汽車門鎖的加強結(jié)構(gòu)設計與研究

朱 宏 楊 帥

（同濟大學 汽車學院，上海 201804）

以某企業(yè)改進新一代汽車門鎖的結(jié)構(gòu)強度為例進行分析。雖然該新型門鎖的橫向強度能達到國家標準，但是無法滿足汽車制造企業(yè)對門鎖設計提出的更為嚴格的強度規(guī)范要求。為解決這一問題，現(xiàn)提出一系列的改進方案，在盡量保持原有零件成本的前提下，采用多方面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，從而大幅增加鎖體的機械強度。依靠LS-DYNA進行有限元建模和仿真，分析新設計方案的強度數(shù)據(jù)，并進行試驗驗證，證明了改進方案能大幅度提高門鎖的結(jié)構(gòu)強度，使該門鎖的橫向強度達到了設計要求。

1 汽車門鎖的機械強度

汽車門鎖是汽車車身系統(tǒng)的重要附件之一，通過其內(nèi)部的鎖定機構(gòu)實現(xiàn)車門開啟及關閉，具有安全與防護作用。它的機械強度是重要的指標，也是質(zhì)量要求，直接關系到汽車的安全性[1]。汽車門鎖要能承受較大的縱向、橫向載荷，防止車禍后車門無法打開。根據(jù)我國法規(guī)，汽車門鎖必須獲得CCC中國強制認證，機械強度必須滿足GB 15086—2013《汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法》[2]的要求。隨著整車碰撞試驗要求的不斷提高，整車企業(yè)對門鎖的強度設計要求普遍高于國家強制標準，一般要求達到1.5倍國家標準的荷載能力，甚至更高。例如，國內(nèi)某知名合資整車企業(yè)的門鎖技術(shù)規(guī)范遠遠高于國家標準。汽車門鎖強度的國家標準要求和相關企業(yè)標準要求，如表1所示。

表1 汽車門鎖的強度要求

2 汽車門鎖的加強結(jié)構(gòu)設計

某汽車平臺研發(fā)了新一代汽車門鎖，橫向全鎖強度試驗結(jié)果只有13.6kN，有限元強度分析結(jié)果為12.6kN，失效模式為鎖舌棘爪滑脫。可見，門鎖橫向強度無法滿足大于16kN的設計要求。經(jīng)變形分析發(fā)現(xiàn)，在鎖體承受橫向載荷時，底板產(chǎn)生了較為嚴重的變形，導致鎖舌棘爪發(fā)生錯位從嚙合鎖定狀態(tài)中脫出，無法承受更高的載荷。

為了增加鎖體的機械強度，新的設計方案在原方案的基礎上增加了多個加強結(jié)構(gòu)。針對失效模式改進門鎖的橫向強度，如圖1所示。在底板和加強板之間增加一個鉚接結(jié)構(gòu)，鎖體形成籠型結(jié)構(gòu)，增加鎖體總成的剛性。底板增加橋接結(jié)構(gòu)，增加其抵抗變形的能力。在底板側(cè)邊增加Z型折彎結(jié)構(gòu)，增加側(cè)邊的抗彎強度。在鎖體的塑料殼體上增加阻擋結(jié)構(gòu)，限制鎖舌棘爪的滑移。底板和背板局部增加加強筋，提高剛性。

3 加強結(jié)構(gòu)方案的有限元強度仿真

汽車側(cè)門鎖強度結(jié)構(gòu)的仿真模擬，必須建立一個較為精確的有限元模型，包括汽車門鎖模型和鎖扣模型。汽車門鎖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復雜，有很多不規(guī)則的小零件和橡膠緩沖塊，因此在建模時需要簡化處理其CAD模型才能創(chuàng)建為CAE模型。所創(chuàng)建的CAE模型需要綜合考慮門鎖結(jié)構(gòu)、鎖扣結(jié)構(gòu)、材料力學、試驗驗證和有限元分析等多種知識，才能保證仿真的可靠性和計算效率[3]。

圖1 汽車門鎖加強結(jié)構(gòu)設計

運用LS-DYNA進行求解，塑料零件的網(wǎng)格為Tetra Elements，單元格的失效由EPS決定。考慮求解時間且不能將網(wǎng)格劃分得過小，否則會導致早期的塑料零件的單元格失效。同樣，只要EPS達到標準，LS-DYNA就會刪除處于拉伸或壓縮狀態(tài)的單元格。因此，CAE模型中的塑料零件比實際情況要弱。最后得到加強設計改進方案的理論橫向全鎖強度為17.2kN，失效模式為鎖扣拔出，門鎖的結(jié)構(gòu)弱點為底板99.9%UTS、棘爪99.7%UTS。CAE仿真結(jié)果如圖3所示。

從仿真結(jié)果來看，采用加強結(jié)構(gòu)的門鎖的橫向全鎖強度有了較大提升，達到了17.2kN。此次CAE分析為后續(xù)制作改進方案的實物樣品并進行實際的強度測試提供了理論依據(jù)，為進一步優(yōu)化打下了基礎。

圖3 強度改進設計的有限元仿真分析

4 改進方案的橫向強度試驗

為了對新強度結(jié)構(gòu)的仿真模擬結(jié)果進行實際的強度試驗驗證，通過軟模制作方式，將上述優(yōu)化方案做成實物樣件進行全鎖強度試驗，得到的結(jié)果為18.3kN，失效模式為鎖扣拔出。新設計方案的橫向全鎖強度已經(jīng)滿足16kN的設計要求，改進前后的全鎖強度分析與試驗結(jié)果對比如表2所示。

表2 改進前后的仿真模擬結(jié)果與強度試驗匯總對比

5 結(jié)語

針對某型汽車門鎖的橫向強度不足問題，設計了一系列的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并運用CAE仿真對新設計方案進行了虛擬驗證，最后將實際測試的門鎖強度與仿真計算結(jié)果進行對比，驗證了優(yōu)化方案的有效性和仿真的準確性。新設計方案的CAE分析結(jié)果由原設計的12.6kN提高到了17.2kN，提升幅度為36.5%。強度試驗結(jié)果由原設計的13.6kN提高到18.3kN，提升幅度為34.5%。可見，優(yōu)化后機械鎖體結(jié)構(gòu)的剛性得到了顯著提升，并具備了足夠的強度，能完全滿足設計規(guī)范的要求。本研究可以為同類汽車門鎖的強度結(jié)構(gòu)設計提供借鑒和參考。