被打開，而且會鎖的更緊。即采用改進方案后，車門碰撞解鎖的問題將得到有效解決。

6 結(jié)論

本文針對某轎車典型的門鎖機構(gòu)，通過對門鎖開/關(guān)拉桿（機械鑰匙）及附件進行了詳盡的建模，并將該模型裝配到整車側(cè)面碰撞仿真模型的上，進行計算機仿真。通過結(jié)果分析找出了側(cè)面碰撞過程中車門解鎖的原因。進而針對該問題展開了研究，通過對機械開鎖傳遞機構(gòu)該進行改進設計，提出了調(diào)整鎖體搖臂和機械鑰匙搖臂初始位置的解決方案，并驗證了改進方案的有效性。得出如下結(jié)論：

（1）通過對門鎖開/關(guān)拉桿及附件進行了詳盡的建模，并將該模型裝配到整車側(cè)面碰撞仿真模型的上，進行計算機仿真。能夠準確地反映側(cè)面碰撞過程中門鎖機構(gòu)的運動狀態(tài)，找出側(cè)面碰撞時車門解鎖的原因。

（2）側(cè)面碰撞時門把手和鎖體向車內(nèi)侵入量不一致，門把手發(fā)生翻轉(zhuǎn)，兩者之間距離變大，導致開，關(guān)鎖拉桿受到拉力，進而拉動鎖體搖臂產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并且此旋轉(zhuǎn)方向與用機械鑰匙解鎖時鎖體搖臂旋轉(zhuǎn)方向一致，是碰撞時門鎖自動開啟的原因。

（3）通過對開鎖傳遞機構(gòu)進行優(yōu)化設計，調(diào)整鎖體搖臂和機械鑰匙搖臂的初始位置可以有效解決碰撞時車門自動解鎖的問題。

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