汽车门锁机构及其控制系统的研制（可编辑）

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1、汽车门锁机构及其控制系统的研制 南京航空航天大学 硕士学位论文 汽车门锁机构及其控制系统的研制 姓名：李春风 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：尹明德 20090201 南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 汽车门锁是汽车车身的重要附件之一，其性能直接关系到汽车行驶的安全性和车主的财 产安全。本文在查阅了大量有关文献的基础上，根据门锁机构的工作原理，从产品设计开 发、零部件装配、运动仿真、动力分析、失效分析、有限元分析、结构可靠性分析、磨损 可靠性分析以及系统控制等多方面进行了剖析。 本文主要内容如下： 将整个汽车门锁看成是由多个构件组成的运动链系统，画出其工作示意图，介绍了

2、汽车 门锁的整体结构、组成部分及其工作原理； 应用Pro/E 软件，对汽车门锁系统进行了3D 建模、装配、运动仿真及动力分析。运动 仿真的成功，说明了该三维模型中各机构之间没有干涉，实现了预定的功能； 运用系统分析方法之一的失效模式及影响分析法，从可靠性角度对汽车门锁系统进行分 析，建立了汽车门锁系统的失效树，并确定了其重要元件及其主要失效形式； 运用ANSYS 软件对汽车门锁系统上锁和锁紧后两个典型的工况进行了有限元分析，获 得了两个工况下的应力、应变值；然后用蒙特卡罗模拟法结合有限元法对锁紧机构中棘轮 进行可靠性分析、灵敏度分析； 指出了引起汽车门锁机构失效的主要原因是各部件之间的磨损，建

3、立了分析和评估门锁 机构磨损可靠性的数学模型，对门锁机构在不同上锁开锁次数下的磨损失效概率作了计算， 给出了汽车门锁机构系统磨损可靠性分析和评估的一般方法； 最后介绍了汽车门锁的电控系统。 关键词：汽车门锁；运动仿真；动力分析；失效树；有限元法；蒙特卡罗法；结构可靠度； 磨损可靠度 I 汽车门锁机构及其控制系统的研制 Abstract Automobile door lock is one of the important accessories of the car body, and its operability and reliability are directly relatate

4、d to the usability and safety of an automobile. On the basis of consulting masses informations,according to the working principle of the locking device,products designing and developing,assembling the parts, motion simulation, dynamic analysis,invalidation analysis, finit element analysis, structure

5、 reliability, wear reliability and system control so many aspects are studied in the thesis. The thesiss main reaserch work is enumerated as follows: The whole automobile door lock is considered as a kinematiclink system which is made of many components. Its working schematic diagram is drawed up, t

6、he whole structure and components of an automobile door lock and its working principle are introduced. Software Pro/Engineer has been applied for 3D modeling, assembling, motion simulation and dynamic analysis.The success of the motion simulation shows that there are no intereferes between mechanism

7、s and a preplanned function has been performed. By applying the fault pattern and influence analysis method, which is one of the system analysis methods, from the standpoint of reliability, the mobile door lock system has been studied. A Fault Tree of the system is built up, and significant parts an

8、d main fault patterns are determined. Software ANSYS has been applied for Finite element analysis of two tipical working conditions which are before and after the automobile door being locked, and the stress and strain of the two conditions are obtained. Then Monte Carlo method combined with Finite

9、element method is used to analysis the reliability and sensitivity of the ratchet wheel in the ratchet gear machnism. It has also been pointed out that the main factor causing the automobile door lock device into failure is the wear among its components. The mathematical model for analyzing and esti

10、mating the wearing reliability of the device is established. The wearing failure probability of the door lock mechanism with different opening and closing frequency is calculated and the general method which is used for the analysis and estimating the wearing reliability is given. At last the electr

11、ical control system for the automobile door lock is introduced. Keywords: Automobile door lock, Motion simulation, Dynamic analysis, FEM （Finite element method ）,Fault tree analysis, Monte Carlo method, Structure reliability, Wear reliability II 汽车门锁机构及其控制系统的研制 图表清单 图2. 1 锁扣示意图.5 图2. 2 锁扣的安装位置.5 图2.

12、 3 锁紧机构的全锁紧示意图.6 图2. 4 锁紧机构的半锁紧示意图.6 图2. 5 汽车门锁系统组成.7 图2. 6 汽车门锁工作原理示意图.7 图3. 1 锁紧装置装配图.12 图3. 2 凸台1 装配图.12 图3. 3 连杆装配图.13 图3. 4 外开启拨杆装配图.13 图3. 5 外开启拨杆和连杆连接装配图.13 图3. 6 外开启部分装配图.14 图3. 7 接触曲面的选择.15 图3. 8 测量结果.15 图3. 9 棘爪PNT1 点加速度，位置和速度分析图.15 图3. 10 参数设置好后模型图.16 图3. 11 拨杆轴径向力变化曲线.17 图3. 12 拨杆轴径向力X 分

13、量变化曲线.17 图3. 13 拨杆轴径向力Y 分量变化曲线.18 图3. 14 棘轮轴径向力及分量变化曲线.18 图3. 15 内开启部分装配图.20 图3. 16 内锁止部分装配图.20 图3. 17 外锁止部分装配图.20 图3. 18 汽车门锁整体装配图.21 图4. 1 失效树的建立步骤.23 图4. 3 汽车门锁系统结构模型.26 图4. 4 汽车门锁可靠性串联模型.27 图5. 1 首次简化后的有限元模型.30 图5. 2 第二次简化后的几何模型.30 VI 南京航空航天大学硕士学位论文 图5. 3 第二次简化后得到的有限元模型.30 图5. 4 最后简化得到的几何模型图.31

14、图5. 5 简化后得到的有限元模型.32 图5. 6 上锁工况静态应力云图.34 图5. 7 锁扣对锁紧的棘轮棘爪机构作用示意图.35 图5. 8 锁紧后棘轮棘爪机构有限元模型.35 图5. 9 锁紧工况下应力云图.36 图5. 10 锁紧工况下应变云图.37 图5. 11 棘轮的有限元模型.41 图5. 12 str 抽样过程显示.43 图5. 13 输出变量z 灵敏度分析.43 图5. 14 设计变量Load1 的散点图.44 图5. 15 load1 取值分布柱状图.45 图6. 1 磨损类别、失效形式与磨损机制、工况关系框图.48 图6. 2 磨损量随时间变化曲线.49 图6. 3 理

15、想的失效状态.51 图6. 4 半锁锁紧状态受力图.52 图6. 5 开锁临界状态受力图.53 图6. 6 上锁前锁紧机构的位置图.55 图6. 7 上锁后锁紧机构的位置图.55 图6. 8 上锁前后锁紧机构的位置对比图.56 图6. 9 初始位置关键点局部放大图.56 图6. 10 半锁紧状态到开锁临界状态的位置关系图.58 图6. 11 半锁紧状态关键点局部放大图.58 图6. 12 直线lEF 和lHJ 之间的位置关系.59 图6. 13 磨损前后直线lEP 和lKQ 变化示意图.62 图6. 14 锁磨损可靠度计算程序框图.63 图6. 15 混洗过程的实现方法.65 图6. 16 锁

16、机构可靠度.67 图7. 1 电控门锁结构框图.69 图7. 2 中央控制电控门锁电路图.71 图7. 3 门锁控制开关.72 图7. 4 钥匙控制开关.72 VII 汽车门锁机构及其控制系统的研制 图7. 5 门锁传动机构.73 图7. 6 门锁系统控制组件的安装位置.73 图7. 7 门锁控制系统电路.74 图7. 8 门锁控制电路.75 表4. 1 失效树的对应事件列表.25 表4. 2 汽车门锁系统元素的分类.27 表5. 1 输入变量参数表.40 表5. 2 输入变量、输出变量之间的相关系数矩阵.44 表6. 1 锁机构可靠度.66 VIII 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本

17、人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日期： 年 月 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 课题研究背景 锁系统在汽车上是一个集安全性、装饰性和工艺性为一体的特殊部件。世界上美、日、欧 等汽车大国都十分重视车锁与整车的协调发

18、展。近些年来，随着人民生活水平的提高，汽车工 1 业发展很快，特别是轿车技术的发展，大大促进了汽车门锁技术的发展 。 2007 年中国汽车销售879.15 万辆，2008 年汽车产销量将突破900 万。2007 年我国汽车零 部件产业总收入也达到6700 亿元，行业净利润率高达7.2%，而整车企业仅4.5% ，这一缺口今 后还将扩大。汽车及零部件市场是一个发展潜力巨大的市场，汽车类产品占世界贸易总额的 10%，但是中国汽车产品出口额仅占我国总体出口额的 1.5%，占国内全行业销售额的 1%，在 机电行业中是最低的。汽车产销量的逐步增长为汽车锁具市场提供了一个较大的发展空间，2007 年所需配套

19、的汽车门锁为3500 万把，其中轿车门锁将占到1892 万把。普通锁供大于求，而中 高档锁是具有市场潜力的，在新车生产中用中控锁或智能锁替代目前的普通锁将成为趋势，因 此汽车中高档锁的发展前景广阔。目前国内的汽车门锁发展前景看好，但外资、合资企业实力 雄厚，并不断加大投资力度，本土车锁企业面临着巨大冲击。 我国的的汽车门锁专业始于解放后，发展于上世纪七十年代，虽然在上世纪八十年代以来， 由于汽车工业的发展趋势十分迅猛，特别是轿车技术的发展，大大促进了汽车门锁技术的发展， 但是由于我国的汽车工业起步较迟，底子薄弱，所以与其他发达国家相比，汽车门锁的技术水 平还有一定的差距，这不仅仅反映在制造工艺

20、水平方面，而且在汽车门锁的设计水平及性能测 试技术方面更显得落后。我国的一些大型的汽车门锁制造企业，原有的老产品的技术上较为成 熟，但是由于现在愈来愈高的质量要求，老产品由于其机构和性能的不完善，其功能的单一化 而渐渐被淘汰，而我国自行设计的车门锁又极少，大部分只能从国外引进或是模仿，所做的理 论研究很少，这一现象严重影响了我国汽车门锁技术水平的提高。 相较于国内汽车门锁技术发展的不力，国内汽车门锁制造企业的窘境，发达国家则均早已 有了专业化的汽车门锁厂（公司），如美国的库伯费曼（Kupferman ）公司，西德的肯可特（Kiekert ） 公司以及日本的爱神精机株式会社等。这些汽车门锁厂（公

21、司）所生产的汽车门锁，除了供本 2 国的汽车装用外还向国外输出，实际上已经是国际性企业了 。 1.2 国内外汽车门锁研究现状 汽车门锁是汽车车身的重要附件之一，其性能和质量直接关系到汽车行驶的安全性和车主 的财产安全。因此世界各国汽车工业均十分重视对车门锁的研制。我国的汽车工业起步较迟， 1 汽车门锁机构及其控制系统的研制 与发达国家相比车门锁的技术存在着一定的差距，这不仅反映在制造工艺水平方面，而且在车 门锁的设计水平及性能测试技术方面显得落后。由于我国长期从国外引进和模仿车锁，而自行 设计的车门锁很少，这样严重地阻碍了我国车门锁技术水平的提高。为了能从理论上来指导车 门锁的设计分析，减少盲

22、目性，更好地消化吸收国外先进技术，就必须对车门锁进行系统的理 论研究和实验分析。 汽车锁系统目前向着高安全性、可靠性，功能多样化以及机电一体化技术的方向发展，与 汽车整体外形的配合更为协调美观。 汽车门锁的种类：按照门锁锁紧件的形状分，可分为舌簧式，钩簧式，卡板式，凸轮式及 齿条式等型门锁；按照门锁锁紧件的运动形式分，可分为直线运动式如舌簧式，摆动式如卡板 式等，旋转式如齿轮齿条式三种；按操纵门锁的方式分，可分为手动式和自动式两种3 。上述 门锁中，舌簧式，齿轮齿条式及卡板式门锁的使用较为普遍，它们的优缺点介绍如下： 舌簧式门锁，结构简单，安装容易，对车门的安装精度不高；缺点是不能承受纵向载荷

23、， 故可靠性较差，加之关门沉重，噪声高，锁紧件舌头与挡块易磨损等。这种门锁现在在现代汽 车上已经较少使用，主要用于载货汽车，客车及拖拉机等。 齿轮齿条式门锁，锁度高，齿轮齿条的耐磨度高，关门轻便；缺点是，对齿轮齿条的啮合 间隙要求严，一旦啮合间隙超差，便影响使用，对车门的安装精度较高。故该种类的门锁主要 用于行驶在路面较好的公路车辆和轿车。 卡板式门锁，强度高，既可承受纵向载荷又能承受横向载荷，安全可靠。另外，其零件大 多为钢板冲压件，工艺性好，制造容易，而且由于此种门锁适用于各种车辆。因此，在逐渐取 代舌簧式和齿轮齿条式门锁。 2 一般设计门锁时应该满足以下几个方面的性能要求 ： 操作性：要

24、求在驾驶室（或车厢）内、外均能可靠地锁紧或方便地打开车门，门锁对车门 应具有导向、定位、及防振的能力。 安全性：要求车门具有两个档位的锁紧位置全锁紧和半锁紧位置。增加半锁紧档位的 目的是，当车辆驾驶中车门离开了全锁紧位置时，半锁紧一档便能起保险作用，并可提醒驾驶 员注意安全。其次是要求门锁应具有防误锁能力，以防止当停车后车门打开状态下，误将锁止 器锁止；而当关门时能自动解除锁止，以防止驾驶员下车时误将钥匙遗忘在车内而产生误锁现 象。再其次是要求汽车发生撞车或翻车事故时，对乘员有保护作用，当汽车落水或发生火灾等 危险情况下，便于乘员开门。另外，有的车还要求有防盗作用。 可靠性：要求门锁具有锁止器

25、，保证车门关紧后能把车门锁止，以防止车辆行驶中车门自 行打开，并可防止乘员误开车门。 强度：门锁应具有较高的强度，能耐一定的纵向载荷、横向载荷及冲击时产生的惯性力， 2 南京航空航天大学硕士学位论文 在汽车撞车和翻车等情况下不致于失灵。另外，为持续保持性能和强度，门锁应采取防水、防 尘及防锈蚀措施。 锁系统的设计原则为：1 尽量采用被使用实践证明高度可靠的设计方案；2 结构尽可能简 单，原件数尽可能少；3 锁定部分及限锁部分是锁系统设计的中心，需以高概率保证其良好的 4 开闭性；4 在设计时要有明确，细致，合理的工艺要求及维护要求 。 设计中应注意的问题：1 通过对过去同类设计已发生故障的统计

26、，及结合可靠性定量计算 的故障可靠性进行分析。掌握该锁系统的主要失效模式，失效原因及各设计参量可靠性灵敏度 的大小；2 在设计中争取做到可靠性设计水平。 既要利用故障可靠性分析实验的结果，又要做 好可靠性试验，充分利用可靠性分析实验的结果，同时更要做好在可靠性定量分析基础上的可 靠性优化设计；通过这些措施把设计参量，工艺要求，维护要求统一的合理定下来；3 在计算 上关键明确哪几个因素是相互相关的，提出正确的计算多因素失效的可靠性模型及计算方法， 避免计算方法上的失误。 1.3 课题必要性和重要性 门锁是汽车的重要附件，其可靠性和操作性能直接关系到汽车的使用性能和安全性能，以 及汽车的销售和市场

27、占有5 。一个完整的汽车门锁系统必须能实现内开启、外开启、内锁止保 险、外锁止保险及锁紧车门的功能6 。如果门锁系统的可靠性不足，则会引起一系列的故障， 例如：汽车行驶过程中，门锁没有锁死的故障，这会危害到乘客的安全；汽车内无人时，门锁 不能锁死的故障，可能引起失窃事故；汽车停止，车主要上车时发现门锁打不开的故障，以及 汽车停止，车内有人，想下车却发现门锁打不开的故障，这都给乘客带来了极大的不便。这些 故障在日常生活中切实存在，所以设计出一种新型的长寿命，高可靠性的汽车用锁是非常有必 要的。 1.4 课题来源及本文研究的内容 课题来源：南汽集团MG 公司。 本课题以上汽大众汽车有限公司的桑塔纳

28、汽车门锁系统为原型，参照国内外汽车的先进技 术，根据门锁机构的工作原理，从产品设计开发、装配部件配合、运动仿真、动力分析、失效 分析、有限元分析、结构可靠性分析、磨损可靠性分析以及系统控制等多方面进行了剖析。研 究成果预计用于MG 名爵ZR3 车型中。 本文共分为八章： 第一章，介绍了课题的研究背景、国内外汽车门锁研究现状、课题必要性和重要性、课题 来源及本文研究的内容。 第二章，首先介绍了汽车门锁专业术语、性能要求、设计原则，然后将整个汽车门锁看成 3 汽车门锁机构及其控制系统的研制 是由多个构件组成的运动链系统，画出其工作示意图，接着详细介绍了汽车门锁的整体结构、 组成部分及其工作原理，最

29、后分析了汽车门锁的基本工况。 第三章，介绍了对汽车门锁系统从建立模型、装配、到运动仿真、动力分析的全过程。运 动仿真的成功，说明了该三维模型中各机构之间没有干涉，实现了预定的功能；通过动力分析， 成功的求出了该机构从半锁紧状态运动到未上锁状态的过程中，棘轮轴、棘爪轴、拨杆轴、连 杆轴等各连接处的径向作用力及其在X ，Y方向的分量大小，这为进一步对该模型进行结构分析、 疲劳分析以及可靠性分析打下基础。 第四章，运用系统分析方法之一的失效模式及影响分析法，从可靠性角度对汽车门锁系统 进行分析，确定其重要元件及其主要失效形式，并建立了汽车门锁系统的失效树，依照各元素 对系统可靠性影响的大小，对系统进

30、行可靠性设计时的组成进行了简化，建立了汽车门锁系统 可靠性计算模型串联系统模型。 第五章，对汽车门锁系统上锁和锁紧后两个典型的工况进行了有限元分析。把在Pro/E软件 中绘制好的特征图导入ANSYS软件，建立起有限元模型，根据工程实际和有限元软件基本理论 设定各种属性，在ANSYS软件求解器中进行静力学问题的求解。根据对结果数据的分析，获得 了两个工况下的最大应变值、最大应力值，分析结果与经验相符。然后用蒙特卡罗模拟法和有 限元法相结合的方法对锁紧机构中棘轮零件进行可靠性分析，算出了横向载荷作用下棘轮的结 构可靠度。同时还利用ANSYS 中的可靠性计算方法做了输出变量z灵敏度分析，确定了结构可

31、 靠性分析中输入变量、输出变量之间的相关系数矩阵。 第六章，在前面对汽车门锁系统的失效模式分析的基础上，指出了引起汽车门锁机构失效 的主要原因是各部件之间的磨损。对上锁、开锁的过程中，棘轮棘爪机构之间的几何关系、运 动情况、受力情况作了分析，给出了各参量的具体数学计算公式；随后针对棘轮棘爪机构中的 磨损情况作了讨论，建立了棘轮棘爪机构磨损可靠性的分析方法和计算模型；最后采用蒙特卡 罗数值模拟方法，对棘轮棘爪机构在不同上锁开锁次数下的磨损失效概率作了计算和讨论。 第七章，首先介绍了一般电控门锁基本组成部分及其功用。然后介绍了电控汽车门锁的操 纵方法。最后介绍了电控系统的设计，讲述了门锁控制开关，钥匙开锁报警开关，钥匙控制开 关，门锁总成，门控开关等元件的工作原理及其安装位置，并给出了门锁控制系统的电路图。 第八章，本文的总结与展望。总结了全