李占营（长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心，保定071000）



门锁系统的优化设计及其对车辆声品质的影响

李占营
（长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心，保定071000）

【摘要】为了削弱汽车门锁系统对开关门声品质造成的影响，通过优化门锁内部结构、在门锁内各机构间接触部位增加缓冲装置、调整止动爪弹簧力值、优化旋转卡板与锁扣间切入角度、提高锁扣安装点刚度等措施，减小开关门瞬间门锁与锁扣产生的撞击及门锁内部各机构之间的撞击声。通过对优化后的门锁进行声学测试和实际评价可知，客观测试数据和主观评价感受均达到了预期效果。

主题词:声品质车门门锁锁扣刚度

1　前言

日本学者将车辆噪声提炼为14类评价指标，而英国Ricardo等研究人员则将噪声的评价归类为5种指标[1]。美国福特公司Otto等人在此基础上对汽车声音的主观评价试验方法进行了详细的概述[2]，为声品质的主观评价试验奠定了基础。然而，对车辆声品质差的原因分析方面，虽然对车门钣金结构、车门下垂刚度、密封条的影响、车身累计公差的影响等因素进行过一些探讨［3～5］，但是在门锁对关门声品质的影响分析方面相对较少，导致目前大部分车辆车门声品质仍达不到期望效果。为此，本文从汽车门锁系统的设计方面进行探讨和实践论证，为减少因车门锁系统设计不合理造成的开关门杂音提供建议。

2　门锁结构优化设计

2.1车门锁结构简介

车门锁系统主要由爪支座、旋转卡板、止动爪、锁扣和弹簧等组成，如图1所示。门锁的主要工作原理：在锁扣进入爪支座过程中，通过锁扣挤压旋转卡板，使旋转卡板绕安装轴旋转，当旋转卡板旋转到第1挡位置时，止动爪在弹簧作用下旋转并卡住旋转卡板1挡卡爪，以防止旋转卡板回转，保证锁扣不从旋转卡板中脱出；当锁扣继续往爪支座内压入到第2挡位置时，止动爪在驱动弹簧作用下卡住旋转卡板2挡卡爪，最终锁扣被旋转卡板和爪支座牢牢卡住，此时门锁完全锁闭。在打开车门时，只需要通过遥控开关驱动门锁电机，使止动爪旋转到原来位置并从旋转卡板中脱出，旋转卡板在回位弹簧作用下旋转到开锁位置，锁扣顺利脱出，开门成功。

通过对门锁结构分析发现，在开关门过程中因门锁系统产生的噪声包括锁扣与旋转卡板撞击产生的噪声、锁扣与爪支座产生的噪声、旋转卡板与止动爪撞击产生的噪声、旋转卡板与爪支座撞击产生的噪声、止动爪与爪支座产生的噪声等。在上述噪声因素中，旋转卡板是最关键因素，因为其在整个门锁系统运动过程中与周边零部件的碰撞最多，声音最大。所以，为了降低门锁系统造成的声品质问题，必须首先对旋转卡板的结构设计、运动校核分析和碰撞分析进行全面探讨，同时需要对爪支座、止动爪等零部件的运动碰撞进行FEA仿真分析和优化，从而提高开关门声品质。

图1　车门锁系统组成

2.2旋转卡板与锁扣切入位置的形状设计

在车门关闭时，优化设计旋转卡板与锁扣的啮合过程对减小撞击噪声非常关键。通常情况下，设锁扣的运动方向与旋转卡板轮廓啮合点切线方向夹角为α，旋转卡板对锁扣的撞击力为F，通过力的分解可知，锁扣在垂直撞击旋转卡板的力F1为：

F1=F×sinα

当夹角α设计为90°时，旋转卡板与锁扣会产生最直接的正面碰撞，不但容易产生较大的噪声，还会加大二者之间的碰撞力。夹角α越小，则F1越小，关门时旋转卡板与锁扣之间啮合过程变长，从而使锁扣平顺切入旋转卡板。这种设计既可减小撞击噪声，也可减小旋转卡板对锁扣的反作用力，使车门更容易关闭。通过对不同设计角度的效果对比试验分析，建议夹角α≤35°，以获得较好的关门效果。目前部分车型如宝马、奥迪、奔驰等，已开始将旋转卡板与锁扣初始接触部位的轮廓形状改为内凹形式，以期进一步减小夹角，使关门过程更加平稳，具体结构如图2所示。

图2　锁扣与旋转卡板切入角度示意

2.3旋转卡板与锁扣撞击部位的缓冲设计

即使夹角α很小，也无法完全避免碰撞噪声，因为锁扣是铁质，而旋转卡板的包塑层通常采用Hytrel 5526材料，硬度较大，产生关门噪声的主要原因是棘轮与锁扣间的振荡冲击现象。影响撞击激烈程度的重要因素是旋转卡板a、b部位的形状以及二者之间的距离（图3）。为了减小振荡冲击噪声，通常在旋转卡板与锁扣接触位置设计若干个缓冲槽，缓冲槽的尺寸和形状不但要考虑缓冲效果，还要保证门锁长时间使用的可靠性，以避免产生磨损损坏。一般要求缓冲槽到旋转卡板外轮廓的距离在0.3～0.8 mm之间。有时为了得到更好的缓冲效果，也可在旋转卡板上并排设计两个缓冲槽，对撞击进行两次缓冲，进一步减小关门撞击声。

图3　旋转卡板缓冲槽

当旋转卡板与锁扣第一次碰撞后，旋转卡板将绕自身轴线快速旋转。由于惯性原因，旋转卡板的a侧与锁扣脱离后，将紧接着与旋转卡板b侧撞击，如此反复几次之后才进入最终锁闭状态，所以需要在旋转卡板的a、b两侧都设计缓冲槽，从而降低锁扣与旋转卡板之间的振荡撞击，更有效降低关门噪声。

2.4旋转卡板旋转力矩设计

在关门初期阶段，锁扣进入爪支座过程中需要克服旋转卡板的阻力，该阻力包括旋转卡板的回位弹簧力、旋转卡板与爪支座之间的摩擦力、旋转卡板与止动爪之间的摩擦力。

旋转卡板的回位弹簧力值设计很关键，力值太大将直接导致锁扣的阻力加大，进而导致关门力大，噪声变大。力值也不能过小，若该力值不能克服旋转卡板与爪支座之间的摩擦力，将会导致车门第1挡锁不能正常开启。旋转卡板、止动爪与爪支座之间的摩擦力除了与材料摩擦系数有关，还和环境温度有关，设计时必须同时考虑低温环境影响因素。

通过测试两个知名品牌的门锁旋转卡板旋转力值（表1）发现，两门锁在第1挡锁闭时的旋转力值基本一样，其中甲锁测量6次的平均旋转力值为11.7 N，乙锁测量6次的平均旋转力值为11.8 N。然而在第2挡锁闭时二者力值发生了较大差异，其中甲锁测量6次的平均旋转力值为23.0 N，乙锁测量6次的平均旋转力值为17.3 N，即甲锁旋转力值从第1挡到第2挡增加了11.3 N，而乙锁旋转力值从第1挡到第2挡只增加了5.5 N。该旋转力值越小，关门力越小，关门过程中撞击声音也就越小，所以说明乙锁该项性能优于甲锁。建议甲锁通过调整弹簧的长度、螺距、直径、簧丝直径等参数优化弹簧力值性能。

表1两个知名品牌门锁旋转力测量值N

2.5爪支座对锁扣的缓冲设计

若锁扣与爪支座之间未设计缓冲块，在车门完全关闭瞬间，锁扣与爪支座之间将会产生直接的金属撞击，不但造成较大的噪声，还容易损坏整个爪支座。因此，必须在锁扣与爪支座之间设计缓冲块。缓冲块的材质为橡胶，采用NBR（丁晴橡胶）材料，硬度通常为HS60左右。通常会在橡胶块上设计一个异形孔，如图4所示，以便将缓冲块与锁扣之间的压缩量加大到2～3 mm，从而有效吸收由制造带来的偏差。

图4　旋转卡板中的缓冲胶块

缓冲块对锁扣的挤压力值也是一个关键设计点，挤压力过大将导致车门不易关闭，而挤压力太小会导致锁体与锁扣咬合不紧，在车辆行驶过程中产生相对运动，进而产生“咯吱咯吱”的响声，同时也会影响门锁的使用寿命。缓冲块对锁扣的挤压力一方面取决于橡胶硬度特性，另一方面取决于缓冲块的结构设计。通过测量两个知名品牌的门锁可知，缓冲块对锁扣的压力并不一样，具体数值如表2所列。

表2两个知名品牌门锁的缓冲块对锁扣压力的对比　N

通过表2测量数值发现，甲锁缓冲块对锁扣的平均压力值为29.18 N，乙锁缓冲块对锁扣的平均压力值为13.68 N，说明甲锁不利于车门关闭，但在行车状态下旋转卡板与锁扣咬合更紧，不易产生相对运动，而乙锁正好相反。通过实车试验发现，乙锁的确出现了车门锁不紧产生异响的问题，需要改进。通过经验，缓冲块对锁扣挤压力建议设计到15～20 N之间，既可保证行车不出现异响，又可保证关门力良好。

2.6旋转卡板与止动爪、爪支座的缓冲设计

在锁扣进入旋转卡板过程中，随着旋转卡板的转动，同时也带动止动爪转动，每当到达一个挡位时，止动爪与旋转卡板都会发生碰撞，如图5所示，若没有缓冲设计，也会产生一定的噪声，因此需要在旋转卡板与止动爪的接触部位设计适当缓冲槽，以减缓撞击带来的噪声。缓冲槽的长度一般设计在5～8 mm，而宽度设计为1～2 mm即可。

图5　旋转卡板上的缓冲槽

在第2挡位锁紧瞬间（即完全锁闭时），旋转卡板端部与锁体之间也会产生撞击。要想消除此处撞击声，设计时需要保证旋转卡板与锁体之间在锁闭状态下有2 mm的间隙，如图5所示。也可以采用缓冲设计方法，在锁体与旋转卡板间设计缓冲结构，如图6所示。

在车门打开后，锁扣与旋转卡板完全脱开，旋转卡板在回位弹簧作用下旋转回到最初状态，由于弹簧的作用力，旋转卡板会瞬间撞击到锁体，从而产生撞击声，若未考虑在旋转卡板与爪支座之间设计缓冲结构，开门时将产生较大撞击噪声，最终给开门声品质带来影响。为减小此处的撞击噪声，一般在锁体上设计一个缓冲块，如图7所示，该缓冲块材质一般选择为Al⁃cyrn2070，要求与旋转卡板面接触面积越大越好，建议不小于9 mm2。若无法在锁体上设计缓冲块，也可以在旋转卡板上开一个缓冲槽，如图8所示，同样可以起到减缓旋转卡板撞击锁体的效果。

图6　旋转卡板与缓冲结构

图7　锁体缓冲胶块

图8　旋转卡板上的缓冲槽示意

3　车门锁扣安装点刚度分析

3.1车门锁扣安装点刚度设计优化

锁扣通常用螺栓安装到侧围BC柱部位。关门撞击声通过锁扣安装点传递给侧围BC柱，尤其是后门，锁扣安装到侧围C柱时问题表现得更加突出（C柱内部是一个较大的空腔结构，由于存在空腔模态，空腔结构会放大该部位的撞击声，产生更大的关门噪声）。为了尽量减小声音传递，可以从4个方面进行优化设计：第一在锁扣与侧围中间设计一个橡胶隔振垫，如图9所示，通过橡胶隔振垫减缓声振传递函数；第二可以在侧围外板内部张贴阻尼胶片，增加侧围外板阻尼性能，减少振动和噪声；第三是往C柱空腔结构内注射发泡胶，改变空腔模态，避免空腔对声音的扩大效应；第四是通过提高锁扣安装点刚度模态，减少由于关门撞击锁扣产生的振动和噪声。

图9　锁扣安装橡胶垫

后门锁扣安装点位于侧围C柱，其刚度较前门锁扣安装点小（前门锁扣位于侧围B柱，内有加强板）。为了增大C柱刚度，需要在C柱锁扣安装点处增加锁扣加强板（图10）或增加发泡隔声胶块（图11）。

图10　锁扣安装点加强板

图11　发泡隔声胶块

为了确保锁扣安装点刚度符合设计要求，在结构设计完成后需通过有限元分析方法对其进行仿真分析。表3为某车型在锁扣部位增加加强板前、后锁扣安装点刚度改善效果。

表3结构改进前、后安装点刚度数据对比

3.2车门锁系统优化后性能验证

为了验证C柱发泡隔声胶块的实际效果，对某款车C柱锁扣安装点部位进行了不增加发泡隔声胶和增加发泡隔声胶两种状态车辆NVH性能测试，测试内容主要包括声音的响度、尖锐度、声压级3个指标[3]。试验数据如表4所列。

表4增加发泡隔声胶前、后声品质对比

根据表4的试验数据可知，增加发泡隔声胶后关门响度降低1.4 Sone，尖锐度降低0.05 Acum，声压级增加0.1 dB（A）（根据经验判定为测量误差）；开门响度降低3.0 Sone，尖锐度降低0.01 Acum，声压级降低2.1 dB（A）。

图12为车门优化前、后开关门声品质测试频谱对比。通过关门频谱对比可以发现，改善后较改善前在60～200 Hz区域能量有所降低；通过开门频谱可以发现，改善后较改善前在800～2 000 Hz区域能量降低比较明显。

通过NVH试验表明，对锁扣安装点增加发泡隔声胶进行优化后，开关门声品质提升较为明显。同时为保证门锁可靠性要求，对改进后的门锁进行了12万次的耐久试验、过载关门试验等，其中还包括一些基本功能的测试。试验过程中未发现有裂纹、变形等损坏现象，所有部件运动正常，表明改进后的门锁能够满足门锁耐久性使用要求。

图12　改进前、后声品质频谱测试对比

4　总结

通过对车门锁的结构分析，结合实际现场匹配验证，提出了一系列门锁结构设计优化建议，并对整改效果进行了试验验证和评价，结果证明改进措施对车门关闭声品质提升效果明显，可以广泛借鉴应用。但是，要想获得一个非常好的关门声品质，仅针对车门锁进行优化和设计还远远不够，还要对车门的其它相关系统进行优化，如车门玻璃升降系统优化、车门密封系统优化、钣金结构设计优化、车门补强胶片、阻尼胶片的设计和布置优化等。

参考文献

1Herman Van der Auweraer.An Engine Approach to sound Quality,SAE,962491

2Otto.Guidelines for Jury Evaluations of Automotive Sounds, SAE Paper,1999-01-1822.

3黄洁明.轿车车门锁干涉音分析研究：[学位论文].广州：华南理工大学，2013.

4陈明.基于车内噪声的轿车NVH改进.汽车工程师，2010 （5）：41.

5杨川.汽车关门声品质研究：[学位论文].长沙：湖南大学，2012.

6林逸.汽车NVH特性研究综述.汽车工程,2002（6）：178.

7范玮，孟子厚.汽车车门的声品质对汽车消费心理的影响.声学技术，2006（6）：185.

8徐小军.基于主观感觉的声质量客观评价方法及应用：[学位论文].合肥：合肥工业大学，2004.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为2015年11月1日。

Optimization Design of Door Lock System and It′s Influence on Sound Quality of Vehicle

Li Zhanying
（Technology center of Great Wall motor Co.,Ltd,Hebei Automotive Engineering Technology Research Center, Baoding 071000）

【Abstract】To lessen the influence of vehicle door lock system on door opening-closing sound quality,this research attempts to minimize the impact between door lock and lock latch during the short moment of opening and closing,and impact sounds among various components inside the door locks by means of optimizing the internal structure of door lock, adding buffer devices in the contact areas among different components in door locks,adjusting spring force value of locking claw,optimizing the entry angle between rotary clamping plate and lock latch,and enhancing the stiffness of lock latch setup points.It is concluded from acoustic testing of the optimized door lock and practical evaluation that both objective test data and subjective feeling of evaluation have achieved the desired effect.

Key words:Sound quality,Car door,Door lock,Lock latch,Stiffness

中图分类号:U463.83

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）03-0013-05