车门锁关闭的数模模拟

为什么做这个模型

车门关闭的瞬态动力学分析对门锁、密封条等零件有较高的精度要求,因此需要对锁的啮合过程进行详细描述,为了在有限元分析中直接读取应力应变等结果,锁的建模舍弃了更擅长此类机构分析的多体动力学仿真分析软件,选用LS_Dyna显示分析。

车门锁结构及关闭历程分析

简单介绍下目前普遍采用的卡板式门锁,它是利用棘轮、棘爪原理通过旋转卡板与挡块的啮合与脱开实现锁紧或开启,具有全锁紧和半锁紧两个位置,安全、可靠。下图为典型的卡板式门锁的锁止结构,为了更清晰的展示锁止过程,动画如动图2所示。

图1  卡板式门锁结构

图2  门锁撞击过程

在车门撞动惯性力作用下,棘轮受锁扣的压迫克服棘轮回位弹簧作用力而转动,棘爪在止动弹簧的作用力下将棘轮卡住,完成锁紧车门动作。为了缓冲和降噪,在本体上安装了橡胶材料制作的缓冲块,并且棘轮棘爪的表面也设置了包塑。整个关闭过程的关键零件包括棘轮、棘爪、锁块弹簧、回位弹簧、缓冲块、包塑。为了能够证明最终模型的有效性,门锁静态关闭力实验将作为对标试验。

图3  门锁静态关闭力试验曲线

在该试验中锁扣以恒定速度运动,完成锁止过程,测力设备采集全过程反力曲线,横坐标为锁的行程。在有限元分析中设置锁扣的强制位移,读取锁扣的接触力即为门锁啮合的静闭力曲线。此类过程力值对标问题,弄清楚各阶段力值变化的原因有助于整体把握模型设置,因此在对标之前把整个曲线划分为4各阶段:接触初段、半锁、全锁行程、全锁关闭。

模型重点调试参数

速度设置:合理的速度设置很重要,第一次对标读取的锁扣接触力是图4这样的,此时内心是崩溃的,仔细分析后发现:为了追求计算效率,锁扣运动速度过快,为准静态过程带来了额外的系统动能,不能读取稳定的接触力,建议将速度放大比例控制在合理范围内,平衡计算精度与计算效率。

图4  对标读取接触力曲线

一维单元建模:棘轮、棘爪弹簧是影响关闭力值的关键零件,弹簧刚度和预压角度需要按照图纸的安装状态设置,如图5当直段弹簧绕旋转轴安装可等效建为扭转弹簧,刚度值和预压角需要换算。

图5  等效弹簧

包塑与缓冲块:棘轮、棘爪表面的包塑材料一般为软橡胶,全锁行程中包塑及空腔的存在是接触力值变化的关键因素,包塑接触及空腔需要单独定义不同接触对,如动图6所示。

图6  包塑与空腔接触对的定义

缓冲块一般为硬质橡胶,锁扣与缓冲橡胶块的接触由于其本身的刚度相差较大,需要调整接触参数,避免负体积错误,如动图7所示,全锁时刻一般同时伴随着缓冲块压缩,需要根据该时刻数模中的干涉量调整缓冲块材料参数,保证关闭的峰值力与实测值一致。

图7  接触参数调整部位

最终对标效果:经过参数调试后,对标效果比较理想,如图8所示:半锁、全锁峰值力偏差控制在5%以内,并且模拟的全锁行程与试验一致性较好,完成门锁静态关闭力实验对标。

图8  仿真和试验对比

注意到以上模型重点调试关键点,成功模拟出车门关闭的瞬态过程。下图展示了车锁机构安装在门系统上后车门关闭的瞬态撞击过程,经过零部件的对标,车门关闭动态模型的精度得到了有效保证。基于此车门关闭的其他相关问题如:关闭力、关门震颤、SLAM等研究可以就此开展。

图9  车门关闭瞬态撞击过程模拟
图10  车门关闭瞬态撞击过程模拟放大

文章转自:智享汽车圈

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