基于ADAMS的房車門鎖機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)分析

向金田， 楊 梅*， 胡靖明， 楊金發(fā)， 李沫若， 張強(qiáng)林， 孫偉一， 王 壤

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.寧波望通鎖業(yè)有限公司，浙江 寧波 315000)

我國是汽車制造與使用大國，而汽車的安全問題一直是消費(fèi)者及社會(huì)各界關(guān)注度較高的焦點(diǎn)問題。隨著汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的完善以及各項(xiàng)技術(shù)的日益成熟，汽車安全性能也隨之大幅提高，但如何更好地保護(hù)駕乘人員的安全一直以來都是汽車制造生產(chǎn)過程中的重要研究?jī)?nèi)容。當(dāng)汽車在行駛過程中，車輛可能發(fā)生交通事故從而導(dǎo)致車輛出現(xiàn)強(qiáng)烈撞擊或翻滾等突發(fā)狀況，而這些情況的發(fā)生又可能導(dǎo)致車門鎖意外打開，從而影響汽車駕乘人員的生命安全。在《GB20071—2006汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》[1]中明確車輛發(fā)生碰撞時(shí)車門始終要為關(guān)閉狀態(tài)。在《中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程》[2]文中也設(shè)定相關(guān)扣分規(guī)則，若車輛在碰撞過程中，每開啟一個(gè)側(cè)車門，將扣除1分。

為了解決汽車在發(fā)生事故時(shí)車門鎖意外打開問題，相關(guān)學(xué)者對(duì)車門鎖開展了多方面的研究。楊軍等[3]分析出車輛在發(fā)生碰撞時(shí)車門開啟的原因，并對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小了車輛碰撞過程中車門鎖打開的風(fēng)險(xiǎn)。丁光學(xué)等[4]通過對(duì)車門鎖機(jī)構(gòu)的開啟建立數(shù)學(xué)模型，較真實(shí)地還原出碰撞過程中車門鎖內(nèi)部零件的運(yùn)動(dòng)情況。曹燎原等[5]使用MSC·ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真軟件對(duì)某鎖制機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，該研究說明了MSC·ADAMS軟件對(duì)門鎖機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真是完全適用的。由于在特定工況下對(duì)其車門鎖內(nèi)部零件運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析的相關(guān)文章未見報(bào)道，本研究通過模擬仿真分析出當(dāng)汽車啟動(dòng)后，車輛速度較低且車門鎖未自動(dòng)落鎖前(鎖舌安全插銷未插入)受到后方車輛碰撞時(shí)的車門鎖內(nèi)部主要零件運(yùn)動(dòng)情況。通過對(duì)某房車門鎖水平運(yùn)動(dòng)方向分別設(shè)定1 g到15 g的15個(gè)不同的慣性載荷[6]數(shù)值，在運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真并分析出在對(duì)應(yīng)的慣性載荷下主鎖鎖舌最大位移量，最終得到能夠開啟車門的臨界慣性載荷數(shù)值，為進(jìn)一步提高車門鎖的可靠性和安全性提供理論依據(jù)。

1 仿真虛擬樣機(jī)的建立

1.1 模型簡(jiǎn)化與建立

首先對(duì)本文所研究的房車門鎖進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的房車門鎖主要由主鎖體、主鎖體連接板、主鎖鎖舌、主鎖齒條、圓柱直齒輪、主鎖體壓板盤、主鎖體雙聯(lián)齒、主鎖體壓板盤、主鎖內(nèi)聯(lián)動(dòng)塊、主鎖內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)盤以及主鎖內(nèi)把手等其他零件組成。運(yùn)用SolidWorks軟件建立簡(jiǎn)化后的模型，并將建立的三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中。門鎖運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

1.2 房車門鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理

簡(jiǎn)化后的房車門鎖結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)主鎖鎖舌自由伸出時(shí)，保持車門關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)需要打開車門時(shí)，則需要手動(dòng)解鎖，解鎖的過程為：順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)主鎖內(nèi)把手，主鎖內(nèi)把手會(huì)帶動(dòng)與之相連接的主鎖內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與主鎖內(nèi)把手保持一致，主鎖內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)盤的齒輪又與主鎖內(nèi)聯(lián)動(dòng)的齒條相嚙合。當(dāng)齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主鎖內(nèi)聯(lián)動(dòng)塊在齒條的帶動(dòng)下向下移動(dòng)，與之相連的主鎖體連接板也相應(yīng)地向下運(yùn)動(dòng)。主鎖體連接板上的齒條通過主鎖雙聯(lián)齒帶動(dòng)圓柱直齒輪齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)主鎖齒條壓縮鎖舌銷末端彈簧使主鎖鎖舌收回，最終使得車門打開。

圖2 房車門鎖結(jié)構(gòu)1.主鎖體；2.主鎖鎖舌；3.前置彈簧；4.主鎖體連接板；5.后置彈簧；6.主鎖齒條；7.圓柱直齒輪；8.主鎖體雙聯(lián)齒；9.主鎖體壓板盤；10.主鎖內(nèi)把手；11.主鎖內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)盤；12.主鎖內(nèi)聯(lián)動(dòng)塊

1.3 定義特征

1.3.1 定義零件材料屬性

根據(jù)房車門鎖各零件加工材料，在ADAMS軟件中設(shè)置各個(gè)零件進(jìn)行材料屬性，如表1所示。

表1 零件材料屬性表

1.3.2 設(shè)置運(yùn)動(dòng)副

根據(jù)各零件運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)各零件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的定義如表2所示。

表2 零件運(yùn)動(dòng)副表

1.3.3 定義彈簧參數(shù)

彈簧是房車門鎖的重要構(gòu)成部件，彈簧參數(shù)的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系這車門鎖的可靠性與穩(wěn)定性，設(shè)置彈簧參數(shù)如表3所示。

表3 彈簧參數(shù)表

由彈簧彈性系數(shù)計(jì)算公式：

(1)

式中：k為彈簧彈性系數(shù)；Δf為力相對(duì)于彈簧位移的變化量，N；Δx為彈簧的位移量，mm。

由公式(1)及表3數(shù)據(jù)，計(jì)算鎖舌軸銷前端彈性系數(shù)k1和鎖舌軸銷后端彈簧彈性系數(shù)k2如式(2)(3)。

(2)

(3)

由式(2)(3)分別得出兩個(gè)彈簧得彈性系數(shù)均為0.15 N/mm。

由表3數(shù)據(jù)，鎖舌軸銷前端彈簧有8 mm的預(yù)緊長(zhǎng)度，鎖舌軸銷后端彈簧有1 mm的預(yù)緊長(zhǎng)度，據(jù)公式：

f=k×x

(4)

計(jì)算出鎖舌軸銷前端彈簧需要加1.2 N的預(yù)緊力，鎖舌軸銷后端彈簧需要加0.15 N的預(yù)緊力。

2013年，水電局在部黨組的正確領(lǐng)導(dǎo)下，認(rèn)真貫徹落實(shí)黨的十八大和十八屆三中全會(huì)精神，按照中央加快水利改革發(fā)展決定提出的“大力發(fā)展農(nóng)村水電”，“在保護(hù)生態(tài)和農(nóng)民利益前提下，加快水能資源開發(fā)利用”的要求，積極轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，全力推進(jìn)民生水電、平安水電、綠色水電、和諧水電建設(shè)，中央投資30.8億元，比2012年增加了108%，協(xié)調(diào)國家農(nóng)發(fā)行出臺(tái)了農(nóng)村水電信貸支持政策，全年完成投資240億元，新增裝機(jī)200多萬kW，總裝機(jī)超過6 800萬kW，年發(fā)電量2 000多億kWh，很好地完成了各項(xiàng)工作任務(wù)。

2 房車門鎖機(jī)構(gòu)仿真參數(shù)設(shè)置

2.1 添加驅(qū)動(dòng)

由房車門鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理可知，當(dāng)車輛行駛過程中與后方車輛發(fā)生碰撞時(shí)，車門鎖受到與主鎖鎖舌壓縮位移方向的慣性載荷，其車門鎖內(nèi)部在該方向能夠產(chǎn)生力的零件為主鎖鎖舌和主鎖齒條，所以主鎖鎖舌和主鎖齒條為主動(dòng)件，在添加驅(qū)動(dòng)力時(shí)應(yīng)將主鎖鎖舌和主鎖齒條加以相應(yīng)的等效驅(qū)動(dòng)力。為方便添加驅(qū)動(dòng)力，將慣性載荷轉(zhuǎn)換為力進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化，計(jì)算出各零件質(zhì)量情況后，模擬仿真時(shí)便可以將慣性載荷轉(zhuǎn)換為力加載在相應(yīng)零件上，公式如式(5)所示。

F=m×a

(5)

式中：F為加載在構(gòu)件上的力，N；m為加載力所在構(gòu)件的質(zhì)量，kg；a為加載在構(gòu)件上的加速度，m/s2。

由于需要計(jì)算等效驅(qū)動(dòng)力，從而需得到每個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量。在Adams中設(shè)置好材料屬性后，會(huì)加載出相應(yīng)材料密度，Adams會(huì)自行計(jì)算出定義材料屬性后的每個(gè)零件質(zhì)量，各零件質(zhì)量如表4所示。

表4 零件質(zhì)量表

由表4、公式(5)可得出所需加載的零件驅(qū)動(dòng)力大小，如表5所示。

表5 零件驅(qū)動(dòng)力表

2.2 添加接觸力

由于Adams軟件不能自動(dòng)識(shí)別構(gòu)件與構(gòu)件間的相互接觸，而每個(gè)構(gòu)件的材料又可能不同，導(dǎo)致不同零件相互接觸的接觸力參數(shù)可能不同。因此，需要通過添加接觸力的方式來實(shí)現(xiàn)各零件之間力的傳導(dǎo)。為了更好地還原齒輪接觸碰撞的真實(shí)性，齒輪間的嚙合被定義為基于接觸碰撞的力約束關(guān)系，且僅有此種約束關(guān)系[7-9]。通過查閱相關(guān)資料對(duì)房車門鎖各個(gè)零件所對(duì)應(yīng)材料進(jìn)行設(shè)置，經(jīng)過調(diào)試后，最終確定的接觸參數(shù)設(shè)置如表6所示。

表6 接觸力參數(shù)表

表中：K為Stiffness(剛度系數(shù))；c為Damping(阻尼系數(shù))；e為Force Exponent(力指數(shù))；d為Penetration Depth(滲透深度)；vs為Stiction Transition Vel(靜摩擦轉(zhuǎn)換速度)；vd為Friction Transition Vel(動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換速度)；mus為StaticCoefficient(靜摩擦系數(shù))；mud為Dynamic Coefficient(動(dòng)摩擦系數(shù))；R為Coefficient of Restitution(恢復(fù)系數(shù))。

各零件接觸力參數(shù)設(shè)置如表7所示。

表7 接觸力參數(shù)表

3 房車門鎖機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果與分析

3.1 模擬試驗(yàn)結(jié)果

圖3 鎖舌位移

由圖分析可知，車輛在發(fā)生碰撞時(shí)，由于在1 g慣性載荷作用下主鎖鎖舌與主鎖齒條產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而帶動(dòng)車門鎖其他機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)，鎖舌也發(fā)生與之相應(yīng)的位移。該情況下主鎖鎖舌的初始位置為263.5 mm，最大位移為265.079 5 mm，位移差為1.579 5 mm，故該情況下主鎖鎖舌的最大位移量為1.579 5 mm。

由于主鎖鎖舌的自由伸出長(zhǎng)度為后置彈簧工作壓縮長(zhǎng)度13mm，該情況下主鎖鎖舌位最大移量小于主鎖鎖舌自由伸出長(zhǎng)度，故此情況下車門未被打開，還處于關(guān)閉狀態(tài)。

為研究車輛發(fā)生碰撞時(shí)，所受慣性載荷數(shù)值在多大情況下使得車門被打開，現(xiàn)設(shè)定1 g到15 g的15個(gè)不同的慣性載荷數(shù)值進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)，測(cè)定出主鎖鎖舌相對(duì)應(yīng)的位移數(shù)據(jù)，最終得到的模擬仿真試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 模擬仿真試驗(yàn)結(jié)果

3.2 模擬試驗(yàn)分析

Origin軟件是一款功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件。利用Origin軟件的自定義函數(shù)編輯功能，可簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)非線性方程的編輯和擬合[10，11]。為更好地分析房車門鎖主鎖鎖舌運(yùn)動(dòng)情況，采用Origin 2019b軟件對(duì)模擬仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。選擇合適的非線性擬合方程，是提高擬合程度的有效途徑[12，13]。經(jīng)對(duì)比分析后，選用polynomial模型對(duì)此試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性擬合，所得擬合方程為：

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為慣性載荷數(shù)值，g；y為鎖舌最大位移量，mm。

該擬合方程的預(yù)測(cè)決定系數(shù)R2=0.997 3，擬合程度較高，能很好地表達(dá)出主鎖鎖舌所受慣性載荷數(shù)值與最大位移量之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)車輛碰撞過程中，若要出現(xiàn)車門被打開的可能，則需要主鎖鎖舌運(yùn)動(dòng)的最大位移量等于自由伸出長(zhǎng)度。主鎖鎖舌最大位移量13 mm，所以取y=13，由式計(jì)算可得出x=5.472。因此，由分析可得，當(dāng)車輛碰撞時(shí)的慣性載荷數(shù)值達(dá)到5.472 g時(shí)，此時(shí)車門將有被打開的可能。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合方程，利用Origin軟件進(jìn)行非線性擬合，可得到擬合曲線如圖4所示。

圖4 主鎖鎖舌最大位移量擬合曲線

由圖4可以看出，當(dāng)主鎖鎖舌所受慣性載荷數(shù)值小于7 g時(shí)，鎖舌最大位移量變化較明顯。當(dāng)主鎖鎖舌所受慣性載荷數(shù)值等于7 g時(shí)，鎖舌最大位移量為15.005 1 mm，已大于鎖舌自由伸出長(zhǎng)度，此時(shí)車鎖處于打開狀態(tài)。當(dāng)主鎖鎖舌所受慣性載荷數(shù)值大于7 g時(shí)，此時(shí)前置彈簧與后置彈簧的壓縮量都已超過工作壓縮量，主鎖鎖舌位移量所受慣性載荷數(shù)值變化較小，隨著慣性載荷數(shù)值的增大，主鎖鎖舌位移量在15.011 1 mm附近波動(dòng)。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)某房車門鎖進(jìn)行三維建模，通過對(duì)房車門鎖加以不同數(shù)值大小的慣性載荷來模擬車輛發(fā)生碰撞時(shí)房車門鎖內(nèi)部零件的運(yùn)動(dòng)情況。

(2)采用ADAMS軟件對(duì)房車門鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，運(yùn)用origin軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后，得出房車門鎖機(jī)構(gòu)所受慣性載荷數(shù)值大小與主鎖鎖舌最大位移量之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而得出當(dāng)碰撞時(shí)的慣性載荷數(shù)值達(dá)到5.472 g時(shí)，鎖舌的最大位移量已達(dá)到13 mm，此時(shí)車門有被打開的風(fēng)險(xiǎn)。本研究通過軟件模擬試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的方法，分析出房車門鎖內(nèi)部零件運(yùn)動(dòng)情況，為進(jìn)一步增加汽車門鎖的可靠性和安全性提供了理論依據(jù)。