汽車(chē)電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)力學(xué)分析與研究*

蔡言龍 薛斌 劉利寶

（1.煙臺(tái)霍富汽車(chē)鎖有限公司；2.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司）

隨著汽車(chē)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，汽車(chē)的舒適性和智能性成為各個(gè)主機(jī)廠(chǎng)的重點(diǎn)研究方向。傳統(tǒng)的汽車(chē)尾門(mén)系統(tǒng)需要人工操作，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉合，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，越來(lái)越不受客戶(hù)青睞；而新型電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、智能化程度高，不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉合，而且配合傳感器可以實(shí)現(xiàn)“防夾”、“防撞”、“腳踢操控”等功能，備受客戶(hù)追捧。目前，相關(guān)學(xué)者和研究人員對(duì)電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)的控制方案和原理、電動(dòng)撐桿的受力和安裝點(diǎn)等內(nèi)容進(jìn)行了分析和研究[1-4]，但是對(duì)整個(gè)尾門(mén)系統(tǒng)的力學(xué)分析和研究較少。文章針對(duì)某SUV車(chē)型電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)，建立整個(gè)系統(tǒng)的力學(xué)模型，并基于MATLAB進(jìn)行仿真計(jì)算，在尾門(mén)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，對(duì)電動(dòng)撐桿進(jìn)行了力學(xué)分析。這一分析對(duì)整個(gè)電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置、驅(qū)動(dòng)方案優(yōu)化具有重要意義，對(duì)后續(xù)車(chē)型尾門(mén)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供有效參考。

1 電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

汽車(chē)電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)主要由控制單元（ECU）、電動(dòng)撐桿（驅(qū)動(dòng)單元）、閉鎖器、鎖扣、傳感器和電子線(xiàn)束等構(gòu)成。圖1所示為某SUV車(chē)型電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)示意圖

電動(dòng)撐桿（驅(qū)動(dòng)單元）是整個(gè)尾門(mén)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件，其作用是連接車(chē)身和尾門(mén)，是整個(gè)電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖2所示為電動(dòng)撐桿結(jié)構(gòu)示意圖，主要由兩端球頭、彈簧、彈簧套管、絲桿、絲桿螺母、絲桿套管、軸承、適配器、減振器、制動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器、連接塊、減速器（行星齒輪）、電機(jī)、外套管和線(xiàn)束等組成。當(dāng)撐桿接到ECU指令時(shí)，電機(jī)會(huì)通過(guò)減速器、連接塊等結(jié)構(gòu)帶動(dòng)絲桿螺母運(yùn)動(dòng)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲桿螺母的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，控制撐桿的伸縮，在彈簧的共同作用下，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)尾門(mén)的開(kāi)啟與閉合。

圖2 電動(dòng)撐桿結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)力學(xué)模型建立

以SUV汽車(chē)電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)為例進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，建立單撐桿汽車(chē)尾門(mén)系統(tǒng)力學(xué)模型，如圖3所示。在模型建立時(shí)對(duì)系統(tǒng)相關(guān)條件和參數(shù)做以下假設(shè)：

圖3 單撐桿汽車(chē)尾門(mén)系統(tǒng)力學(xué)模型圖

1）假設(shè)尾門(mén)鉸鏈處和撐桿球頭兩端沒(méi)有摩擦；

2）忽略電動(dòng)撐桿自身重力因素；

3）假設(shè)汽車(chē)尾門(mén)系統(tǒng)沿整車(chē)坐標(biāo)系XZ面左右對(duì)稱(chēng)；

4）假設(shè)尾門(mén)系統(tǒng)在開(kāi)啟、閉合過(guò)程中，尾門(mén)和撐桿平穩(wěn)運(yùn)行，無(wú)振動(dòng)，無(wú)其他干擾因素。

基于上述假設(shè)，以尾門(mén)和車(chē)身鉸鏈點(diǎn)為原點(diǎn)（O點(diǎn)），按整車(chē)坐標(biāo)系方向建立模型坐標(biāo)：X方向與水平面平行，指向尾門(mén)后方；Z方向與水平面垂直，指向上方。將電動(dòng)撐桿沿模型坐標(biāo)系XZ面進(jìn)行投影，F(xiàn)'s為電動(dòng)撐桿在力學(xué)模型中的輸出分力。A點(diǎn)為撐桿球頭與尾門(mén)鉸接點(diǎn)，B點(diǎn)為撐桿球頭與車(chē)身鉸接點(diǎn)，W點(diǎn)為汽車(chē)尾門(mén)半側(cè)重心點(diǎn)。G為汽車(chē)尾門(mén)半側(cè)重心所產(chǎn)生的重力，θ為點(diǎn)A和坐標(biāo)原點(diǎn)O連線(xiàn)與X軸夾角，α為點(diǎn)A和坐標(biāo)原點(diǎn)O連線(xiàn)與點(diǎn)W和坐標(biāo)原點(diǎn)O連線(xiàn)夾角。Mg為重力G對(duì)鉸鏈點(diǎn)O產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；Ms為撐桿輸出分力F's對(duì)鉸鏈點(diǎn)O產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

考慮車(chē)輛停車(chē)時(shí)還有上坡、下坡等工況，定義車(chē)輛停駛路面的坡度角參數(shù)，在力學(xué)模型中將其等效轉(zhuǎn)化為重力方向G與豎直平面的夾角β。另外，根據(jù)實(shí)車(chē)電動(dòng)撐桿空間安裝條件，電動(dòng)撐桿會(huì)以鉸接點(diǎn)B為中心，向XZ平面內(nèi)傾斜，定義為撐桿內(nèi)傾角γ，如圖4所示，Z方向與水平面垂直，指向上方；Y方向與X和Z方向垂直，指向駕駛員側(cè)；Fs為電動(dòng)撐桿的輸出力。

圖4 電動(dòng)撐桿安裝內(nèi)傾角視圖

根據(jù)力矩平衡原理可知,尾門(mén)和車(chē)身鉸鏈點(diǎn)O的合力矩為0，即：

尾門(mén)重力G對(duì)原點(diǎn)O產(chǎn)生的扭矩：

式中：Lg——重力G對(duì)原點(diǎn)O產(chǎn)生的力臂。

式中：Lw——尾門(mén)重力點(diǎn)W到原點(diǎn)O的距離。

撐桿輸出分力F's對(duì)原點(diǎn)O產(chǎn)生的扭矩Ms：

式中：Ls——撐桿與尾門(mén)鉸接點(diǎn)A對(duì)原點(diǎn)O產(chǎn)生的力臂。

式中：LA——撐桿與尾門(mén)鉸接點(diǎn)A到原點(diǎn)O的距離；

Bx，Bz——撐桿與車(chē)身鉸接點(diǎn)B在模型下的坐標(biāo)值。

由力學(xué)分析可知，電動(dòng)撐桿輸出分力F's：

式中：γ——電動(dòng)撐桿安裝內(nèi)傾角。

公式（1）～（6）組成的數(shù)學(xué)方程組即為單撐桿汽車(chē)尾門(mén)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，由此可以推導(dǎo)出電動(dòng)撐桿輸出力Fs的表達(dá)式，如下：

當(dāng)尾門(mén)繞鉸鏈點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即角θ發(fā)生變化時(shí)，便可求出電動(dòng)撐桿的輸出力Fs的值。由公式（7）可知，影響撐桿輸出力的參數(shù)有尾門(mén)重力、尾門(mén)質(zhì)心點(diǎn)、撐桿車(chē)身安裝點(diǎn)、撐桿安裝內(nèi)傾角、停駛路面坡度角等；且撐桿輸出力與尾門(mén)重力、尾門(mén)質(zhì)心與鉸鏈點(diǎn)的距離、撐桿安裝內(nèi)傾角成正比，與撐桿車(chē)身安裝點(diǎn)與鉸鏈點(diǎn)的距離成反比；在安裝條件固定的情況下，電動(dòng)撐桿的輸出力Fs是單一變量角θ的函數(shù)。

3 基于MATLAB仿真計(jì)算

為了方便研究電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)在開(kāi)啟和閉合過(guò)程中，電動(dòng)撐桿的輸出力曲線(xiàn)，運(yùn)用MATLAB仿真軟件，建立單撐桿汽車(chē)尾門(mén)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)某SUV車(chē)型實(shí)車(chē)狀態(tài)，設(shè)定尾門(mén)系統(tǒng)特性參數(shù)，如表1所示。

表1 某SUV車(chē)型電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)特性參數(shù)

基于MATLAB仿真模型和設(shè)定參數(shù)，分別求解車(chē)輛在平坡（0°）、上坡（20°）、下坡（-20°）3種停車(chē)工況下，撐桿輸出力Fs與尾門(mén)轉(zhuǎn)角θ在開(kāi)啟和閉合過(guò)程中的曲線(xiàn)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 3個(gè)工況撐桿輸出力曲線(xiàn)圖

通過(guò)對(duì)撐桿輸出力與尾門(mén)轉(zhuǎn)角的曲線(xiàn)關(guān)系圖，可以得出如下結(jié)果：1）尾門(mén)在開(kāi)啟和閉合過(guò)程中，上坡、下坡和平坡3種工況，撐桿輸出力與尾門(mén)轉(zhuǎn)角均呈非線(xiàn)性關(guān)系，且開(kāi)啟和閉合曲線(xiàn)變化趨勢(shì)都很相近。2）尾門(mén)開(kāi)啟過(guò)程：上坡和下坡工況的撐桿的最大輸出力，要大于平坡工況。其中，上坡工況，轉(zhuǎn)角為0°時(shí)撐桿輸出力最大，值為50 N；下坡工況，轉(zhuǎn)角為80°時(shí)撐桿輸出力最大，值為43 N；平坡工況，轉(zhuǎn)角為70°時(shí)撐桿輸出力最大，值為35 N。3）尾門(mén)關(guān)閉過(guò)程：上坡、下坡和平坡3種工況的撐桿最大輸出力基本相近。其中，上坡工況，轉(zhuǎn)角為80°時(shí)撐桿輸出力最大，值為41 N；下坡工況，轉(zhuǎn)角為30°時(shí)撐桿輸出力最大，值為43 N；平坡工況，轉(zhuǎn)角為40°時(shí)撐桿輸出力最大，值為42 N。

4 結(jié)論

通過(guò)建立電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)力學(xué)模型和基于MATLAB仿真計(jì)算，可以分析得出以下結(jié)論：1）電動(dòng)撐桿輸出力與尾門(mén)重力、尾門(mén)重心與鉸鏈點(diǎn)的距離、撐桿安裝內(nèi)傾角等參數(shù)成正比，與撐桿車(chē)身安裝點(diǎn)與鉸鏈點(diǎn)的距離成反比；2）在撐桿安裝條件固定的情況下，撐桿的輸出力是尾門(mén)轉(zhuǎn)角θ的單一變量函數(shù)，且上坡、下坡和平坡3種工況下，均呈非線(xiàn)性關(guān)系；3）尾門(mén)開(kāi)啟過(guò)程，撐桿輸出力在上坡和下坡工況下要大于平坡工況，尾門(mén)關(guān)閉過(guò)程，撐桿輸出力基本相近。基于本課題的研究現(xiàn)狀，進(jìn)一步可以展開(kāi)對(duì)雪載荷、風(fēng)載荷等工況的理論分析和研究，并增加試驗(yàn)分析和驗(yàn)證。