汽車后背門鎖扣仿真分析及優化

王頌 湯博韜 程云祺

摘? 要：汽車門鎖系統是保障車內人員生命和財產安全的重要裝備。國家標準對于汽車門鎖靜態載荷性能試驗有明確規定。由于鎖扣結構等原因，后背門鎖扣在標準規定的載荷3方向上經常出現變形過大的問題，導致試驗失敗。該文對某車型后背門鎖扣進行了有限元分析。將分析結果與試驗結果進行對比，驗證了分析的準確性。以分析結果為依據，對該鎖扣結構進行優化設計，經優化后的鎖扣，其載荷3方向剛度得到了顯著提高。

關鍵詞：門鎖系統;有限元分析;剛度;結構優化

中圖分類號：U463? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

汽車門鎖系統主要是由門鎖和鎖扣2個部分組成的，二者分別與車門和車身相連。汽車門鎖系統是保障車內人員生命安全的重要裝備。汽車門鎖的技術狀況是否良好，直接關系到汽車的行車安全，同時門鎖系統還需要具備良好的防盜性能，以保證人員的財產安全。車門在正常關閉過程中，通過門鎖卡板與鎖扣的嚙合，實現車門的鎖緊功能。當車門受到外力沖擊時，作用在門板上的載荷最終傳遞到鎖扣，進而傳遞到車身。鎖扣作為汽車車門鎖緊機構的主要承載結構，其性能直接影響到車內人員的生命安全。我國國家標準規定對于汽車側門門鎖系統要進行2個方向的靜態載荷試驗，對于垂直方向開門的后門門鎖系統，要進行3個相互正交方向的靜態載荷試驗。出于成本等因素的考量，大部分廠家后背門鎖扣與側門鎖扣形式相似，并沒有針對標準要求進行特殊設計，一旦發生追尾事故，其后背門鎖扣有可能因變形量過大造成后背門意外打開，威脅車內人員人身安全。該文對某車型后背門鎖扣進行有限元分析，將分析結果與試驗實測值之間進行了對比，并對該鎖扣進行了優化設計。

1 國家標準對門鎖性能的要求

GTR NO.1《關于門鎖和車門保持件的全球法規》是第一項正式出臺的全球統一的汽車技術法規項目，我國作為WTO成員國，在汽車門鎖性能方面的要求，與GTR NO.1保持一致。GB 15086—2013《汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法》中有明確規定。1）對于1個門鎖系統，在鎖體和鎖扣總成之間，在與鎖體面垂直的方向施加11 000 N的載荷（載荷1）時，二者不應脫開。2）對于一個門鎖系統，在鎖體和鎖扣總成之間，在與鎖體面平行且在卡板開啟的方向施加9 000 N的載荷（載荷2）時，二者不應脫開。3）對于一個垂直方向開門的后門門鎖系統，在鎖體和鎖扣總成之間，在與載荷1和載荷2相互正交的方向施加9 000 N的載荷（載荷3）時，二者不應脫開。

GB 15086—2013《汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法》對門鎖系統性能試驗施加的靜態載荷方向。目前常見的鎖扣在載荷1和載荷2方向有較好的剛度，對于后背門來說，鎖扣在載荷3方向的剛度較小，在試驗過程中會經常會產生明顯的變形，導致卡板與鎖扣脫離，是導致門鎖系統性能試驗失敗的重要原因。

2 后背門鎖扣仿真分析

該文對某車型后背門鎖扣進行分析，其結構如圖1所示，鎖扣上部圓柱直徑為6 mm，底板厚度為3 mm。該鎖扣的材料為高強度合金結構鋼35CrMo，其屈服強度高達835 MPa。約束鎖扣螺栓孔處平動自由度，釋放所有轉動自由度，在鎖扣上部分別施加載荷1方向11 000 N的力、載荷2和載荷3方向9 000 N的力。該鎖扣在載荷1和載荷2的作用下，最大變形量分別為2.94 mm和2.79 mm，對試驗結果影響較小。在載荷3的作用下，該鎖扣有明顯變形，出現了剛度不足的情況，最大變形量達到了32.40 mm，鎖扣在載荷3方向變形情況如圖1（b）所示。

該車型后背門試驗后鎖扣變形情況如圖1（a）所示，由于鎖扣變形過大，導致卡板與鎖扣脫離，造成試驗失敗。從圖1中可以看出，鎖扣在實際試驗中的變形情況與模擬情況基本一致，最大變形出現在鎖扣上部與門鎖卡板接觸一側。表1展示了鎖扣最大變形點實測與模擬的各個方向的變形量，從表1中可以看出，二者最大相對誤差不超過10%，從而證實了模擬方法的準確性。

3 后背門鎖扣結構優化及分析

由上一章模擬分析及試驗情況可知，該鎖扣存在載荷3方向剛度不足的問題，這也是導致其未能通過試驗的直接原因。為了提高其在載荷3方向的剛度，對該鎖扣結構進行優化設計。考慮加工裝配及零部件成型需求，將鎖扣上部直徑增加為7 mm。由于在各工況下，底板背面應力均較小，從控制成本的角度出發，考慮減輕底板厚度，以減小整個鎖扣的質量。

優化之后的鎖扣結構以及其在各個工況下的變形量如圖1（c）所示。優化之后，該鎖扣質量為97.22 g，相比原有結構減輕了3.36 g。另外，優化后的鎖扣在載荷1方向的剛度相比原有結構，減小了36.7 %，但位移仍然僅有4.02 mm。而在載荷2和載荷3方向，該鎖扣剛度分別增大了31.9%和40.8%。尤其是在載荷3方向，優化后的鎖扣最大變形量減小為19.17 mm，如圖1（d）所示，極大地提高了該車型后背門鎖總成通過門鎖系統性能試驗的可能性。

4 結論

對某車型后背門鎖扣進行了仿真分析，得到了其在載荷1、載荷2和載荷3作用下應力和位移的分布情況。

對比該鎖扣在載荷3作用下試驗和仿真計算變形情況和最大變形點各個方向變形量，二者最大相對誤差為9.3%，結果證實了模擬計算方法的準確性和有效性。

根據模擬分析結果，對該鎖扣結構進行優化，分析表明，優化后的鎖扣結構，在重量略有減輕的情況下，將鎖扣在載荷2和載荷3方向的剛度分別提升了31.9%和40.8%，有效減少了該鎖扣在試驗過程中的變形量，極大地提高了試驗通過的可能性。

參考文獻

[1]張曉光.基于CAD/CAM 技術的汽車車門鎖扣模具的設計與仿真加工[J].制造業自動化，2012，34（23）：20-22.

[2]秦濤，李斌，蔡元初.汽車車門鎖扣結構強度試驗研究[J].汽車零部件，2019（3）：43-45.

[3]全國汽車標準化技術委員會.GB 15086—2013： 汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法[S].北京： 中國標準出版社，2013，10（8）：13-15.

[4]黃中琦.車用門鎖機構強度淺析[J].汽車工程學報，2000，11（6）：43-45.