汽車尾門電動撐桿支撐力的計算與校核

溫開元，陳勇，岳鵬

(1.溫州市蓋茨汽車配件有限公司，浙江瑞安 325204；2.江鈴汽車進出口有限公司汽車三部，江西南昌 330200)

0 引言

汽車尾門撐桿一般采用氣彈簧的結(jié)構(gòu)形式。隨著人們生活質(zhì)量的提高，汽車已經(jīng)進入千家萬戶，汽車尾門電動撐桿的需求也越來越大。汽車尾門電動撐桿的支撐力主要是由安裝在撐桿內(nèi)的彈簧力和電動絲桿推力兩部分組成。當(dāng)尾門受到壓縮彈簧的彈力和電動絲桿的推力作用時，尾門開啟。當(dāng)尾門受電動絲桿向內(nèi)的拉力(同時壓縮彈簧)和尾門的重力時，尾門關(guān)閉并被電吸鎖具鎖住。為此，作者將對汽車尾門的安裝位置及尾門開啟和關(guān)閉的不同受力狀態(tài)進行分析和計算，從中找到最合適的安裝位置及支撐力，從而滿足汽車尾門開啟和關(guān)閉的技術(shù)要求。

1 汽車尾門氣彈簧的工作原理及安裝要求

1.1 汽車尾門一般氣彈簧的工作原理

氣彈簧的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。一般在開啟狀態(tài)下，將氣彈簧缸筒端球釘安裝在尾門上，另一端球釘安裝在后備箱流水槽上。氣彈簧缸筒內(nèi)充滿高壓氮氣，氣彈簧處于伸展?fàn)顟B(tài)。當(dāng)關(guān)閉尾門時，用手向下按壓尾門推動活塞桿及活塞向缸筒內(nèi)移動，氣體通過活塞的兩邊導(dǎo)流孔流通，這時活塞兩邊的壓力相等，由于活塞左邊缸筒端截面大于活塞右邊桿端截面，故活塞左邊缸筒端的作用力大于活塞右邊桿端的作用力(儲存能量)，當(dāng)尾門到達底部被鎖扣鎖住時尾門被關(guān)閉。當(dāng)開啟尾門時，用手按下尾門開關(guān)按鈕并拉動尾門時，尾門在活塞兩邊作用力之差的作用下(釋放能量)推動活塞桿將尾門打開。

1.2 汽車尾門氣彈簧一般的安裝部置

圖2為尾門關(guān)閉狀態(tài)，點O固定在后備箱上的旋轉(zhuǎn)軸上，點A為氣彈簧在尾門上的支點，點B為氣彈簧在后備箱流水槽上的支點，支點B固定不動，氣彈簧點A繞點O旋轉(zhuǎn)。當(dāng)尾門關(guān)閉時，一般點A應(yīng)在OB連線的內(nèi)側(cè)，這樣點A就越過OB連線的死點，尾門不會自動打開。

圖1 氣彈簧的結(jié)構(gòu)示意

圖2 尾門氣彈簧關(guān)閉示意

2 汽車尾門電動撐桿的結(jié)構(gòu)和工作原理及安裝位置

2.1 某車型尾門電動撐桿的結(jié)構(gòu)圖

圖3中，球釘1安裝球頭座2上，螺套管組件5通過螺紋固定在球頭座2上，彈簧4安裝在大護套3內(nèi)被預(yù)壓縮在襯管8內(nèi)，絲桿組件6一端通過螺紋安裝在螺套管組件5內(nèi)，另一端安裝在軸承座9的軸承上通過花鍵連接到減速箱11的輸出端，小電機12通過減速箱11輸出動力，軸承座9及電機端接頭組件14在圓周上被壓鉚在襯管8內(nèi)并夾緊電機和減速箱，從而限制其在軸向和圓周方向上的運動。

圖3 尾門電動撐桿的結(jié)構(gòu)示意

2.2 汽車尾門電動撐桿一般工作原理

一般在尾門開啟狀態(tài)下，將電動撐桿電機端接頭球釘安裝在后備箱流水槽上，另一端球釘安裝在尾門上。當(dāng)尾門關(guān)閉時，按下車鑰匙遙控開關(guān)或尾門上開關(guān)，控制單元(ECU)得到信號同時開啟電機工作，這時電機通過減速機構(gòu)帶動絲桿軸旋轉(zhuǎn)，絲桿軸通過螺套管組件向筒內(nèi)作收縮直線運動并壓縮彈簧(儲存能量)帶動大護套及球頭運動，尾門受到球頭螺釘?shù)睦椭亓?，尾門關(guān)閉并被電吸鎖具鎖住。當(dāng)尾門開啟時，按下車鑰匙遙控開關(guān)，控制單元(ECU)得到信號將尾門電吸鎖打開，同時電動撐桿電機反方向旋轉(zhuǎn)，電機通過減速機構(gòu)帶動絲桿軸將螺套管組件和彈簧同時作伸展直線運動(釋放能量)并帶動大護套及球頭運動，尾門受到彈簧和電動絲桿的推力矩并克服尾門重力矩，這時尾門被打開。

某車型尾門電動撐桿開啟不同位置示意如圖4所示。

圖4 尾門電動撐桿開啟不同位置示意

3 某電動撐桿的基本參數(shù)及計算

電動撐桿總長520 mm，最大行程150 mm，尾門最大力矩時行程50 mm。電機電壓V=12 V，電機額定工作參數(shù)如下：n2=5 100 r/min；P2=46 W；T2=86 (mN·m)。絲桿為六頭梯形螺紋，外螺紋直徑9.8 mm，內(nèi)螺紋直徑8.2 mm，螺紋中徑D=9 mm，單頭螺距s=8 mm。減速箱傳動比i=22；機械傳動效率η∑≈0.5；輸出轉(zhuǎn)速n=5 100/22=231.8 r/min,尾門開啟速度v=s×n/60=8×231.8/60=30.9 mm/s；電動撐桿總行程150 mm，所需時間為t=150/30.9=4.85 s。絲桿軸輸出扭矩T=T2×i×η∑=86×22×0.5=0.95 N·m。下面計算絲桿軸向推力。

根據(jù)螺旋傳動公式有：

Q=F絲桿tan(ψ+ρ)

則有：F絲桿=Q/tan(ψ+ρ)

又：T=Q×D/2Q=2T/D

則有：F絲桿=2T/[D×tan(ψ+ρ)] tanρ=f/cosβ

式中：F絲桿為作用絲桿軸向力；Q為作用螺紋中徑D圓周上的切向力；D為螺紋中徑；ψ為螺紋升角；ρ為螺紋當(dāng)量摩擦角；f為螺紋摩擦因數(shù)，當(dāng)螺紋潤滑良好時，選取f=0.1；β為螺紋牙形半角，當(dāng)螺紋為梯形螺紋時，β=15°。

tanψ=s/πD

式中：s為螺距；D為螺紋中徑。由上式s=8 mm、D=9 mm，則：

ψ=arctan[s/(πD)]=arctan[8/(π9)]=arctan(0.283)=15.8°

由tanρ=f/cosβ=0.1/cos15°=0.103 5，則：

ρ= arctan(0.103 5)=5.91°

由于ψ>ρ，螺紋副不自鎖。也就是說當(dāng)電動撐桿不通電時，可以手動推動尾門。

tan(ψ+ρ)= tan(15.8°+5.91°)=tan(21.71°) ≈0.4

所以：F絲桿=2T/[D×tan(ψ+ρ)]=2×0.95/[9×10-3×0.4]≈528 N

4 彈簧的工作行程和參數(shù)及彈力計算

圖5中，設(shè)彈簧彈性系數(shù)K1=3, 當(dāng)電動撐桿最大行程150 mm時，即彈簧最大壓縮行程為350 mm時，也就是尾門關(guān)閉時彈簧所受的力，根據(jù)彈簧計算公式有：F1=350×3=1 050 N。當(dāng)電動撐桿行程50 mm時，彈簧壓縮行程為250 mm時，也就是尾門最大力矩時彈簧所受的力，即F2=250×3=750 N。當(dāng)尾門開啟最大時,也就是彈簧預(yù)壓縮安裝所受的力，即F3=200×3=600 N。

圖5 彈簧的行程和彈力關(guān)系示意

5 電動撐桿不同狀態(tài)下所受合力F合的計算

電動撐桿所受合力F合由兩部分組成，一部分為彈簧的彈力，另一部分為電動絲桿的推力，F(xiàn)合=F絲桿+F彈。

當(dāng)尾門關(guān)閉時，由上面計算可知：F彈=1 050 N，F(xiàn)絲桿=528 N。由于尾門關(guān)閉時，電動撐桿作收縮運動，電動絲桿要克服彈簧力將尾門關(guān)閉，F(xiàn)閉合=-528+1 050=522 N。

當(dāng)尾門剛開啟時，電機反轉(zhuǎn)，由：F彈=1 050 N、F絲桿=528 N，則F開門=1 050+528=1 578 N。

當(dāng)尾門開啟為最大力矩時，由：F彈=750 N、F絲桿=528 N，則F最大力矩=750+528=1 278 N。

當(dāng)尾門開啟為最大行程時，由：F彈=600 N、F絲桿=528 N，則F最大行程=600+528=1 128 N。

6 尾門在開啟不同狀態(tài)下受力分析計算及校核

6.1 尾門關(guān)閉和剛開啟狀態(tài)下受力分析計算及校核

圖6中：點O為尾門旋轉(zhuǎn)軸固定在后備箱上；點A為電動撐桿在后備箱流水槽上的支點固定不動；點B為電動撐桿在尾門上的支點，點B繞點O旋轉(zhuǎn)；點W為尾門重心，其重力約為300 N,考慮雪的覆蓋重力為50 N，故尾門總重力為350 N，它與點O的力臂長度為421.5 mm。設(shè)電動撐桿AB的閉合力為F，它與點O的力臂長度為51.5 mm?？紤]雙桿電動撐桿安裝形式，當(dāng)尾門關(guān)閉時，根據(jù)力矩平衡關(guān)系有：W×L2=2F×L1×K；考慮安全系數(shù)K，取K=1.1，則F=350×421.5/(2×51.5×1.1)=1 302 N。校核閉合力應(yīng)為：F閉合≤F，由F閉合=522 N可知：522 N≤1 302 N，故滿足尾門關(guān)閉要求。

圖6 尾門關(guān)閉狀態(tài)下受力

當(dāng)尾門剛開啟時，電機反轉(zhuǎn)，根據(jù)力矩平衡關(guān)系有：W×L2×K=2F×L1，則F=350×421.5×1.1/(2×51.5)=1 575.5 N。校核開啟力應(yīng)為：F最大開門≥F。由F最大開門=1 578 N可知1 578 N≥1 575.5 N，故滿足尾門開啟要求。

6.2 尾門開啟最大力矩狀態(tài)受力分析計算及校核

圖7中，當(dāng)尾門開啟時，此時電機反轉(zhuǎn)，當(dāng)尾門開啟到最大力矩狀態(tài)，點W為尾門重心，它與點O的力臂長度為480 mm,電動撐桿AB開啟力為F，它與點O旋轉(zhuǎn)軸的力臂長度為134 mm，尾門重力約為350 N。根據(jù)力矩平衡關(guān)系有：W×L2×K=2F×L1；考慮安全系數(shù)K，取K=1.1，則F=350×480×1.1/(2×134)=698.6 N。校核最大力矩時應(yīng)為：F最大力矩≥F，由F最大力矩=1 278 N可知：1 278 N≥698.6 N，故滿足尾門開啟要求。當(dāng)F最大力矩=F時，尾門處于動態(tài)平衡，又F=F彈+F絲桿，實際絲桿的推力F絲桿=F-F彈=698.6-750=-51.4 N，即此時彈簧力就可以把尾門推開。

圖7 尾門開啟最大力矩狀態(tài)受力

6.3 尾門在最大行程開啟狀態(tài)受力分析計算及校核

圖8中，當(dāng)尾門開啟到最大行程狀態(tài)時，點W為尾門重心，它與點O的力臂長度為168.4 mm,電動撐桿AB開啟力為F，其與點O旋轉(zhuǎn)軸的力臂長度為408.7 mm，尾門重力約為350 N。根據(jù)力矩平衡關(guān)系有：W×L2×K=2F×L1，考慮安全系數(shù)K，取K=1.1，則F=350×376.3×1.1/(2×160)=452.7 N。校核最大力矩時應(yīng)為：F最大行程≥F，由F最大行程=1 128 N可知：1 128 N≥452.7 N，故滿足尾門開啟要求。當(dāng)F最大行程=F時，尾門處于動態(tài)平衡，又F=F彈+F絲桿，實際絲桿的推力F絲桿=F-F彈=467.2-600=-147.3 N，即此時彈簧力足可以把尾門推開，當(dāng)電機不工作時尾門不會往下關(guān)門。

圖8 尾門在最大開啟狀態(tài)受力圖

7 總結(jié)

通過計算可知：當(dāng)尾門關(guān)閉時，電動撐桿作收縮運動，這時電動絲桿拉力克服彈簧力做功，從而儲存能量，則有F閉合≤F；當(dāng)尾門剛開啟時，電機反轉(zhuǎn)彈簧釋放能量，則有F最大開門≥F；當(dāng)尾門開啟到最大行程狀態(tài)時，此時電機不工作，則有F彈≥F最大開門。正確選擇彈簧和電機的功率主要與電動撐桿的安裝支點和尾門重心位置及尾門重力有關(guān)。