汽车后背门锁扣仿真分析及优化
王颂 汤博韬 程云祺
摘? 要：汽车门锁系统是保障车内人员生命和财产安全的重要装备。国家标准对于汽车门锁静态载荷性能试验有明确规定。由于锁扣结构等原因，后背门锁扣在标准规定的载荷3方向上经常出现变形过大的问题，导致试验失败。该文对某车型后背门锁扣进行了有限元分析。将分析结果与试验结果进行对比，验证了分析的准确性。以分析结果为依据，对该锁扣结构进行优化设计，经优化后的锁扣，其载荷3方向刚度得到了显著提高。
关键词：门锁系统;有限元分析;刚度;结构优化
中图分类号：U463? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
0 引言
汽车门锁系统主要是由门锁和锁扣2个部分组成的，二者分别与车门和车身相连。汽车门锁系统是保障车内人员生命安全的重要装备。汽车门锁的技术状况是否良好，直接关系到汽车的行车安全，同时门锁系统还需要具备良好的防盗性能，以保证人员的财产安全。车门在正常关闭过程中，通过门锁卡板与锁扣的啮合，实现车门的锁紧功能。当车门受到外力冲击时，作用在门板上的载荷最终传递到锁扣，进而传递到车身。锁扣作为汽车车门锁紧机构的主要承载结构，其性能直接影响到车内人员的生命安全。我国国家标准规定对于汽车侧门门锁系统要进行2个方向的静态载荷试验，对于垂直方向开门的后门门锁系统，要进行3个相互正交方向的静态载荷试验。出于成本等因素的考量，大部分厂家后背门锁扣与侧门锁扣形式相似，并没有针对标准要求进行特殊设计，一旦发生追尾事故，其后背门锁扣有可能因变形量过大造成后背门意外打开，威胁车内人员人身安全。该文对某车型后背门锁扣进行有限元分析，将分析结果与试验实测值之间进行了对比，并对该锁扣进行了优化设计。
1 国家标准对门锁性能的要求
GTR NO.1《关于门锁和车门保持件的全球法规》是第一项正式出台的全球统一的汽车技术法规项目，我国作为WTO成员国，在汽车门锁性能方面的要求，与GTR NO.1保持一致。GB 15086—2013《汽车门锁及车门保持件的性能要求和试验方法》中有明确规定。1）对于1个门锁系统，在锁体和锁扣总成之间，在与锁体面垂直的方向施加11 000 N的载荷（载荷1）时，二者不应脱开。2）对于一个门锁系统，在锁体和锁扣总成之间，在与锁体面平行且在卡板开启的方向施加9 000 N的载荷（载荷2）时，二者不应脱开。3）对于一个垂直方向开门的后门门锁系统，在锁体和锁扣总成之间，在与载荷1和载荷2相互正交的方向施加9 000 N的载荷（载荷3）时，二者不应脱开。
GB 15086—2013《汽车门锁及车门保持件的性能要求和试验方法》对门锁系统性能试验施加的静态载荷方向。目前常见的锁扣在载荷1和载荷2方向有较好的刚度，对于后背门来说，锁扣在载荷3方向的刚度较小，在试验过程中会经常会产生明显的变形，导致卡板与锁扣脱离，是导致门锁系统性能试验失败的重要原因。
2 后背门锁扣仿真分析
该文对某车型后背门锁扣进行分析，其结构如图1所示，锁扣上部圆柱直径为6 mm，底板厚度为3 mm。该锁扣的材料为高强度合金结构钢35CrMo，其屈服强度高达835 MPa。约束锁扣螺栓孔处平动自由度，释放所有转动自由度，在锁扣上部分别施加载荷1方向11 000 N的力、载荷2和载荷3方向9 000 N的力。该锁扣在载荷1和载荷2的作用下，最大变形量分别为2.94 mm和2.79 mm，对试验结果影响较小。在载荷3的作用下，该锁扣有明显变形，出现了刚度不足的情况，最大变形量达到了32.40 mm，锁扣在载荷3方向变形情况如图1（b）所示。
该车型后背门试验后锁扣变形情况如图1（a）所示，由于锁扣变形过大，导致卡板与锁扣脱离，造成试验失败。从图1中可以看出，锁扣在实际试验中的变形情况与模拟情况基本一致，最大变形出现在锁扣上部与门锁卡板接触一侧。表1展示了锁扣最大变形点实测与模拟的各个方向的变形量，从表1中可以看出，二者最大相对误差不超过10%，从而证实了模拟方法的准确性。
3 后背门锁扣结构优化及分析
由上一章模拟分析及试验情况可知，该锁扣存在载荷3方向刚度不足的问题，这也是导致其未能通过试验的直接原因。为了提高其在载荷3方向的刚度，对该锁扣结构进行优化设计。考虑加工装配及零部件成型需求，将锁扣上部直径增加为7 mm。由于在各工况下，底板背面应力均较小，从控制成本的角度出发，考虑减轻底板厚度，以减小整个锁扣的质量。
优化之后的锁扣结构以及其在各个工况下的变形量如图1（c）所示。优化之后，该锁扣质量为97.22 g，相比原有结构减轻了3.36 g。另外，优化后的锁扣在载荷1方向的刚度相比原有结构，减小了36.7 %，但位移仍然仅有4.02 mm。而在载荷2和载荷3方向，该锁扣刚度分别增大了31.9%和40.8%。尤其是在载荷3方向，优化后的锁扣最大变形量减小为19.17 mm，如图1（d）所示，极大地提高了该车型后背门锁总成通过门锁系统性能试验的可能性。
4 结论
对某车型后背门锁扣进行了仿真分析，得到了其在载荷1、载荷2和载荷3作用下应力和位移的分布情况。
对比该锁扣在载荷3作用下试验和仿真计算变形情况和最大变形点各个方向变形量，二者最大相对误差为9.3%，结果证实了模拟计算方法的准确性和有效性。
根据模拟分析结果，对该锁扣结构进行优化，分析表明，优化后的锁扣结构，在重量略有减轻的情况下，将锁扣在载荷2和载荷3方向的刚度分别提升了31.9%和40.8%，有效减少了该锁扣在试验过程中的变形量，极大地提高了试验通过的可能性。
参考文献
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