汽車電動(dòng)尾門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李超帥，王炳飛，林森，于波，李瑞生

（華晨汽車工程研究院閉合件工程室，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

前言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展與成熟，汽車逐步向舒適化和智能化方向發(fā)展，電動(dòng)尾門已經(jīng)成為各個(gè)主機(jī)廠在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售過(guò)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(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為三種類型，第一種型式為電動(dòng)撐桿式，該結(jié)構(gòu)型式取消了尾門氣彈簧結(jié)構(gòu)，電動(dòng)撐桿直接布置在車身流水槽位置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、外型美觀、不占用側(cè)圍空間的特點(diǎn)，多應(yīng)用于中大型SUV車型[1～2]。第二種型式為擺臂連桿式，該種結(jié)構(gòu)型式保留尾門氣彈簧，在車身側(cè)圍安裝電動(dòng)擺臂連桿以驅(qū)動(dòng)尾門，同氣彈簧共同作用實(shí)現(xiàn)尾門開閉，該結(jié)構(gòu)型式占用一定的側(cè)圍空間，美觀程度較電動(dòng)撐桿型式差，優(yōu)點(diǎn)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。第三種型式為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)鉸鏈的型式，該結(jié)構(gòu)型式同樣保留尾門氣彈簧，尾門通過(guò)鵝頸式鉸鏈與車身頂蓋連接，電動(dòng)機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)鉸鏈旋轉(zhuǎn)，與氣彈簧共同作用實(shí)現(xiàn)尾門的電動(dòng)開啟與關(guān)閉。

電動(dòng)撐桿式電動(dòng)尾門結(jié)構(gòu)是目前汽車市場(chǎng)應(yīng)用的主流型式，也是自主品牌采用最多的電動(dòng)尾門型式，其核心模塊為控制器、電動(dòng)撐桿與吸合鎖。其中電動(dòng)撐桿與吸合鎖的性能參數(shù)與尾門系統(tǒng)的匹配是電動(dòng)尾門系統(tǒng)開發(fā)的難點(diǎn)，電動(dòng)撐桿的支撐點(diǎn)布置、撐桿彈簧力學(xué)參數(shù)的計(jì)算以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩的計(jì)算是布置開發(fā)的關(guān)鍵，需與尾門總成的質(zhì)量質(zhì)心、鉸鏈軸線布置進(jìn)行計(jì)算匹配，否則將導(dǎo)致車輛尾門出現(xiàn)部分開啟角度無(wú)法懸停、手動(dòng)操作力大或者電動(dòng)開閉失效等問(wèn)題。此外，電動(dòng)吸合鎖的吸合力需與尾門系統(tǒng)支撐反力進(jìn)行計(jì)算匹配，否則可能出現(xiàn)尾門電動(dòng)關(guān)閉上鎖失效的問(wèn)題[3]。本文通過(guò)建立電動(dòng)撐桿開閉過(guò)程的力學(xué)模型進(jìn)行相關(guān)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算，并采用Excel軟件的公式編輯功能輸出力學(xué)曲線指導(dǎo)設(shè)計(jì)，為電動(dòng)撐桿式電動(dòng)尾門的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 電動(dòng)尾門系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 電動(dòng)尾門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示為電動(dòng)撐桿式電動(dòng)尾門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，電動(dòng)尾門系統(tǒng)由控制器模塊（ECU）、撐桿模塊、吸合鎖模塊、開關(guān)單元、蜂鳴器、防夾膠條（選裝）與腳踢傳感器（選裝）幾部分組成。

圖1 電動(dòng)尾門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1.1 電動(dòng)尾門系統(tǒng)控制器模塊

控制器模塊（ECU）為電動(dòng)尾門系統(tǒng)的大腦，以高性能處理芯片為核心，由驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊與通訊模塊等構(gòu)成，負(fù)責(zé)與車身控制器（BCM）之間的信號(hào)的傳輸與解析、電動(dòng)尾門系統(tǒng)信號(hào)采集、防夾信號(hào)采集、電動(dòng)撐桿驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出、尾門鎖自吸驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出等多項(xiàng)控制功能。

1.1.2 電動(dòng)尾門系統(tǒng)撐桿模塊

圖2 電動(dòng)撐桿模塊結(jié)構(gòu)

如圖2所示，電動(dòng)撐桿模塊由球窩接頭、霍爾傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪箱、螺桿、螺母與助力彈簧等部件構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)接收控制器模塊發(fā)出的指令進(jìn)行正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪箱減速增扭后帶動(dòng)螺桿與螺母發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)電動(dòng)撐桿軸向伸長(zhǎng)或縮短，在助力彈簧彈力的共同作用下，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)操作尾門進(jìn)行開啟或關(guān)閉動(dòng)作。電機(jī)尾部?jī)?nèi)置霍爾傳感器，其反饋信號(hào)作為尾門開閉運(yùn)行啟停位置與智能防夾的信號(hào)輸入。

1.1.3 電動(dòng)尾門系統(tǒng)吸合鎖模塊

如圖3所示為電動(dòng)吸合鎖模塊的結(jié)構(gòu)，吸合鎖模塊由尾門鎖總成、鎖扣總成、吸合電機(jī)與卷緊拉線等構(gòu)成，相比傳統(tǒng)尾門鎖增加了吸合電機(jī)與卷緊拉線結(jié)構(gòu)，可由吸合電機(jī)實(shí)現(xiàn)尾門由半鎖狀態(tài)電動(dòng)關(guān)閉至全鎖狀態(tài)。

圖3 電動(dòng)吸合鎖模塊

1.1.4 電動(dòng)尾門系統(tǒng)防夾膠條

電動(dòng)撐桿模塊內(nèi)置霍爾傳感器，具備霍爾防夾功能，通常標(biāo)定尾門下部鎖體位置的防夾力在60N～100N之間，防夾力標(biāo)定過(guò)小易導(dǎo)致誤防夾觸發(fā)頻率增大，防夾力標(biāo)定過(guò)大則易夾傷乘客。此外，尾門后擋風(fēng)玻璃兩側(cè)距離鉸鏈較近，防夾作用力臂較小，此位置需要更大的防夾力才能觸發(fā)霍爾防夾，極易導(dǎo)致夾傷乘客的情況出現(xiàn)，因此，高端車通常在此位置設(shè)計(jì)防夾膠條。防夾膠條傳感器為上下兩個(gè)互不接觸的導(dǎo)體，在尾門關(guān)閉過(guò)程中遇到障礙物施力后，內(nèi)部導(dǎo)體接觸導(dǎo)通，控制器模塊（ECU）接收信號(hào)控制電動(dòng)撐桿反轉(zhuǎn)開啟尾門。如圖4所示為防夾膠條斷面示意圖，因其通過(guò)壓縮變形后導(dǎo)體接觸導(dǎo)通進(jìn)行信號(hào)反饋，其安裝位置對(duì)密封間隙尺寸要求較高，否則易導(dǎo)致誤防夾情況發(fā)生。

圖4 防夾膠條斷面示意圖

1.2 電動(dòng)尾門系統(tǒng)功能執(zhí)行流程

控制器模塊（ECU）在供電完成后，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)通訊模塊向車身控制器（BCM）報(bào)告系統(tǒng)狀態(tài)，在車身控制器（BCM）獲取開門或關(guān)門指令后（通過(guò)遙控鑰匙的尾門開啟或關(guān)閉指令）或者用戶按下尾門開啟或關(guān)閉按鈕，控制器模塊（ECU）對(duì)控制信號(hào)以及尾門系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行解析并驗(yàn)證，識(shí)別動(dòng)作類型，發(fā)出開門或關(guān)門指令。

1.2.1 電動(dòng)尾門系統(tǒng)開門動(dòng)作流程

在開門動(dòng)作流程中，控制器模塊（ECU）首先發(fā)出指令電控解鎖尾門鎖，待解鎖信號(hào)出現(xiàn)并反饋至控制器模塊（ECU）確認(rèn)后，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)撐桿執(zhí)行開門動(dòng)作，執(zhí)行過(guò)程中霍爾傳感器采集位置信號(hào)與防夾信號(hào)，在出現(xiàn)防夾信號(hào)時(shí)立即停止電動(dòng)撐桿動(dòng)作，系統(tǒng)重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，在動(dòng)作到位后系統(tǒng)即完成開門動(dòng)作，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

1.2.2 電動(dòng)尾門系統(tǒng)關(guān)門動(dòng)作流程

在關(guān)門動(dòng)作流程中，控制器模塊（ECU）首先驅(qū)動(dòng)電動(dòng)撐桿執(zhí)行關(guān)門動(dòng)作，執(zhí)行過(guò)程中霍爾傳感器不斷采集位置信號(hào)與防夾信號(hào)，出現(xiàn)防夾信號(hào)時(shí)立即停止電動(dòng)撐桿動(dòng)作，并驅(qū)動(dòng)電動(dòng)撐桿回到開啟位置或反向運(yùn)行一定行程，系統(tǒng)重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在電動(dòng)撐桿驅(qū)動(dòng)尾門關(guān)閉至尾門鎖半鎖狀態(tài)后，半鎖信號(hào)出發(fā)并輸出至控制器模塊（ECU），控制器模塊（ECU）發(fā)出命令驅(qū)動(dòng)尾門鎖吸合電機(jī)進(jìn)行閉鎖動(dòng)作，將尾門關(guān)閉至全鎖狀態(tài)，并檢測(cè)上鎖位置信號(hào)，在信號(hào)合格狀態(tài)下停止吸合電機(jī)動(dòng)作，完成尾門關(guān)閉。如圖5所示，為電動(dòng)尾門系統(tǒng)的功能執(zhí)行流程。

圖5 電動(dòng)尾門系統(tǒng)功能執(zhí)行流程

2 電動(dòng)撐桿機(jī)構(gòu)力值的計(jì)算

2.1 電動(dòng)撐桿助力彈簧力值的設(shè)計(jì)計(jì)算與調(diào)整

電動(dòng)撐桿輸出力主要由三部分組成：助力彈簧彈力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出力與撐桿系統(tǒng)阻力。其中助力彈簧彈力是電動(dòng)撐桿輸出力中所占比重最大的部分，助力彈簧力值與彈性系數(shù)的設(shè)計(jì)是電動(dòng)撐桿設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其力值與彈性系數(shù)設(shè)計(jì)不合理可能導(dǎo)致尾門部分開度區(qū)間無(wú)法保持懸停，手動(dòng)開閉操作力大或電動(dòng)開閉失效的問(wèn)題出現(xiàn)。

在尾門開閉過(guò)程中，尾門在開閉角度內(nèi)的任意位置可以停止并保持，此狀態(tài)稱為懸停，懸停狀態(tài)下尾門受自身重力與電動(dòng)撐桿支撐力作用，電動(dòng)撐桿電機(jī)不工作，撐桿輸出力為助力彈簧彈力與撐桿系統(tǒng)阻力的合力。如圖6所示為尾門在任意角度懸停狀態(tài)的受力分析，由力矩平衡原理可知保持尾門懸停狀態(tài)所需的單側(cè)電動(dòng)撐桿輸出力FM為：

式中G為尾門總成的重力，LG為尾門重力以鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸為支點(diǎn)的力臂，LS為電動(dòng)撐桿輸出力力臂。

圖6 尾門懸停狀態(tài)受力分析

在尾門鉸鏈軸、電動(dòng)撐桿車身端固定點(diǎn)與尾門端固定點(diǎn)一定的情況下，力臂LG與LS為以尾門開度θ為單一變量的函數(shù)；在助力彈簧起始力值與彈性系數(shù)一定的情況下，彈簧輸出力FS同樣為以尾門開度θ為單一變量的函數(shù)。應(yīng)用Excel軟件的公式編輯功能，輸出以尾門開度θ為單一變量的單側(cè)電動(dòng)撐桿輸出力FM與彈簧力FS隨尾門開度θ的變化曲線如圖7所示。

圖7 電撐桿輸出力&彈簧力曲線

電動(dòng)撐桿彈簧力FS與撐桿系統(tǒng)阻力f的合力提供了電動(dòng)撐桿輸出力FM，因此，當(dāng)尾門在任意開度下保持懸停所需的電動(dòng)撐桿輸出力 FM滿足（FS-f）＜FM＜（FS+f）時(shí)，即圖 6中輸出力曲線FM位于曲線（FS-f）與（FS+f）之間區(qū)域時(shí)，尾門可保持懸停狀態(tài)。在彈簧力值與彈性系數(shù)的設(shè)計(jì)上，應(yīng)以 (FM-FS)最小為設(shè)計(jì)依據(jù)，以增大電動(dòng)尾門系統(tǒng)在各種工況下的懸?？煽啃浴?/p>

2.2 電動(dòng)撐桿電機(jī)輸出力的設(shè)計(jì)計(jì)算與調(diào)整

在尾門電動(dòng)開閉過(guò)程中，助力彈簧彈力與電機(jī)輸出力的合力構(gòu)成了支撐尾門所需的電桿輸出力FM，尾門在任意開度下實(shí)現(xiàn)電動(dòng)開閉所需的電機(jī)輸出力為（FM-FS）,通過(guò) Excel的公式編輯功能，可輸出（FM-FS）以尾門開度θ為單一變量的變化曲線如圖8所示。

圖8 電動(dòng)撐桿電機(jī)輸出力曲線

為滿足尾門電動(dòng)開閉的可行性，尾門所有開度下所需的電機(jī)輸出力（FM-FS）應(yīng)小于電機(jī)額定輸出力，否則將出現(xiàn)電動(dòng)開閉失效的情況。在電機(jī)額定輸出力小于需求輸出力（FMFS）時(shí)，可通過(guò)以下兩種方法調(diào)整解決：（1）調(diào)整電動(dòng)撐桿車身端與尾門端安裝固定點(diǎn)的位置，增大電動(dòng)撐桿輸出力作用力臂，以減小需求輸出力（FM-FS）。（2）增大電動(dòng)撐桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定輸出力。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)計(jì)算車輛在前后駐坡情況下所需電機(jī)輸出力均小于電機(jī)額定輸出力，以滿足車輛全工況下的電動(dòng)開閉可靠性。

2.3 手動(dòng)模式開閉操作力的設(shè)計(jì)計(jì)算與調(diào)整

2.3.1 手動(dòng)開啟操作力的計(jì)算

在尾門手動(dòng)開啟過(guò)程中，手動(dòng)操作力與撐桿輸出力共同克服尾門重力作用實(shí)現(xiàn)尾門開啟，此時(shí)撐桿系統(tǒng)阻力f與助理彈簧作用力FS方向相反，撐桿輸出力FM=FS-f，根據(jù)力矩平衡原理可得尾門在任意開度下手動(dòng)開啟所需的操作力FOPEN為：

式中 LOPEN為以鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)的手動(dòng)開啟力力臂，通過(guò)Excel的公式編輯功能，可輸出不同駐坡角度下以尾門開度θ為單一變量的尾門手動(dòng)開啟操作力曲線如圖9所示。

圖9 尾門手動(dòng)開啟操作力曲線

2.3.2 手動(dòng)關(guān)閉操作力的計(jì)算

在尾門手動(dòng)關(guān)閉過(guò)程中，手動(dòng)操作力與尾門重力共同克服撐桿輸出力作用實(shí)現(xiàn)尾門關(guān)閉，此時(shí)撐桿系統(tǒng)阻力f與助理彈簧作用力FS方向相同，撐桿輸出力FM=FS+f，根據(jù)力矩平衡原理可得尾門在任意開度下手動(dòng)關(guān)閉所需的操作力FCLOSE為：

式中LCLOSE為以鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)的手動(dòng)關(guān)閉力力臂，通過(guò)Excel的公式編輯功能，輸出以尾門開度θ為單一變量的尾門手動(dòng)關(guān)閉操作力曲線如圖10所示。

圖10 尾門手動(dòng)關(guān)閉操作力曲線

為滿足電動(dòng)尾門系統(tǒng)手動(dòng)開閉操作的舒適性要求，通常以全工況下手動(dòng)開閉力均小于100N作為設(shè)計(jì)目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，在目標(biāo)值不滿足的情況下，可通過(guò)調(diào)整彈簧力值以及電動(dòng)撐桿兩端安裝點(diǎn)位置進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。

3 電動(dòng)吸合鎖吸合力的設(shè)計(jì)計(jì)算

電動(dòng)尾門系統(tǒng)電動(dòng)吸合上鎖失效是出現(xiàn)頻率較高的故障模式，尾門在電動(dòng)撐桿作用下關(guān)閉至半鎖狀態(tài)后，電動(dòng)撐桿停止動(dòng)作，由電動(dòng)吸合鎖將尾門從半鎖狀態(tài)吸合至全鎖狀態(tài)，此吸合過(guò)程中鎖體吸合力需克服尾門密封條阻力、緩沖塊阻力、電撐桿支撐力以及氣壓阻力等系統(tǒng)支撐反力。如圖 11所示，為尾門吸合過(guò)程受力分析，根據(jù)力矩平衡原理可得尾門關(guān)閉至全鎖位置所需吸合力FLATCH為：

式中 MACC為尾門密封條阻力、緩沖塊阻力、電撐桿阻力以及車廂氣壓阻力對(duì)尾門的支撐力矩，LLATCH為尾門鎖吸合力以鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸為支點(diǎn)的力臂。

圖11 尾門電動(dòng)吸合過(guò)程受力分析

在鎖體額定吸合力小于需求吸合力FLATCH的情況下，則會(huì)出現(xiàn)尾門電動(dòng)吸合關(guān)閉失效的問(wèn)題，可通過(guò)以下兩個(gè)方案調(diào)整解決：（1）適當(dāng)調(diào)整尾門系統(tǒng)密封條以及緩沖塊等彈性零件的壓縮荷重，以減小需求吸合力FLATCH。（2）調(diào)整增大電動(dòng)吸合鎖額定吸合力。此外，設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中還需考慮整車制造裝配公差與零部件制造公差對(duì)密封間隙與壓縮荷重的影響。

4 結(jié)論

電動(dòng)撐桿與電動(dòng)吸合鎖的性能參數(shù)與尾門系統(tǒng)的匹配是電動(dòng)撐桿式電動(dòng)尾門系統(tǒng)開發(fā)的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)不合理將導(dǎo)致車輛尾門出現(xiàn)部分開啟角度無(wú)法懸停、手動(dòng)操作力大或電動(dòng)開閉失效等問(wèn)題。本文通過(guò)理論分析建立了電動(dòng)撐桿開閉過(guò)程與電動(dòng)吸合鎖吸合過(guò)程的力學(xué)模型，并應(yīng)用Excel軟件的公式編輯功能輸出了相關(guān)力學(xué)曲線，為電撐桿助力彈簧彈力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出力以及吸合鎖電機(jī)吸合力的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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