汽車尾門電動舉升機構(gòu)的設(shè)計研究

于波，李超帥，李健新，林森，李瑞生

（華晨汽車工程研究院 閉合件工程室，遼寧 沈陽 110141）

汽車尾門電動舉升機構(gòu)的設(shè)計研究

于波，李超帥，李健新，林森，李瑞生

（華晨汽車工程研究院 閉合件工程室，遼寧 沈陽 110141）

為解決尾門電動機構(gòu)的布置問題，對擺臂連桿式尾門電動機構(gòu)建立了開閉過程的輸出力計算模型，得到了尾門電動機構(gòu)電機輸出扭矩的計算方法，并通過excel軟件建立公式得到了電機輸出扭矩隨尾門開度的變化曲線，簡化了尾門電動開閉可行性的校核過程。運用CATIA DMU Kinematics模塊建立了尾門電動機構(gòu)的運動仿真模型，輸出了空間距離動態(tài)曲線以及運動包絡(luò)體作為邊界條件指導(dǎo)設(shè)計。

尾門；電動舉升機構(gòu)；開閉力；運動仿真

Abstract:In order to solve the layout problem of the power lift mechanism of tail door, the calculation model of the output force of the power lift mechanism of tail door was established, and the method for calculating the output torque of the motor was obtained. The curve of the motor torque with tail door opening angle was obtained by Excel software. The procedure of checking the electric feasibility of the tail door was simplified. The kinematic simulation model of the power lift mechanism was established by using CATIA DMU Kinematics module. The dynamic distance curve and the motion envelope were output as the boundary condition to guide the design.

Keywords: Tail gate; Power lift mechanism; Opening and closing force; Kinematic simulation

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-16-03

前言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展與成熟，汽車逐步向舒適化與智能化方向發(fā)展，電動尾門已經(jīng)成為各個主機廠在汽車產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)和銷售過程中廣泛應(yīng)用和推崇的技術(shù)。目前汽車應(yīng)用的尾門電動機構(gòu)主要分為兩種類型，一種為電動撐桿式，該結(jié)構(gòu)型式取代尾門氣彈簧，直接布置在車身流水槽內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、外觀美觀、不占用側(cè)圍空間的特點，多應(yīng)用于豪華SUV車型[1~2]。另一種為擺臂連桿式，該種結(jié)構(gòu)型式保留尾門氣彈簧，通過在車身側(cè)圍上安裝電動擺臂連桿，同氣彈簧共同作用實現(xiàn)尾門開閉運動，該結(jié)構(gòu)型式占用一定的側(cè)圍空間，美觀程度較電動撐桿差，優(yōu)勢是可適應(yīng)尾門尺寸更大、重量更大，因此多應(yīng)用于尾門質(zhì)量較大的 MPV車型。本文針對擺臂連桿式電動尾門機構(gòu)進行研究，通過建立其開閉過程的力學模型進行力學性能計算校核，并基于 excel軟件形成開閉力計算表格，簡化了電動尾門的布置計算。并運用 CATIA DMU模塊搭建完成尾門電動機構(gòu)的運動仿真模型，為尾門電動舉升機構(gòu)布置與空間校核提供了理論依據(jù)。

1 尾門電動驅(qū)動機構(gòu)的開閉力計算模型

電動尾門系統(tǒng)包括控制模塊、驅(qū)動模塊、電動鎖模塊以及防夾模塊，驅(qū)動模塊與尾門氣彈簧共同作用，實現(xiàn)尾門的電動開啟與關(guān)閉，如圖1所示，為擺臂連桿式電動尾門驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)示意圖，主要由電機、擺臂與連桿三部分組成，電機通過安裝支架固定在車身側(cè)圍上，帶動擺臂旋轉(zhuǎn)運動，連桿一端與擺臂連接，另一端與尾門連接，隨擺臂的旋轉(zhuǎn)帶動尾門運動。

圖1 電動尾門驅(qū)動模塊示意圖

1.1 尾門電動驅(qū)動機構(gòu)開啟輸出力計算

圖2 電動尾門開啟過程受力分析

如圖2所示，為電動尾門開啟過程受力分析，尾門氣彈簧與尾門電動機構(gòu)提供了尾門開啟的動力，尾門重力提供了尾門開啟的阻力，則尾門可實現(xiàn)電動開啟的條件為：

式中 FP為尾門電動機構(gòu)沿連桿方向的輸出力，F(xiàn)S為單根尾門氣彈簧沿氣彈簧軸線方向的輸出力，G為尾門總成的重力，LP、LS、LG分別為輸出力FP、FS、G以尾門鉸鏈軸線為旋轉(zhuǎn)軸的力臂。

1.2 尾門電動驅(qū)動機構(gòu)關(guān)閉輸出力計算

圖3 電動尾門關(guān)閉過程受力分析

如圖3所示，為電動尾門關(guān)閉過程受力分析，尾門重力與尾門電動機構(gòu)提供了尾門關(guān)閉的動力，尾門氣彈簧提供了尾門關(guān)閉的阻力，則尾門可實現(xiàn)電動關(guān)閉的條件為：

由公式（1）與公式（2）轉(zhuǎn)換可得尾門實現(xiàn)電動開閉的電機輸出扭矩需滿足：

2 基于excel的尾門電動機構(gòu)開閉力計算

在尾門開閉過程中，氣彈簧輸出力 FS與力臂 LG、LS、LP以及均隨尾門開閉角度的變化而變化，因此尾門電動機構(gòu)電機輸出扭矩M也隨尾門開閉角度的變化而變化，為簡化計算并準確得出尾門在不同開度狀態(tài)下所需的電機輸出扭矩，以圖4所示的尾門關(guān)閉狀態(tài)下各點的坐標為輸入條件，在 excel軟件中建立 FS、LG、LS、LP以及與尾門開閉角度的關(guān)系式，輸出尾門不同開度下實現(xiàn)開閉運動所需電機扭矩M，與電機固有扭矩進行對比曲線如圖5所示。

圖4 計算輸入點坐標示意圖

圖5 電機輸出扭矩隨尾門開度變化曲線

若尾門開閉全行程內(nèi)所需電機輸出扭矩均小于電機額定輸出扭矩，則機構(gòu)可實現(xiàn)尾門電動開閉，若尾門開閉全行程內(nèi)存在所需電機輸出扭矩大于電機額定輸出扭矩的位置，則該位置機構(gòu)不可實現(xiàn)尾門電動開閉，需重新調(diào)整電動機構(gòu)連接點 A、B、C的布置位置或調(diào)整電機額定扭矩，以滿足功能要求。

3 基于CATIA DMU Kinematics的尾門電動機構(gòu)運動仿真與空間校核

3.1 尾門電動機構(gòu)開閉系統(tǒng)數(shù)字模型建立

在CATIA DMU Kinematics模塊中建立尾門電動機構(gòu)的裝配體文件，并按照尾門電動機構(gòu)各構(gòu)件的實際空間位置建立位置約束，為下一步進行運動仿真做準備，按照尾門電動機構(gòu)各構(gòu)件的相對運動關(guān)系，建立裝配體結(jié)構(gòu)樹如圖6所示。

圖6 尾門電動機構(gòu)DMU構(gòu)件結(jié)構(gòu)樹

3.2 尾門電動機構(gòu)開閉系統(tǒng)運動副建立

在尾門開閉過程中，尾門以鉸鏈為軸線繞車身進行旋轉(zhuǎn)運動，電動機構(gòu)擺臂以電機輸出軸為軸線進行旋轉(zhuǎn)運動，電動機構(gòu)連桿一端與尾門進行連接，一端與電動機構(gòu)擺臂連接帶動尾門運動。針對此運動特征，對裝配體內(nèi)四個構(gòu)件建立圖7所示四個位置的運動副，各運動副的詳細信息如表1所示。

圖7 尾門電動機構(gòu)DMU運動副約束位置

表1 尾門電動舉升機構(gòu)運動副詳細信息

運動副添加完成后，定義車身為固定構(gòu)件，并添加 Y1位置的旋轉(zhuǎn)副為驅(qū)動條件，最大驅(qū)動角度定義為尾門的最大開啟角度，至此尾門電動機構(gòu)運動仿真模型建立完成，可進行運動仿真分析。

3.3 尾門電動機構(gòu)開閉系統(tǒng)運動空間校核

在CATIA DMU Kinematics模塊中定義電動機構(gòu)擺臂與內(nèi)飾蓋板之間的距離與區(qū)域分析，添加自定義曲線，定義尾門饒車身的旋轉(zhuǎn)為橫坐標，電動機構(gòu)擺臂與內(nèi)飾蓋板之間的距離與區(qū)域分析為縱坐標后進行仿真分析，仿真完成后可輸出二者的關(guān)系曲線如圖8所示。在圖中點擊曲線上任意點位置，即可讀取此位置二者的空間距離數(shù)值，確保尾門全開閉過程中二者的安全間隙均大于6mm。采用同樣的方法，可對電動機構(gòu)連桿與周邊零件進行動態(tài)距離分析。

圖8 電動機構(gòu)擺臂與內(nèi)飾蓋板空間距離動態(tài)曲線

運動仿真模型建立完成后，建立運動機構(gòu)的模擬與重放，點擊包絡(luò)體命令，選取電動機構(gòu)擺臂與連桿作為建立運動包絡(luò)體的構(gòu)件，可建立運動包絡(luò)體如圖9所示。采用此運動包絡(luò)體作為內(nèi)飾蓋板上電動機構(gòu)的開口輸出，空間位置準確且設(shè)計效率高。

圖9 尾門電動機構(gòu)擺臂與連桿運動包絡(luò)體

4 結(jié)論

通過對擺臂連桿式尾門電動機構(gòu)建立開閉過程的輸出力計算模型，得到尾門電動機構(gòu)電機輸出扭矩計算方法，并通過 excel軟件建立了 FS、LG、LS、LP以及與尾門開閉角度的關(guān)系式，得到了電機輸出扭矩M隨尾門開度的變化曲線，對尾門電動開閉可行性進行校核。并運用 CATIA DMU Kinematics模塊建立了尾門電動機構(gòu)的運動仿真模型，輸出了空間距離動態(tài)曲線以及運動包絡(luò)體作為邊界條件，大幅提高了尾門電動機構(gòu)空間位置的設(shè)計準確度與設(shè)計效率。

[1] 李仲煒.汽車電動尾門關(guān)閉力問題的分析與改進[J].汽車工程師,2016（2）：55~56.

[2] 張兆民.基于LIN通信的電動尾門系統(tǒng)[J].汽車零部件,2015 (10):48~50.

Design And Research Of The Power Lift Mechanism Of Tail Door

Yu Bo, Li Chaoshuai, Li Jianxin, Lin Sen, Li Ruisheng
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute Closure Section., Liaoning Shenyang 110141 )

U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-16-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.006

于波，就職于華晨汽車工程研究院。