門鎖系統的優化設計及其對車輛聲品質的影響

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

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門鎖系統的優化設計及其對車輛聲品質的影響

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

【摘要】為了削弱汽車門鎖系統對開關門聲品質造成的影響，通過優化門鎖內部結構、在門鎖內各機構間接觸部位增加緩沖裝置、調整止動爪彈簧力值、優化旋轉卡板與鎖扣間切入角度、提高鎖扣安裝點剛度等措施，減小開關門瞬間門鎖與鎖扣產生的撞擊及門鎖內部各機構之間的撞擊聲。通過對優化后的門鎖進行聲學測試和實際評價可知，客觀測試數據和主觀評價感受均達到了預期效果。

主題詞:聲品質車門門鎖鎖扣剛度

1　前言

日本學者將車輛噪聲提煉為14類評價指標，而英國Ricardo等研究人員則將噪聲的評價歸類為5種指標[1]。美國福特公司Otto等人在此基礎上對汽車聲音的主觀評價試驗方法進行了詳細的概述[2]，為聲品質的主觀評價試驗奠定了基礎。然而，對車輛聲品質差的原因分析方面，雖然對車門鈑金結構、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］，但是在門鎖對關門聲品質的影響分析方面相對較少，導致目前大部分車輛車門聲品質仍達不到期望效果。為此，本文從汽車門鎖系統的設計方面進行探討和實踐論證，為減少因車門鎖系統設計不合理造成的開關門雜音提供建議。

2　門鎖結構優化設計

2.1車門鎖結構簡介

車門鎖系統主要由爪支座、旋轉卡板、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，通過鎖扣擠壓旋轉卡板，使旋轉卡板繞安裝軸旋轉，當旋轉卡板旋轉到第1擋位置時，止動爪在彈簧作用下旋轉并卡住旋轉卡板1擋卡爪，以防止旋轉卡板回轉，保證鎖扣不從旋轉卡板中脫出；當鎖扣繼續往爪支座內壓入到第2擋位置時，止動爪在驅動彈簧作用下卡住旋轉卡板2擋卡爪，最終鎖扣被旋轉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驅動門鎖電機，使止動爪旋轉到原來位置并從旋轉卡板中脫出，旋轉卡板在回位彈簧作用下旋轉到開鎖位置，鎖扣順利脫出，開門成功。

通過對門鎖結構分析發現，在開關門過程中因門鎖系統產生的噪聲包括鎖扣與旋轉卡板撞擊產生的噪聲、鎖扣與爪支座產生的噪聲、旋轉卡板與止動爪撞擊產生的噪聲、旋轉卡板與爪支座撞擊產生的噪聲、止動爪與爪支座產生的噪聲等。在上述噪聲因素中，旋轉卡板是最關鍵因素，因為其在整個門鎖系統運動過程中與周邊零部件的碰撞最多，聲音最大。所以，為了降低門鎖系統造成的聲品質問題，必須首先對旋轉卡板的結構設計、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仿真分析和優化，從而提高開關門聲品質。

圖1　車門鎖系統組成

2.2旋轉卡板與鎖扣切入位置的形狀設計

在車門關閉時，優化設計旋轉卡板與鎖扣的嚙合過程對減小撞擊噪聲非常關鍵。通常情況下，設鎖扣的運動方向與旋轉卡板輪廓嚙合點切線方向夾角為α，旋轉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卡板的力F1為：

F1=F×sinα

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

圖2　鎖扣與旋轉卡板切入角度示意

2.3旋轉卡板與鎖扣撞擊部位的緩沖設計

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，而旋轉卡板的包塑層通常采用Hytrel 5526材料，硬度較大，產生關門噪聲的主要原因是棘輪與鎖扣間的振蕩沖擊現象。影響撞擊激烈程度的重要因素是旋轉卡板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，通常在旋轉卡板與鎖扣接觸位置設計若干個緩沖槽，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，以避免產生磨損損壞。一般要求緩沖槽到旋轉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，也可在旋轉卡板上并排設計兩個緩沖槽，對撞擊進行兩次緩沖，進一步減小關門撞擊聲。

圖3　旋轉卡板緩沖槽

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

2.4旋轉卡板旋轉力矩設計

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

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

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

表1兩個知名品牌門鎖旋轉力測量值N

2.5爪支座對鎖扣的緩沖設計

若鎖扣與爪支座之間未設計緩沖塊，在車門完全關閉瞬間，鎖扣與爪支座之間將會產生直接的金屬撞擊，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計緩沖塊。緩沖塊的材質為橡膠，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　旋轉卡板中的緩沖膠塊

緩沖塊對鎖扣的擠壓力值也是一個關鍵設計點，擠壓力過大將導致車門不易關閉，而擠壓力太小會導致鎖體與鎖扣咬合不緊，在車輛行駛過程中產生相對運動，進而產生“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構設計。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測量數值發現，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閉，但在行車狀態下旋轉卡板與鎖扣咬合更緊，不易產生相對運動，而乙鎖正好相反。通過實車試驗發現，乙鎖的確出現了車門鎖不緊產生異響的問題，需要改進。通過經驗，緩沖塊對鎖扣擠壓力建議設計到15～20 N之間，既可保證行車不出現異響，又可保證關門力良好。

2.6旋轉卡板與止動爪、爪支座的緩沖設計

在鎖扣進入旋轉卡板過程中，隨著旋轉卡板的轉動，同時也帶動止動爪轉動，每當到達一個擋位時，止動爪與旋轉卡板都會發生碰撞，如圖5所示，若沒有緩沖設計，也會產生一定的噪聲，因此需要在旋轉卡板與止動爪的接觸部位設計適當緩沖槽，以減緩撞擊帶來的噪聲。緩沖槽的長度一般設計在5～8 mm，而寬度設計為1～2 mm即可。

圖5　旋轉卡板上的緩沖槽

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

在車門打開后，鎖扣與旋轉卡板完全脫開，旋轉卡板在回位彈簧作用下旋轉回到最初狀態，由于彈簧的作用力，旋轉卡板會瞬間撞擊到鎖體，從而產生撞擊聲，若未考慮在旋轉卡板與爪支座之間設計緩沖結構，開門時將產生較大撞擊噪聲，最終給開門聲品質帶來影響。為減小此處的撞擊噪聲，一般在鎖體上設計一個緩沖塊，如圖7所示，該緩沖塊材質一般選擇為Al?cyrn2070，要求與旋轉卡板面接觸面積越大越好，建議不小于9 mm2。若無法在鎖體上設計緩沖塊，也可以在旋轉卡板上開一個緩沖槽，如圖8所示，同樣可以起到減緩旋轉卡板撞擊鎖體的效果。

圖6　旋轉卡板與緩沖結構

圖7　鎖體緩沖膠塊

圖8　旋轉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計優化

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

圖9　鎖扣安裝橡膠墊

后門鎖扣安裝點位于側圍C柱，其剛度較前門鎖扣安裝點小（前門鎖扣位于側圍B柱，內有加強板）。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）或增加發泡隔聲膠塊（圖11）。

圖10　鎖扣安裝點加強板

圖11　發泡隔聲膠塊

為了確保鎖扣安裝點剛度符合設計要求，在結構設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結構改進前、后安裝點剛度數據對比

3.2車門鎖系統優化后性能驗證

為了驗證C柱發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泡隔聲膠和增加發泡隔聲膠兩種狀態車輛NVH性能測試，測試內容主要包括聲音的響度、尖銳度、聲壓級3個指標[3]。試驗數據如表4所列。

表4增加發泡隔聲膠前、后聲品質對比

根據表4的試驗數據可知，增加發泡隔聲膠后關門響度降低1.4 Sone，尖銳度降低0.05 Acum，聲壓級增加0.1 dB（A）（根據經驗判定為測量誤差）；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為車門優化前、后開關門聲品質測試頻譜對比。通過關門頻譜對比可以發現，改善后較改善前在60～200 Hz區域能量有所降低；通過開門頻譜可以發現，改善后較改善前在800～2 000 Hz區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泡隔聲膠進行優化后，開關門聲品質提升較為明顯。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。試驗過程中未發現有裂紋、變形等損壞現象，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、后聲品質頻譜測試對比

4　總結

通過對車門鎖的結構分析，結合實際現場匹配驗證，提出了一系列門鎖結構設計優化建議，并對整改效果進行了試驗驗證和評價，結果證明改進措施對車門關閉聲品質提升效果明顯，可以廣泛借鑒應用。但是，要想獲得一個非常好的關門聲品質，僅針對車門鎖進行優化和設計還遠遠不夠，還要對車門的其它相關系統進行優化，如車門玻璃升降系統優化、車門密封系統優化、鈑金結構設計優化、車門補強膠片、阻尼膠片的設計和布置優化等。

參考文獻

1Herman Van der Auweraer.An Engine Approach to sound Quality,SAE,962491

2Otto.Guidelines for Jury Evaluations of Automotive Sounds, SAE Paper,1999-01-1822.

3黃潔明.轎車車門鎖干涉音分析研究：[學位論文].廣州：華南理工大學，2013.

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5楊川.汽車關門聲品質研究：[學位論文].長沙：湖南大學，2012.

6林逸.汽車NVH特性研究綜述.汽車工程,2002（6）：178.

7范瑋，孟子厚.汽車車門的聲品質對汽車消費心理的影響.聲學技術，2006（6）：185.

8徐小軍.基于主觀感覺的聲質量客觀評價方法及應用：[學位論文].合肥：合肥工業大學，2004.

（責任編輯簾青）

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

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）03-0013-05