某型汽車電動(dòng)尾門關(guān)閉力的設(shè)計(jì)研究

侯林 史承婕 李耀光 王鵬

（一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發(fā)院，長春130012）

主題詞：電動(dòng)尾門 關(guān)閉力 壓縮載荷 防夾原理

0 前言

隨著高配置SUV 車型成為汽車市場中極具競爭力的車型，電動(dòng)尾門的應(yīng)用日益普及，因此開發(fā)人員也將面臨新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，其中，電動(dòng)尾門關(guān)閉力問題的挑戰(zhàn)最為突出。本文重點(diǎn)介紹了一種尾門靜關(guān)閉力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，可以間接保證電動(dòng)尾門關(guān)閉力的設(shè)計(jì)合理性。

1 電動(dòng)尾門系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

1.1 電動(dòng)尾門系統(tǒng)的構(gòu)成

電動(dòng)尾門系統(tǒng)主要由控制器（ECU）、電撐桿、吸合鎖、蜂鳴器（可集成在控制器）、防夾條（選裝）、腳踢傳感器（選裝）、開關(guān)構(gòu)成（圖1）。

圖1 某車型電動(dòng)尾門系統(tǒng)構(gòu)成示意

1.2 電動(dòng)尾門系統(tǒng)的工作原理

電動(dòng)尾門系統(tǒng)是用戶通過控制信號（開關(guān)、遙控等），實(shí)現(xiàn)尾門自動(dòng)開關(guān)的系統(tǒng)。基于某車型的電動(dòng)尾門系統(tǒng)基本控制原理（圖2）。

圖2 某車型尾門系統(tǒng)控制原理

電動(dòng)尾門系統(tǒng)具有防夾、高度記憶、手動(dòng)開閉功能。防夾功能是指尾門在電動(dòng)關(guān)閉過程中，能夠自動(dòng)感應(yīng)到障礙物存在，從而自動(dòng)停止并反轉(zhuǎn)的功能。

防夾力即控制策略設(shè)定的電動(dòng)關(guān)閉尾門時(shí)關(guān)閉力的限值，在電動(dòng)尾門關(guān)閉過程中，當(dāng)感應(yīng)到超過這一限值時(shí)，即判定為遇到障礙物。下面具體介紹防夾原理。

1.2.1 電動(dòng)尾門系統(tǒng)的防夾原理

電動(dòng)尾門的防夾功能一般通過3 種方式來實(shí)現(xiàn)：一是霍爾防夾，二是電流防夾，三是防夾條防夾。下面進(jìn)行簡要說明。

霍爾防夾原理：電撐桿電機(jī)中的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器可以感受到電機(jī)運(yùn)行過程中的磁場變化，并將其相應(yīng)轉(zhuǎn)化為脈沖信號，發(fā)送給控制器。當(dāng)尾門在運(yùn)動(dòng)中遇到障礙物時(shí)，障礙物會使尾門的運(yùn)動(dòng)速度下降，相應(yīng)地，電撐桿電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會下降。此時(shí)霍爾傳感器發(fā)送給控制器的脈沖信號的脈寬增大，通過算法對比前后2段固定時(shí)間內(nèi)的脈寬，可以近似計(jì)算出尾門在此位置的速度變化值ΔV。設(shè)定一個(gè)閾值K，當(dāng)ΔV≥K時(shí)，控制器判定尾門遇到障礙物，進(jìn)入防夾程序，實(shí)現(xiàn)防夾反轉(zhuǎn)的功能（圖3）。

圖3 霍爾防夾原理

電流防夾原理：控制器以指定的微小時(shí)間間隔采樣撐桿電機(jī)的電流情況，當(dāng)尾門遇到障礙物時(shí)，撐桿電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢或堵轉(zhuǎn)，電流上升，如果上升到大于設(shè)定的防夾電流閾值時(shí)，控制器判定尾門運(yùn)動(dòng)遇到障礙物，執(zhí)行防夾程序。

防夾條防夾原理：當(dāng)尾門遇到障礙物時(shí)，防夾條觸發(fā)，控制器感知到防夾信號，判定尾門運(yùn)動(dòng)遇到障礙物，執(zhí)行防夾程序。

1.2.2 電動(dòng)尾門關(guān)閉過程分析及防夾區(qū)域設(shè)定

電動(dòng)尾門的完整關(guān)閉過程如圖4 所示，尾門從全開位置點(diǎn)運(yùn)行到全鎖位置點(diǎn)，完成全鎖。在整個(gè)行程中，尾門全開位置點(diǎn)到半鎖位置點(diǎn)是A 區(qū)域，需要設(shè)置防夾功能，避免夾傷人員；變力位置點(diǎn)指尾門關(guān)閉過程中開始遇到車身側(cè)反力的位置。變力位置點(diǎn)到半鎖位置點(diǎn)是B區(qū)域，由于此區(qū)域尾門關(guān)閉會面對阻力增加的變化，所以在此區(qū)域設(shè)定單獨(dú)的防夾力大小要求。半鎖位置點(diǎn)到全鎖位置點(diǎn)是C區(qū)域，需要完成尾門的吸合動(dòng)作，達(dá)到全鎖。

圖4 電動(dòng)尾門關(guān)閉過程及防夾區(qū)域中的關(guān)鍵點(diǎn)

1.2.3 誤防夾的產(chǎn)生

誤防夾是指尾門在電動(dòng)關(guān)閉過程中，由于遇到過大的阻力而誤判為夾到障礙物，從而產(chǎn)生防夾的動(dòng)作。誤防夾是在尾門關(guān)閉力設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)規(guī)避的問題。

2 電動(dòng)尾門關(guān)閉力的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由電動(dòng)尾門的工作原理分析可知，為了保證電動(dòng)尾門關(guān)閉力符合要求，能夠順利關(guān)閉，需要保證電動(dòng)尾門在關(guān)閉過程中的動(dòng)力足以克服阻力，順利完成全鎖，且不發(fā)生誤防夾問題。具體可以拆解為2方面內(nèi)容：

（1）控制器參數(shù)設(shè)置合理。這主要是為了保證尾門關(guān)閉過程中具備必要的關(guān)門動(dòng)力和盡量小的防夾力，同時(shí)避免產(chǎn)生誤防夾問題。

（2）尾門關(guān)閉反力設(shè)計(jì)合理。由于尾門關(guān)閉過程中，圖4中的B區(qū)和C區(qū)阻力變化較大，所以在開發(fā)過程中要針對性設(shè)計(jì)這2個(gè)區(qū)域的反力范圍，保證尾門電動(dòng)關(guān)閉的有效性。

下面針對上述2點(diǎn)進(jìn)行具體說明。

2.1 控制器參數(shù)的設(shè)置

控制器的軟件在標(biāo)定過程中，需要合理設(shè)置圖4中防夾區(qū)域A中各階段的防夾力控制參數(shù)。參考第1章的防夾原理部分，防夾參數(shù)可以分為以下4組（無防夾條配置的情況），4 組中任意一組觸發(fā)，判定尾門發(fā)生防夾（表1）。

表1 控制器防夾參數(shù)示例

通過設(shè)置上述的4 組參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對尾門關(guān)閉中尾門動(dòng)力、速度、防夾力的大小控制。

2.2 尾門關(guān)閉反力的設(shè)計(jì)

由于尾門電動(dòng)關(guān)閉過程中的動(dòng)態(tài)反力過于復(fù)雜，可以通過合理設(shè)計(jì)尾門的半鎖和全鎖靜關(guān)閉力來控制尾門關(guān)閉反力的大小。尾門在電動(dòng)關(guān)閉的過程中，最容易產(chǎn)生關(guān)閉力問題的區(qū)間是圖4 中的B 區(qū)和C區(qū)。B 區(qū)主要是由于尾門在關(guān)閉到變力位置點(diǎn)時(shí)，開始接觸到尾門密封條等車身側(cè)反力零件，受力存在突變，當(dāng)越靠近半鎖點(diǎn)時(shí)，受力越大，所以越容易發(fā)生電動(dòng)尾門的誤防夾問題。C區(qū)主要是由于尾門從半鎖到全鎖的運(yùn)動(dòng)過程中，尾門鎖受到的反力大于尾門鎖吸合電機(jī)的吸合力，導(dǎo)致無法完成吸合動(dòng)作。B 區(qū)的尾門半鎖點(diǎn)反力，可以通過半鎖靜關(guān)閉力來分析，C區(qū)的尾門全鎖點(diǎn)反力，可以通過全鎖靜關(guān)閉力來分析。

3 電動(dòng)尾門靜關(guān)閉力的分析計(jì)算

3.1 電動(dòng)尾門半鎖靜關(guān)閉力的計(jì)算原理

下面對半鎖點(diǎn)位置的尾門進(jìn)行受力分析。應(yīng)用DMU 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)模擬尾門在半鎖點(diǎn)位置的接觸受力情況，判定文中車型的尾門在關(guān)閉到半鎖點(diǎn)前，限位塊尚未發(fā)生接觸，所以受力分析不考慮限位塊；尾門在靜關(guān)閉過程中，關(guān)閉速度十分緩慢，有足夠的時(shí)間進(jìn)行排氣減壓，所以，對空氣阻力的影響也進(jìn)行了簡化忽略。另外由于尾門鉸鏈的轉(zhuǎn)矩很小，也同時(shí)進(jìn)行了簡化忽略。綜上，電動(dòng)尾門的半鎖靜關(guān)閉受力分析如圖5所示。

圖5 某車型尾門半鎖狀態(tài)受力分析示意

根據(jù)力矩平衡方程得：

式（1）轉(zhuǎn)化為：

式中Fst為電動(dòng)尾門半鎖靜關(guān)閉力；

G為尾門的重力；

Lg為尾門重力相對鉸鏈軸的力臂；

Fsp為電撐桿彈簧力；

f為電撐桿的系統(tǒng)阻力；

Ls為電撐桿相對鉸鏈軸的力臂；

Fse為尾門密封條的反力；

Le為尾門密封條相對鉸鏈軸的力臂；

Fla為尾門鎖的半鎖反力；

La為尾門鎖相對鉸鏈軸的力臂；

[2(Fsp+f)Ls-GLg]/La：為尾門在半鎖點(diǎn)的手動(dòng)關(guān)閉力（半鎖點(diǎn)位置施加關(guān)閉力）。

[FseLe]/La：為轉(zhuǎn)化到半鎖點(diǎn)的密封條反力，由于密封條每處的壓縮量與力臂均不相同，其計(jì)算方法為：將密封條分為n段，每段的受力大小為Fi，每段到半鎖點(diǎn)的力臂為Li，F(xiàn)i可以通過密封條的壓縮載荷曲線（CLD）讀出，綜合上述已知，可以得到下面的密封條反力在半鎖點(diǎn)位置的反力求解公式。

密封條在尾門全鎖位置時(shí)為正壓狀態(tài)，尾門在半鎖點(diǎn)位置時(shí)，相對全鎖位置一般會產(chǎn)生0.5°左右的轉(zhuǎn)角，但由于轉(zhuǎn)角角度過小，所以計(jì)算中忽略了密封條對尾門偏轉(zhuǎn)分力的影響。在實(shí)際工作應(yīng)用中可以利用密封條的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行分段簡化計(jì)算來求得近似解。

[FlaLa]/La：為尾門鎖的半鎖力，實(shí)際應(yīng)用中可以利用試驗(yàn)測量得出。

3.2 電動(dòng)尾門全鎖靜關(guān)閉力的計(jì)算原理

C區(qū)受力最復(fù)雜、全鎖點(diǎn)受力最大，所以對全鎖點(diǎn)位置的尾門進(jìn)行受力分析。電動(dòng)尾門全鎖靜關(guān)閉力的計(jì)算方法與半鎖靜關(guān)閉力的計(jì)算方法基本一致，主要差異是全鎖位置的密封條反力均勻一致，計(jì)算更為容易，另外由于限位塊在全鎖位置點(diǎn)已經(jīng)接觸，所以需要加入各限位塊的反力。這里不再累述。

3.3 電動(dòng)尾門靜關(guān)閉力的編程計(jì)算

在實(shí)踐中，需要保證電動(dòng)尾門在極限工況下的關(guān)閉能力。這里引入極限關(guān)閉力的定義，是指在尾門半鎖和全鎖靜關(guān)閉力的計(jì)算中考慮生產(chǎn)制造公差，將密封條的壓縮量按工藝控制的最大值進(jìn)行計(jì)算（半鎖位置的限位塊不接觸，限位塊無需調(diào)整；全鎖位置，需要將限位塊調(diào)整到極限壓縮狀態(tài)）。這樣可以保證當(dāng)生產(chǎn)上出現(xiàn)公差波動(dòng)時(shí)，仍能夠保證電動(dòng)尾門的正常關(guān)閉鎖止。

根據(jù)3.1 節(jié)中的公式(2)和（3）分析，利用EXCEL軟件編程，輸出某車型的尾門極限半鎖靜關(guān)閉力，如表2所示。

表2 某車型尾門極限半鎖靜關(guān)閉力

根據(jù)3.2 中的分析，利用EXCEL 軟件編程，輸出某車型的尾門極限全鎖靜關(guān)閉力，如表3所示。

表3 某車型尾門極限全鎖靜關(guān)閉力

3.4 電動(dòng)尾門靜關(guān)閉力的判定條件

根據(jù)實(shí)踐總結(jié)，合理電動(dòng)尾門關(guān)閉力的判定條件如下：半鎖位置的尾門極限半鎖靜關(guān)閉力＜防夾力；全鎖位置的尾門極限全鎖靜關(guān)閉力＜電動(dòng)鎖吸合力，其中防夾力的大小可以由控制器的參數(shù)設(shè)置確定，并進(jìn)行試驗(yàn)測量檢驗(yàn)，具體的測量方法見第4章。電動(dòng)鎖吸合力的大小則是由電動(dòng)吸合鎖的鎖體廠家試驗(yàn)確定，并提供給主機(jī)廠。

4 電動(dòng)尾門關(guān)閉力的測量

電動(dòng)尾門的關(guān)閉力可以分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測量，動(dòng)態(tài)下測量就是防夾力的測量，靜態(tài)下測量就是靜關(guān)閉力的測量。

（1）防夾力：測量尾門電動(dòng)關(guān)閉時(shí)，設(shè)定的尾門防夾力的大小。它反映的是電動(dòng)尾門在電動(dòng)關(guān)閉過程中的關(guān)閉力大小。

（2）靜關(guān)閉力：測量手動(dòng)關(guān)閉尾門至半鎖或全鎖位置時(shí)，尾門關(guān)閉力的大小。它反映的是在靜態(tài)條件下，手動(dòng)關(guān)閉尾門至半鎖及全鎖時(shí)所需關(guān)閉力的大小。

下面對2者的試驗(yàn)方法進(jìn)行分別說明。

4.1 防夾力的測量

如圖6所示，車門窗全部關(guān)閉，應(yīng)用標(biāo)定防夾力工具（剛度一般為10 N/mm）測量。電動(dòng)關(guān)閉尾門，尾門碰撞到標(biāo)定測力設(shè)備時(shí)防夾反轉(zhuǎn)，設(shè)備讀取關(guān)閉力值（也是此處的防夾力值）。需要注意的是，標(biāo)定工具在測量關(guān)閉力時(shí)，測量的位置需要盡量靠近半鎖位置，但要保證在圖4 中變力位置左側(cè)的A 區(qū)域內(nèi)(避免車身側(cè)的反力影響)，且相關(guān)控制器防夾控制參數(shù)需要與半鎖點(diǎn)位置保持一致。

圖6 防夾力的測量

4.2 靜關(guān)閉力的測量

如圖7所示，手動(dòng)關(guān)閉尾門，應(yīng)用測力計(jì)通過墊片頂住尾門外部，位置盡量對準(zhǔn)尾門鎖所在的位置，緩緩?fù)苿?dòng)測力計(jì)，讓測力計(jì)推動(dòng)尾門至半鎖吸合位置，記錄下最大讀數(shù)[2]。這時(shí)的讀數(shù)為尾門的半鎖靜關(guān)閉力。屏蔽尾門鎖的吸合功能，重復(fù)上面的測試動(dòng)作，讓測力計(jì)推動(dòng)尾門至全鎖位置，記錄下最大讀數(shù)。這時(shí)的讀數(shù)為尾門的全鎖靜關(guān)閉力。當(dāng)需要測量極限靜關(guān)閉力時(shí)，只需要提前根據(jù)具體車型的實(shí)際情況，調(diào)整該車型尾門處于極限工藝狀態(tài)再進(jìn)行測量即可。

圖7 尾門靜關(guān)閉力的測量

5 實(shí)車測量結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)3.3 節(jié)中對極限工況車的定義，通過在尾門密封面上粘貼不同厚度的橡膠貼片，調(diào)整限位塊狀態(tài)，得到極限工況的試驗(yàn)車輛。進(jìn)行試驗(yàn)測量的結(jié)果如下表4所示。

表4 某車型尾門極限靜關(guān)閉力及防夾力測量結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看到，實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的偏差在10%以內(nèi)，且關(guān)閉狀態(tài)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致。

在實(shí)車的測量驗(yàn)證過程中，也存在一些不足，比如試驗(yàn)樣本有限、極限工況車輛密封面的轉(zhuǎn)角位置無法粘貼橡膠貼片、通過橡膠貼片來調(diào)整密封面內(nèi)間隙時(shí)存在0.5 mm左右的偏差等。綜合以上，極限工況車輛的整備測量過程比較繁瑣，受車況的影響因素很多，后續(xù)的研究可以在簡化分析工況上做更多工作。

6 總結(jié)

電動(dòng)尾門關(guān)閉力的設(shè)計(jì)是電動(dòng)尾門系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。本文介紹了電動(dòng)尾門的工作原理，通過系統(tǒng)的分析建立了電動(dòng)尾門靜關(guān)閉力的簡化模型，并應(yīng)用EXCEL 軟件編程，實(shí)現(xiàn)了對尾門靜關(guān)閉力的計(jì)算，同時(shí)給出了合理靜關(guān)閉力的判定條件，并說明了電動(dòng)尾門關(guān)閉力的測量方法，進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，可為后續(xù)車型的電動(dòng)尾門關(guān)閉力設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。