0 引言
车门进入系统是实现人车交互的第一个物理通道，是保证乘客隔绝外部危险的安全屏障。锁体作为车门进入系统的核心部件，其内部是由弹簧、刚性构件、限位块以多种形式运动副连接而成的复杂刚柔耦合空间机构[1]。UDRISTE等[2]从机构运动学角度了分析车门锁机构简图，发现机构在不同工况操作下有不同的自由度。
车门锁电动开启功能的增加使得内部机构愈发复杂。传统刚性机构运动模式较为单一，难以保证各操作支链之间的柔顺适应性运动[3]。通过增加驱动、运动链来实现功能多样化，往往会增加整锁的体积与重量。
柔顺多模式运动机构[4]可实现多种运动模式的输出，具有机构减重、结构轻质的特点。变胞机构属于变自由度多运动模式机构，其中代表性的有WOHLHART[5]设计的3种多环变自由度机构、DAI等[6]提出的具有重组变形能力的拓扑结构、郭宗和等[7]提出的5种类型变胞运动副、曲志刚等[8]等提出的蜕变因子-变约束运动副。
柔顺机构具有储能特性和自复位特征，可根据自身柔度被动顺应外部作用力而自适应运动，起到减缓外部环境刚性冲击的效果[9]。目前，国内外学者普遍在传统运动副中串联弹簧来实现运动副的柔顺化[10]。PAINE等[11]构建的直线型柔顺副实现了系统刚度的线性变化。JUNHO等[12]基于杆副单元的几何关系变化，引入线性弹簧使得系统具有非线性变刚度特征。LI等[13]基于双滑块机构运动过程中的几何奇异，引入弹簧组使得该机构具有多种非线性刚度特征。TSAGARAKIS等[14]将弹簧构成的回转体同轴布置于驱动与负载之间，由此实现输入力矩的传递和系统刚度的调节。据此原理，LAGODA等[15]利用扭簧设计了紧凑型双重旋转柔顺副。
动力学仿真软件的发展推动了柔顺机构物理模型的数值求解，DEB等[16]对具有快速复位特性的双脱扣塑壳断路器机构进行了动力学仿真以研究其动力学特性。
针对汽车侧门锁多功能集成、轻量化与结构紧凑的设计目标，笔者设计了含复位特征的多运动模式变自由度柔顺五杆机构，将该机构作为汽车门锁电动开启支链，分析了其运动模式和柔顺五杆机构的柔顺适应性运动与复位特性。样机实验验证了柔顺五杆机构在车门锁机构中的适用性。
1 新型变自由度柔顺副的提出与特点
图1所示的运动副难以同时满足汽车门锁内部开启支链力适应复位运动、奇异位置的确定运动和顺应手动操作支链运动的功能需求。
新型组合柔顺副及其构造的变自由度柔顺五杆机构如图2所示。该柔顺副含有与回转轴同轴安装的扭簧，扭簧螺旋部分不与含槽连杆槽内壁面接触；运动副运动过程中，回转轴体与槽内壁面形成接触，精确实现运动副的旋转及移动。回转轴在含槽连杆的滑槽内平移，滑槽两端圆弧限制回转轴的平移运动区间。扭簧一端的引脚随回转轴平动，另一端引脚固接于连架杆AB。柔顺副内的零预紧力扭簧使得变自由度柔顺五杆机构在奇异位置时具有确定的运动，并能实现力适应双向复位。
(a)保持架
(b)柔顺转动副
(c)变胞运动副
图1 传统运动副机构简图
Fig.1 Diagram of traditional kinematical pairs
(a)机构简图
(b)扭簧复合安装
(c)安装示意图
(d)变自由度柔顺五杆机构
图2 新型柔顺副及其构造的变自由度柔顺五杆机构
Fig.2 Novel compliant pair and it constructed variable DOF five-bar compliant mechanism
基于新型柔顺副构造的变自由度柔顺五杆机构根据不同驱动以及限位边界，具有铰链四杆机构运动模式、五杆机构运动模式、曲柄摇块机构运动模式和摆动导杆机构运动模式。变自由度柔顺五杆机构期望运动模式以及运动模式特点说明如表1所示。
现有的四杆机构不能实现机构的多模式输出，五杆机构需要2个驱动才能实现确定运动，相比之下，变自由度柔顺五杆机构依据不同的驱动方式、限位边界，可实现多种运动模式的输出及模式间切换，能在少驱动条件下近似确定运动；具有在机构奇异位置的确定运动、弹性复位等运动学特征。新型柔顺五杆机构适用于少驱动场合，可根据不同的驱动与限位边界条件进行运动模式的切换。
2 多运动模式柔顺连杆开启机构设计
2.1 车门锁机构功能需求与开启机构设计
如图3所示，汽车侧门锁包含操作机构与执行机构，保险支链起到了离合开启支链、保持与执行机构接触状态的作用。
表1 变自由度柔顺五杆机构期望运动模式及其特点
Tab.1 Expectation motion modes and its charactcristics of variable DOF compliant five-bar mechanism
变自由度柔顺五杆机构运动示意图等效机构简图与期望运动模式运动模式特点说明机构驱动运动为B→B′,驱动解除后复位过程为B′→B铰链四杆机构运动模式驱动方式:AB顺时针驱动或CD逆时针驱动。运动特点:弹簧力提供柔顺机构一个自由度的约束,实现柔顺机构驱动结束后的自动复位;等效机构需提供额外的反向驱动复位。机构运动过程自由度数为1。柔顺机构驱动运动近似为B→B′,驱动解除后复位过程为B′→B五杆机构运动模式驱动方式:AB逆时针驱动或CD顺时针驱动。运动特点:在单驱动条件下,扭簧力为变自由度柔顺五杆机构提供一个额外的约束,在驱动与复位过程中,机构仍可以顺应机构力最小约束进行近似确定运动。等效2-DOF平面五杆机构约束不完全,运动不确定。机构运动过程自由度数为2。柔顺机构奇异位置为B′,柔顺机构驱动运动为B→B′→B″,驱动解除后的复位过程为B″→B′→B曲柄摇块机构运动模式驱动方式:AB逆时针驱动。运动特点:机构可以顺利越过奇异位形而不出现随力与运动的突变,并实现驱动结束后的自动复位;无扭簧的等效平面曲柄摇块机构在奇异位置或存在运动模式转换现象。机构运动过程自由度数为1。柔顺机构奇异位置为C′,柔顺机构驱动运动为C→C′→C″,驱动解除后的复位过程为C″→C′→C摆动导杆机构运动模式驱动方式:CD顺时针驱动。机构可以顺利越过奇异位形而不出现随力与运动的突变,并实现驱动结束后的自动复位;无扭簧的等效平面摆动导杆机构在奇异位置或存在运动模式转换现象。机构运动过程自由度数为1。
1.手动保险 2.电动保险 3.电动开启 4.手动内开启 5.手动外开启
图3 车门锁多支链操作机构示意图
Fig.3 Diagrammatic sketch of branches in the vehicle door latch
将变自由度柔顺五杆机构作为汽车门锁的开启机构，实现图4所示的门锁实物样机，新型柔顺机构以机构简图形式标出。
1.外开启杆 2.保险转盘 3.保险齿轮 4.保险拨叉 5.不完全齿轮 6.电机 7.惰轮 8.齿轮连架杆 9.柔顺五杆机构 10.含槽连杆 11.内开启杆 12.保险连杆 13.棘爪盘
图4 车门锁机构样机
Fig.4 Prototype of vehicle door latch mechanism
本文提出的汽车门锁通过单电机驱动的正向输出与反向输出实现车门锁的电动开启与电动上保险，并实现驱动结束后的支链力适应复位运动，优于现有大多数电动开启车门锁需利用双电机时序操控电动保险支链与电动开启支链。
2.2 不同工况下的车门锁柔顺五杆机构运动模式
基于变自由度柔顺五杆机构特征搭建的单电机协同控制保险支链与开启支链的车门锁执行机构，在保证各支链互不干涉的前提下实现了单电机对车门锁多功能的操作，开启支链在驱动结束后自动回复到初始位姿。图5为基于变自由度柔顺五杆机构设计的车门锁机构简图，S1、S2为锁内限制连架杆CD左右运动范围的限位块。
图5 车门锁机构示意图
Fig.5 Vehicle door latch mechanisms diagram
变自由度柔顺五杆机构运动模式与车门锁操作工况之间的对应说明如表2所示。电机通过不完全齿轮间歇机构将动力输出传递至电动开启支链，不完全齿轮可用于电机驱动和解除驱动之间的状态切换。不完全齿轮处于无齿啮合状态时为手动开启工况，处于有齿啮合状态时为手动开启(限位)工况。
表2 各工况车门锁操作机构运动过程及其对应的柔顺五杆机构
Tab.2 Vehicle door latch mechanism movement processes and its corresponding complaint five-bar mechanism in various working modes
工况功能实现及操作机构运动过程车门锁操作机构运动示意图柔顺五杆机构运动示意图电动开启AB顺时针转动,带动CD脱离限位块S1并运动至与限位块S2接触;棘爪释放棘轮,门锁开启。随后,电动开启支链在扭簧弹性势能作用下回复至初始位置:CD受扭簧力作用逆时针转动至初始位置即连架杆CD与限位块S1接触。电动开启操作铰链四杆机构运动模式手动开启CD顺时针转动,脱离限位块S1并运动至与限位块S2接触;棘爪释放棘轮。连架杆AB产生随动于含槽连杆BC的微小顺时针转动。手动开启操作五杆机构运动模式电动上保险AB逆时针旋转经过BC共线的奇异位置,由于扭簧的作用,机构可以顺利越过奇异位形而不出现随力与运动的突变。电动上保险操作曲柄摇块机构运动模式手动开启︵限位︶电机蜗轮蜗杆传动的自锁时,与手动开启模式不同之处是连架杆AB被锁定,AB变为基架,此时的机构具有确定运动。手动开启(限位)操作摆动导杆机构运动模式
变自由度柔顺五杆机构在单电机驱动条件下，实现了开启和保险双支链的时序操作，并可通过扭簧力储能实现驱动结束后的复位运动：通过铰链四杆机构运动模式可以实现侧门锁的电动开启功能；通过五杆机构运动模式和摆动导杆机构运动模式可以实现侧门锁的手动开启功能；通过曲柄摇块机构运动模式实现侧门锁的电动上保险功能。
在实现汽车门锁多工况操作的基础上，柔顺机构曲柄端点(扭簧轴心)B在含槽连杆BC内部滑槽内的漂移实现了电动开启支链与手动开启支链之间的柔顺适应性运动。
3 变自由度柔顺五杆机构动力学分析
在对车门锁开启机构创新设计的基础上，从动力学角度研究变自由度柔顺五杆机构的适用性。二自由度五杆机构动力学拉格朗日方程[17]表示了连架杆关节驱动力矩与关节位移、速度、加速度之间的关系：
式中，T1、T4为驱动力矩；
分别为活动构件的转角、角速度和角加速度；J为活动构件的转动惯量。
欠驱动条件下，变自由度柔顺五杆机构解析解模型的求解更为复杂。本节将通过ADAMS软件建立门锁三维模型，仿真分析变自由度柔顺五杆机构的运动学性能及动力学性能，并进行实验验证。
3.1 柔顺五杆机构多模式功能性实现
柔顺五杆机构复位特性源于扭簧受力形变，其柔顺适应性源于扭簧中心在连杆槽内的相对位移。首先，对车门锁样机(图4)建立具有柔顺五杆机构的仿真模型，如图6所示，然后，通过开启力实验验证ADAMS仿真结果的正确性。图7所示为门锁开启力实验台，内开启、外开启和电动开启的峰值力由轴向拉力传感器测得。
图6 门锁机构ADAMS仿真模型
Fig.6 Simulation model of the door latch mechanism in ADAMS
图7 多模式开启力实验台
Fig.7 Experimental platform for multi-patterns releasing
仿真与实验的开启峰值力对比数据如表3所示，ADAMS动力学仿真结果与实验结果的误差在15%以内，考虑实验过程传感器及机构传动存在摩擦，相对误差在可接受范围之内。
表3 多工况开启峰值力的仿真结果与实验结果
Tab.3 Simulation results and experimental results of release peak forces in multiple modes
开启方式ADAMS仿真(N)实验(N)误差(%)内开启36.3939.358.13外开启22.5119.3414.08电动开启59.5855.008.33
3.2 柔顺五杆机构多工况复位运动特征分析
扭簧旋转轴B点在含槽连杆内部的随动漂移量S是柔顺五杆机构在执行不同操作工况时的机构柔顺适应性衡量指标。柔顺机构的初始位置如图8中虚线所示，此时的扭簧旋转轴B点处于含槽连杆最右端。
图8 柔顺副轴槽内漂移量示意图
Fig.8 Diagrammatic sketch of drifting displacement of compliant pair in groove
变自由度柔顺五杆机构在一个完整电动周期内具有复位特性，在以下两个工况完成后需实现复位运动：①连架杆AB顺时针旋转、驱动门锁电动开启后，变自由度柔顺五杆机构逆时针回转复位；②连架杆AB逆时针旋转、驱动保险支链至上保险状态后，变自由度柔顺五杆机构顺时针回转复位。
图9为一个电动循环周期下的漂移量S变化曲线。70～83 ms为电动开启后的机构复位阶段，扭簧中心的最大槽内漂移量为4.3 mm；150 ms时，电机驱动连架杆AB逆时针转动执行上保险动作，190 ms时，扭簧中心在槽内的最大漂移量为6.5 mm;192～228 ms为上保险后的机构复位阶段。
1—解保险阶段 2—电动开启阶段 3—上保险阶段 4—机构复位阶段
图9 电动周期工作过程中柔顺副轴槽内漂移量变化
Fig.9 Drifting displacement of compliant pair in groove during electrical working cycle
相较于传统汽车侧门锁只有的手动开启功能，变自由度柔顺五杆机构利用原保险电机实现了电动开启功能，电动开启操作与电动上/解保险操作执行时长均满足汽车门锁工作要求。
图10所示为开启支链中的柔顺五杆机构在电动开启和电动上保险过程中的状态，机构仿真运动与高速摄像中机构阶段性运动特征一致。
(a)电动开启过程
(b)电动上保险过程
图10 电动开启和电动上保险过程中的样机状态
Fig.10 States of prototype in the processes of power release and electric lock
3.3 柔顺五杆机构柔顺适应性运动特征分析
柔顺五杆机构作为电动开启支链的组成部分，需柔顺适应手动开启支链的运动，以实现手动应急开启功能。图11为两种手动开启模式下，扭簧中心槽内漂移量的变化曲线。对于连架杆AB存在限位的情况(手动开启(限位))，扭簧中心在槽内的漂移量为9.4 mm；对于连架杆AB无限位的情况(手动开启)，扭簧中心在槽内的漂移量为8.4 mm。上述两种手动开启模式存在最大约1 mm的位移差；两种手动开启模式下，柔顺五杆机构均能满足复位至初始位置的要求。仿真结果表明柔顺机构可以满足汽车侧门锁的多种功能需求，并实现电动开启支链与手动开启支链互不干涉的兼容性运动。
图11 两种手动开启模式下的漂移量
Fig.11 Drift displacement in two manual release working modes
电动开启、电动上保险与正常手动开启过程中，最大扭簧中心槽内漂移量分别为4.3 mm、6.5 mm与8.4 mm。
4 结论
(1)新型变自由度柔顺五杆机构具有扭簧力储能复位、顺应机构最小力约束运动、避免机构运动学奇异位置导致的运动不确定等特征。可实现铰链四杆、平面五杆、曲柄摇块和摆动导杆机构4种运动模式及运动模式间的切换。
(2)基于变自由度柔顺五杆机构构造的电动开启支链，通过切换运动模式，实现了单电机在汽车侧门锁狭小空间内对保险支链和开启支链的时序操作，符合汽车门锁设计要求。
(3)柔顺副扭簧中心槽内的漂移量可作为衡量变自由度柔顺五杆机构在多模式运动过程中的柔顺适应性的指标，定量描述不同工况下的机构柔顺度。
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