基于侧碰安全性的车门开启问题研究及其结构优化与验证

来源:汽车科技
关键字:碰撞安全,侧面碰撞,车门开启
发布时间:2019-08-21 07:17

　　摘要：针对汽车在侧碰试验过程中出现的车门开启问题，结合门锁子系统试验、试验拆解与变形分析以及侧碰仿真，系统化的分析导致车门开启的原因，确认导致车门门锁解锁开启的主要原因是门锁区域局部变形过大，导致外开把手弹出解锁，使得车门开启。结合文中提出的能够反映门锁区域局部变形与承受冲击载荷的量化指标，提出了一种结构优化方案，仿真结果显示优化方案的相关指标可减小70%以上，能够有效改善门锁区域局部变形及其承受的冲击载荷作用，有效防止门锁在侧碰过程中解锁开启。优化方案的侧碰试验结果验证了其有效性，试验中门锁区域局部变形小，车门未开启。本文为解决侧碰过程中的车门打开问题提供一种分析方法与设计指导。

　　关键词：碰撞安全；侧面碰撞；车门开启；碰撞仿真；结构优化与验证

　　中图分类号：U461.91 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2019）03-0057-07

　　Abstract： Aiming at the door open problem in MDB side impact test， combined with door lock subsystem tests， post-test disassembly and deformation analysis ， side impact simulation， systematically analyzed the causes of door open.Finally confirmed the main reason for door open was that the local deformation of the door lock area is too large， Caused the outer handle to be ejected and unlocked so that the door opens.. In this paper， a structural optimization scheme was proposed. According to the quantitative indicators that can reflect the local deformation and the impact load， the simulation results show that the related quantitative indicators of the optimization scheme can be reduced by more than 70%， and the local deformation of door lock can be effectively improved， thus preventing the unlocking of the door lock during the side impact. The effectiveness of the side impact test of the optimized scheme was verified. In the experiment， the local deformation of the door lock area was small and the door was not opened. This paper provides an analysis method and design guidance for solving the door opening problem in the side impact.

　　Key Words： crash safety； side impact； door open； crash simulation； structural optimization and verification

　　1 前言

　　随着我国汽车保有量的不断增加，交通事故的发生随之增多，因此提高汽车安全性，降低交通事故中乘员的受伤风险是汽车安全开发设计者的重要任务。交通事故的类型主要包含正面碰撞、侧面碰撞及追尾等。据统计数据，各类碰撞事故发生的比例为正面碰撞59.2%，侧面碰撞27%，追尾8.1%，其他5.7%[1]。其中侧碰作为占比第二重的碰撞形式；为保证侧碰过程中乘员的安全性，目前主要通过汽车侧面碰撞试验来评价车辆的侧面安全性能，试验采用可移动壁障以一定的速度撞击车辆的侧面，通过评价假人的伤害值和车身结构的变形情况来评定车辆在侧碰过程中对乘员的安全保护性能。在国标及NCAP评价规程中均对侧碰性能有要求，同时为保证车内乘员在侧碰过程中不被甩出以及防止外来物进入车内对乘员造成伤害，GB 20071-2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》[2]以及欧盟法规ECE R95《关于车辆侧面碰撞中乘员保护方面对车辆认证的统一规定》中要求：侧面碰撞试验过程中车门不得开启。在《中国新车评价规程》[3]中也规定，如果在侧面碰撞中出现车门开启将被扣分，对于两侧的每一个车门，若在碰撞过程中开启，则分别减去一分。

　　本文针对某乘用车型在开发阶段的侧碰试验中出现的车门解锁开启问题，结合对门锁系统的系统测试、试验后车门及门锁拆解分析与整车侧碰仿真研究车门在侧面碰撞过程中解锁开启的原因，提出可以量化门锁周边局部变形和受冲击情况相关指标。针对门锁解锁开启的原因提出结构优化方案，进行优化方案的侧面碰撞的仿真与试验验证，验证结果表明，优化方案侧碰试驗门锁周边局部变形改善明显，未出现车门打开问题，方案有效。

　　2 问题描述与分析

　　2.1 问题描述

　　在某车型按照2015版C-NCAP规则进行侧面碰撞试验时，出现了碰撞过程中左后车门解锁开启的现象，如图1所示：

　　2.2 问题分析

　　如图2所示，车门锁系统主要包括锁体总成、内外开拉杆拉丝、内外门把手总成等。门锁系统开启的过程为，在解锁止状态下，拉动把手拉手，通过拉杆，带动锁体外开摇臂，促使锁体内锁舌转动，脱离锁扣完成车门开启。

　　针对门锁系统的相关耐冲击性等性能，在国标GB 15086-2013 汽车门锁及车门保持件的性能要求和试验方法[4]中对有相关要求：a）对于车门门锁系统，在锁止装置未锁止的情况下以与车辆纵向轴及车辆横向加30g的惯性载荷，不应从全锁紧位置脱开；b）对于后门门锁系统，在锁止装置未锁止的情况下以与车辆垂直轴平行方向施加30g的惯性载荷，不应从全锁止位置脱开；c）每个部件和子系统可通过计算求出在特定方向上的最小耐惯性载荷，阻止开锁的组合耐惯性载荷，应保证门锁系统在正确安装到车门上，承受上述a）和b）规定的惯性载荷时，保持在锁紧位置。

　　一般而言，导致车门解锁开启的原因可分为：门锁系统惯性力驱动的失效模式、门钣金变形驱动外把手解锁的失效模式以及门钣金直接撞击门锁解锁结构导致解锁的失效模式[5]。

　　针对门锁系统进行惯性冲击试验，验证其能够承受的惯性冲击载荷，如图3所示，门锁惯性冲击载荷试验，门锁外开把手在45g惯性冲击载荷下没有开启动作，锁体与内门把手可承受60g与48g以上的惯性冲击载荷，满足门锁系统抗冲击要求，初步排除门锁系统惯性力驱动失效的可能性。

　　对于是否为门把手拉杆或锁体运动件被门钣金撞击而解锁失效，在侧碰试验后，对左后车门进行切割与拆解分析，如图4所示，外开拉杆保持完好，锁体的相应零件也无磕碰痕迹，由此分析导致门锁解锁而使得车门开启的可能性较小。

　　如图5-图6所示，外开把手在侧碰过程中发生挤压折弯变形，且玻璃导轨撞击到把手的底座，门把手区域的钣金变形大，呈现扭转折弯变形。

　　如图7所示，从中部挤压把手底座，或从端部施加弯矩，可复现外把手弹出现象。结合门锁系统的惯性冲击试验、车门及门锁局部区域在侧碰过程中的变形和拆解结果判断：门锁区域钣金变形（挤压与扭转变形）过大，外开把手弹出，在撞击过程中下压外开拉杆解锁，导致车门打开。

　　2.3 侧面碰撞仿真

　　为进一步分析确认侧碰车门解锁开启的原因，建立整车侧碰仿真模型，仿真模型按照与试验相同的条件设置，考虑到门锁机构采用详细建模的复杂性以及其网格尺寸对计算时间步长的限制，本文仿真模型：门锁机构采用门锁部件外部特征（主要为外开把手）简化建模，为准确模拟外开把手在试验中的运动与开启情况，外开把手未用刚性（锁死状态）连接，而采用在外开把手的内外部件间建立弹簧单元，模拟把手的开启程度。侧面碰撞模型搭建采用Hypermesh与Primer软件，模型单元数1985609，节点数17005203，分析求解时间90ms，如图8所示：

　　如图9，试验和仿真的车门变形情况对比，后门及门锁区域的变形基本一致，基本能够反映侧碰过程中车门及门锁的变形情况，仿真结果可行度高。

　　如何准确的量化门锁局部区域的变形情况和受冲击载荷情况，同时便于开展结构优化方案的效果对比评估，本文提出如下指标来描述门锁及其周边的局部变形与受冲击载荷的程度，如图10所示：a.把手Y向间隙：Y0；b.把手部位钣金X向变形及相对扭转角度：abθ；c.把手及手窝处的Y向加速度：Aw As；d.把手底座与玻璃导轨最小间隙：D0。

　　如图11-图15所示，左侧（撞击侧）后门中腰线下靠近把手位置出现明显凹陷，外开把手底座在碰撞过程中与玻璃导轨发生挤压。图12与图13所示外开把手的Y向间隙变化、把手部位钣金的X向变形以及相对扭转变形角度指标亦显示外开把手窝局部钣金X向承受挤压与扭转变形，对外把产生较大的外推力，在撞击过程中，外开把手弹出下压外开拉杆解锁，导致车门打开。

　　综上分析，该车型在侧面碰撞试验中左后车门自动解锁的原因是主要后门锁区域局部变形过大，承受较大的X向挤压与扭转变形，且玻璃导轨挤压外开把手底座，促使外开把手被挤出，推动拉杆带动解锁机构运动而导致解锁，车门开启。

　　3 结构优化与验证

　　3.1 结构优化

　　综合零部件子系统试验、试验后拆解分析与仿真分析可以得出，为防止车门在侧碰过程中解锁开启，需要改善门锁区域的局部变形，减小门锁承受的挤压与扭转变形，尽可能使门锁局部区域的变形为一种“整体变形”形式。基于改善门锁区域局部变形的思路，为此设计了如图16所示的结构加强部件，并通过优化设计确定加强结构最优的材料与厚度，该优化加强结构能够引导变形发生在车门的中前区域，降低门锁区域的局部变形，保持门锁区域的“整体性”，降低解锁风险。

　　3.2 结构优化方案分析

　　基于侧碰仿真模型，对优化方案进行相同条件下的侧碰仿真对比分析。如图17所示，紫色为优化方案、绿色为原始方案，优化方案的车门变形转移至中前部，门锁区域的整体性保持较好，没有发生明显的挤压和扭转变形。图18显示，优化方案的玻璃导轨与把手底座的最小间隙为16mm，碰撞过程中导轨没有撞击把手底座。

　　如图19-21、表3-5门锁局部变形和加速度指标对比，其中外开把手的Y向间隙峰值、把手部位钣金局部变形（X向变形与扭转变形）以及把手与把手窝加速度峰值均大幅降低，降低幅度均超70%，其中扭转变形的改善量达99%，优化方案可明显的改善门锁區域的局部变形，降低门锁系统在侧碰过程中承受的惯性冲击载荷，有效降低门锁解锁车门开启的风险。

　　3.3 试验验证

　　结构优化方案经过多次侧碰试验验证，试验中左后车门均未发生解锁开启现象，如图22所示所示，门锁区域局部X向挤压与扭转变形小，完整性保持好。

　　试验与仿真结果的对比显示，左后车门的变形形式、变形位置及门锁局部的变形状态均较为一致，说明本文建立的仿真模型是可靠有效的，能够预测侧碰试验中的变形情况，可用于进行结构变形及优化方案对比分析，指导结构的优化设计。同时本文中提出的局部變形与承受载荷作用的量化指标，能够较为准确的表征门锁区域的局部变形和受冲击程度，亦可用来进行优化改善方案效果评估。对于后续解决该类问题均有重要的意义。

　　4 结论

　　本文基于侧碰过程中车门解锁打开的问题，结合试验与仿真的分析方法，确认了车门开启的原因，并提出了解决车门解锁开启问题对应的结构优化方案，有效解决了侧碰试验中车门开启的问题，得出以下结论：

　　本文从可能导致门锁解锁的因素中，结合子系统试验、试验后变形与拆解及仿真分析，系统化的分析了导致车门开启的原因，最终确认了门锁区域局部X向挤压与扭转变形过大，玻璃导轨挤压外开把手底座，促使外开把手被挤出，推动拉杆带动解锁机构运动而导致解锁为车门开启的问题所在。

　　提出了能够反映门锁局部区域变形及承受冲击作用的指标，便于量化变形及受冲击程度，亦可用做优化方案的改善效果评估对比，通过试验验证了其有效性。

　　针对车门解锁开启的问题基于控制门锁区域局部变形的优化思路，提出了有效的对应优化方案，可明显的减小车门锁区域的X向挤压变形与扭转变形，降低门锁系统受冲击的惯性载荷，降低门锁解锁开启的风险，经多次侧碰试验验证方案有效。

　　建立了准确地仿真模型，通过仿真与试验的量化指标对比研究，可以较为准确地描述该类问题，形成相关的数据库，在设计阶段通过仿真的手段即可提早发现问题，有效应对，缩短开发周期，减少试验次数，节约开发成本，保证车型的安全性。

　　针对本文中提出的量化指标如何确定设计目标值来指导结构设计还需要大量的试验数据及其仿真对标研究确定。

　　参考文献：

　　[1]钟阳.SUV侧面碰撞仿真分析及B柱优化设计研究[D].广州：华南理工大学，2010：1-2.

　　[2]中华人民共和国标准化委员会.GB 20071-2006 汽车侧面碰撞的乘员保护[S].北京.中国标准出版社，2006.3.

　　[3]C-NCAP管理中心.C-NCAP管理规则（2015版）.

　　[4]刘哲.侧碰过程中侧门异常开启的探测和解决方法[J].汽车工程师.2015（1）：53-55.