電動(dòng)尾門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

高志龍 匡小軍 李航 聶根輝

摘 要：本文基于某款車型的電動(dòng)尾門系統(tǒng)開發(fā)工作，介紹了電動(dòng)尾門基本的工作原理，對(duì)主要零件的布置要求做了說(shuō)明，通過(guò)理論分析與軟件輔助，對(duì)已設(shè)計(jì)過(guò)程中的布置進(jìn)行有效的校核，以期達(dá)到設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。

關(guān)鍵詞：原理;布置;性能;校核

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的逐漸成熟，汽車也不再是簡(jiǎn)單的運(yùn)輸工具，用戶對(duì)于汽車的需求早已不再是“一套沙發(fā)，四個(gè)車輪，能跑就行”。汽車的便利性、舒適性、人機(jī)交互甚至互聯(lián)網(wǎng)的屬性受到了前所未有的關(guān)注。電動(dòng)尾門這類便利性功能配置逐漸普及開來(lái)。隨著市場(chǎng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，成本逐漸降低，電動(dòng)尾門從以往的高端車型才有的配置到開始下探到中低端車型。由于SUV、MPV尾門整體尺寸較大，重量也較大，所以電動(dòng)尾門在這類車型上的應(yīng)用更加廣泛。

2 電動(dòng)尾門系統(tǒng)的構(gòu)成

電動(dòng)尾門系統(tǒng)（Power Lift Gate System，簡(jiǎn)稱PLG）主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、鎖構(gòu)成，另外可以選裝腳踢傳感器增加便利性，選裝防夾條增加二級(jí)防護(hù)功能。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)目前主要有三類[1]：

第一類為電撐桿式，即替代傳統(tǒng)的氣彈簧[2]，直接布置在尾部流水槽內(nèi)。第二類為鉸鏈驅(qū)動(dòng)式，即驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在頂蓋位置，使用鵝頸鉸鏈代替一般的內(nèi)旋式尾門鉸鏈，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鉸鏈開啟尾門，也可以配合氣彈簧應(yīng)用在重要較大的尾門上。第三類為擺臂連桿式，即驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在側(cè)圍上，通過(guò)連桿與與尾門連接，配合氣彈簧實(shí)現(xiàn)尾門的開閉運(yùn)動(dòng)。其中，電撐桿式由于布置簡(jiǎn)單，占用空間小，同時(shí)對(duì)乘員的頭空和乘員空間影響最小，得到了廣泛的應(yīng)用。電撐桿式又可以分為單側(cè)驅(qū)動(dòng)和雙側(cè)驅(qū)動(dòng)兩種。雙側(cè)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)受力平衡，容易控制尾門的間隙段差，同時(shí)對(duì)尾門的扭轉(zhuǎn)剛度影響小，是目前較好的方案，但是成本相對(duì)較高;單側(cè)驅(qū)動(dòng)為一種低成本補(bǔ)充方案：一側(cè)為驅(qū)動(dòng)撐桿，另一側(cè)為氣彈簧和機(jī)械彈簧為主構(gòu)成的被動(dòng)平衡桿。其兩側(cè)受力不均衡，難匹配，對(duì)尾門兩側(cè)的間隙段差控制難度大，見圖1。

3 電動(dòng)尾門的工作原理

電動(dòng)尾門控制模塊（Power Lift Gate Module，簡(jiǎn)稱PLGM）與其他模塊通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)通訊[2]，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2。PLGM需要接收檔位、車速、電源模式、車輛防盜狀態(tài)及開關(guān)控制等信號(hào)，并且需要發(fā)送電動(dòng)尾門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、開度位置設(shè)置、尾門鎖狀態(tài)等信號(hào)。一般ECU內(nèi)部集成CAN bootloader，可以通過(guò)OBD進(jìn)行安全訪問(wèn)可以進(jìn)行在線軟件刷新、故障診斷等。

電動(dòng)尾門系統(tǒng)框圖如圖3所示，PLGM模塊直接控制左右電撐桿（單側(cè)驅(qū)動(dòng)時(shí)只控制一側(cè)）、左右防夾條、尾門鎖以及蜂鳴器。其中蜂鳴器可以內(nèi)置在控制模塊中，也可以外接。

例如，PLGM接收CAN總線上ESC發(fā)送的相關(guān)信號(hào)如車速信號(hào)和TCM發(fā)送的擋位信號(hào)，來(lái)判斷基本的開門條件。當(dāng)總線上相關(guān)的開關(guān)信號(hào)觸發(fā)時(shí)，控制電撐桿電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)或者停止，鎖電機(jī)進(jìn)行吸合或釋放動(dòng)作。同時(shí)根據(jù)電撐桿的霍爾信號(hào)來(lái)判斷是否發(fā)生防夾，并完成相關(guān)的防夾策略。

在開門初段如果霍爾信號(hào)沒(méi)有變化，則判斷此時(shí)可能處于冰凍狀態(tài)，需要執(zhí)行破冰策略以保證尾門可以開啟。當(dāng)霍爾信號(hào)變化速度與標(biāo)定的變化速度相差較遠(yuǎn)，則判斷尾門現(xiàn)在是雪載狀態(tài)，即進(jìn)入雪載模式。此兩種策略盡可能的保證了在客戶端的正常使用，而不容易出現(xiàn)電動(dòng)尾門失效不能正常舉升問(wèn)題。

4 電撐桿的布置

4.1 電撐桿的結(jié)構(gòu)

電撐桿基本結(jié)構(gòu)如圖4，主要由霍爾板、電機(jī)、齒輪箱、絲桿、絲桿套管、機(jī)械彈簧、外套管、彈簧套管以及兩端的球窩等構(gòu)成。

霍爾板中一般設(shè)計(jì)有兩個(gè)霍爾傳感器，用于判斷撐桿的運(yùn)動(dòng)速度以及位置，用以記憶用戶設(shè)置的高度，還可以將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為開度信號(hào)，實(shí)時(shí)反饋到總線上，多媒體利用此信號(hào)進(jìn)行動(dòng)畫展示。另外還可以根據(jù)霍爾信號(hào)的變化速率來(lái)判斷尾門在開關(guān)門過(guò)程中是否遇到障礙物發(fā)生防夾。

電機(jī)通過(guò)齒輪箱減速增扭將力矩傳遞到絲桿。絲桿與注塑有螺母的絲桿套管配合，將電機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)配合機(jī)械彈簧推動(dòng)尾門的開閉。

電撐桿的一端通過(guò)球窩與球頭構(gòu)成球面副裝配在車身支架上，另一側(cè)亦是通過(guò)球窩與球頭匹配裝配在尾門上。

4.2 電撐桿力學(xué)性能的校核

由于車身造型原因，一般情況下尾部左右流水槽呈“八”字形，為便于力矩平衡分析，將撐桿投影到X-Z平面內(nèi)。如圖5，O點(diǎn)為尾門鉸鏈中心點(diǎn)，A點(diǎn)為電撐桿在車身側(cè)的安裝點(diǎn)，B點(diǎn)為電撐桿在尾門側(cè)的安裝點(diǎn)，C點(diǎn)為尾門的重心。B、C分別為B、C點(diǎn)尾門運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。故在平坡、上坡、下坡情況下分別有公式1～5。

由上分析，在一定的坡度θ下，電撐桿的輸出力Fspindle是單一變量β的函數(shù)。故設(shè)計(jì)前期如果尾門最大開啟角度，即β的變化范圍已確定，且重量重心位置無(wú)法改變時(shí)，只能通過(guò)調(diào)整電撐桿的安裝點(diǎn)來(lái)改變撐桿的力臂對(duì)電撐桿進(jìn)行力學(xué)性能匹配。

4.3 電撐桿周邊間隙的校核

電撐桿布置完成后需要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證最小間隙大于8mm。利用UG中的運(yùn)動(dòng)仿真功能建立仿真模型：

4.3.1 建立連桿

①將鉸鏈銷軸和車身側(cè)支架建立為固定連桿L001;②將尾門鈑金、尾門側(cè)支架或球頭建立為L(zhǎng)002連桿;③將撐桿外套筒和車身側(cè)球窩建立為L(zhǎng)003連桿;④將彈簧外套筒和尾門側(cè)球窩建立為L(zhǎng)004連桿。其余不參與運(yùn)動(dòng)的在模型中作參照。

4.3.2 建立運(yùn)動(dòng)副

L001與L002之間設(shè)置萬(wàn)向節(jié)運(yùn)動(dòng)副，L002與L003之間設(shè)置柱面運(yùn)動(dòng)副;L003與L004之間設(shè)置萬(wàn)向節(jié)運(yùn)動(dòng)副，L002與L001之間設(shè)置為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副，并設(shè)置驅(qū)動(dòng)速度為“恒定-速度”。

4.3.3 建立測(cè)量

可以分別建立多組測(cè)量，每組測(cè)量選取兩個(gè)需要實(shí)時(shí)測(cè)量間隙，設(shè)置需停止運(yùn)動(dòng)的閾值并激活。

最后建立解算方案，并求解即可，見圖6。

5 防夾條的布置

5.1 防夾條的工作原理

智能防夾除PLGM利用霍爾信號(hào)進(jìn)行防夾外，還可以通過(guò)在Δt時(shí)間內(nèi)的電流變化ΔI來(lái)進(jìn)行判斷。通過(guò)設(shè)定一定的閾值，當(dāng)ΔI超過(guò)此值后啟動(dòng)防夾策略。

上述防夾的標(biāo)定一般是參考的尾門下邊緣的防夾力，此處的防夾力一般在70N左右對(duì)人體的傷害較小。當(dāng)尾門電動(dòng)關(guān)閉時(shí)，通過(guò)杠桿作用，距離尾門鉸鏈軸線越近，此處障礙物承受的壓力越大，霍爾防夾在此處也越不靈敏;電流防夾也不可以將防夾力標(biāo)定過(guò)小，原因如下：

故僅僅依靠電流或者霍爾來(lái)實(shí)現(xiàn)防夾很可能導(dǎo)致靠近鉸鏈軸線的位置防夾失效，有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。故很多車型都配置有防夾條一般布置在尾門左右邊緣，用于二級(jí)安全防護(hù)。

如圖7（a），防夾條的截面有很多種，但基本的機(jī)構(gòu)和原理都一樣。防夾條內(nèi)部有兩根導(dǎo)線，導(dǎo)線被導(dǎo)電橡膠包裹，末端連接有電阻值較大的電阻，未觸發(fā)情況下隔離開一定距離。如圖7（b），是一種典型的截面，為提升防夾性能，一般工作角度范圍最小為90°。當(dāng)尾門關(guān)閉過(guò)程中，防夾條處遇到障礙物時(shí)，如手指等，防夾條受到擠壓，包裹在橡膠中的導(dǎo)線通過(guò)導(dǎo)電橡膠接觸，防夾條回路中的電阻由初始較大的末端電阻R迅速減小到較小的電阻，電流也因此急劇變化，PLGM通過(guò)對(duì)電流的變化來(lái)判斷防夾條發(fā)生防夾，立即控制撐桿電機(jī)反轉(zhuǎn)或者立即停止。一般防夾條需要通過(guò)3M膠在安裝板上，再安裝在尾門上，也可以直接卡在尾門鈑金上，主要參照尾門的安裝環(huán)境和條件。

5.2 防夾條布置校核

如圖8為尾門防夾條與實(shí)車環(huán)境匹配的一處截面，紅色實(shí)線為手指模型，虛線為手指模型公差，指模型放置在尾門左右分縫處，將防夾條按照尾門關(guān)閉方向移動(dòng)至剛好觸碰到手指的位置。L1為防夾條的夾手行程（即，尾門邊緣，一般為尾門鈑金、尾門玻璃或者是尾門副翼到手指模型的正公差狀態(tài)的距離，L2為防夾條的觸發(fā)行程（在尾門全關(guān)位置與剛好觸碰到手指時(shí)的距離），如果符合L1

6 控制模塊的布置

控制模塊通常布置在艙內(nèi)，水環(huán)境相對(duì)較好，故一般情況不做特別的防水處理。但是布置模塊需要保證接插件向下10°以內(nèi)，以保證艙內(nèi)空調(diào)冷凝水可以順利排出不積在模塊內(nèi)部，如圖9。

控制模塊的布置也需要考慮到線路中的壓降，因此不宜距離尾門撐桿電機(jī)過(guò)遠(yuǎn)。通常情況下控制模塊布置在后側(cè)圍上或者尾門上，具體需要結(jié)合線徑計(jì)算回路內(nèi)阻，保證不影響撐桿正常的工作。

7 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了某款車型的PLG基本工作原理，對(duì)電撐桿的力學(xué)性能進(jìn)行了理論分析，并利用UG軟件對(duì)其周邊環(huán)境進(jìn)行間隙校核;對(duì)防夾條進(jìn)行的布置和校核也明確的提供了相應(yīng)的方法，保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性，同時(shí)為后續(xù)項(xiàng)目提供了經(jīng)驗(yàn)。

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