電動外擺艙門設計

黃耀民, 陳明清

(廈門金龍聯合汽車工業(yè)有限公司, 福建 廈門 361023)

外擺艙門由于打開后其開口尺寸大、接近性好、開關便捷的優(yōu)點被廣泛應用于中高端客車的側行李艙，主要分為手動外擺艙門和自動外擺艙門兩類[1]。目前，自動外擺艙門通常采用電磁閥控制氣驅動式。氣動外擺艙門的主要缺點是，驅動氣缸不僅占用行李艙空間而且還很笨重，不符合整車輕量化的發(fā)展趨勢；此外，在整車氣壓較低時還可能導致功能失效無法開關艙門。因此，本文設計一種電控電驅動的自動外擺艙門，以解決傳統氣缸驅動的問題。本文所述方案結構簡化緊湊，只需在傳統的手動機構基礎上重新布置氣彈簧、電動撐桿及其他相關部件即可，易于推廣；功能上可拓展腳踢感應、紅外感應等多種開關型式，市場適用性較強。在做好成本控制的情況下，具有廣闊的市場應用前景[2]。

1 電動外擺艙門組成及原理

如圖1所示，電動外擺機構由彎臂機構1、電動撐桿2、氣彈簧3、自吸鎖扣4、手自一體鎖系統5、平衡桿6及中央控制器和線束組成。彎臂機構的設計同手動外擺艙門，用于將艙門向外擺出,開啟后避開上沿密封止口、密封膠條等。電動撐桿中有驅動電機，是艙門外擺的動力源，當控制器接收到開關門信號時，輸出給電動撐桿伸長或縮短的指令，以驅動整個機構將艙門向外擺出開門或向內擺入關門。

氣彈簧在艙門開關的過程中提供需要的大部分動力。艙門關閉后需要壓縮密封膠條才能起到密封效果，此時需要的壓縮力較大且為水平方向，單靠電動撐桿驅動彎臂無法拉緊艙門壓縮膠條。因此需要布置一套自吸鎖扣，先將艙門鎖止機構與滑動鎖扣嚙合上鎖，再通過滑動鎖扣將艙門往里拉以壓緊膠條達到密封效果。手自一體鎖系統主要用于實現手動和電控自動解鎖功能，正常使用時，控制器接收到開門信號，輸出指令給電動執(zhí)行器進行解鎖，電動撐桿再驅動艙門打開；整車斷電時，可用手動解鎖方式從車外打開艙門。兩種解鎖方式相互獨立。

2 電動外擺機構設計

2.1 氣彈簧和電動撐桿布置及計算

根據車身結構及艙門開關的起始位置布置好轉軸O及彎臂機構[3]，如圖2所示。初步選用氣彈簧最大長度500 mm，行程180 mm，公稱力值550 N；電動撐桿最大長度720 mm，行程245 mm，額定功率46 W，最大力值800 N。以逆時針為力矩正方向，OA為氣彈簧的臨界線，氣彈簧在OA線上方時輸出負力矩，在OA線下方時輸出正力矩；OB為電動撐桿的臨界線，電動撐桿在OB線上方時輸出負力矩，在OB線下方時輸出正力矩[4]。為保證艙門在關閉時鎖止機構能夠更順暢地嚙合滑動鎖扣，需要一個負力矩將艙門往里拉緊，所以將氣彈簧初始位置AC布置在OA線上方。當艙門開啟時，電動撐桿輸出力矩除需要克服重力矩外，還需要先克服此負力矩。因此氣彈簧初始位置負力矩不能過大，此結構中提供負力矩的氣彈簧力臂L彈(O點到F彈的垂直距離)的初始值選10 mm較為合適。為了簡化控制器程序，保證艙門開或關的過程中電動撐桿只向一個方向伸長或縮短，需將電動撐桿初始位置BD布置在OB線下方。初步選定氣彈簧驅動半徑OC=85 mm，電動撐桿驅動半徑OD=120 mm，電動撐桿力臂L電撐(O點到F電撐的垂直距離)初始值為50 mm。再結合選用的長度規(guī)格可初步確定氣彈簧和電動撐桿的布置點位A、B、C、D，若力值核算不滿足，可適當調整OC、OD或氣彈簧與電動撐桿的力值規(guī)格。由圖2可確定氣彈簧最大長度需大于490 mm，最小長度需小于347 mm；電動撐桿最大長度需大于710 mm，最小長度需小于489 mm。氣彈簧和電動撐桿選用長度規(guī)格符合需求，下面進行力值核算。

圖2 電動撐桿和氣彈簧布置圖

電動外擺艙門同時具備手動開啟的功能，因此氣彈簧最小力值應能保證在重力矩最大時能將艙門撐起[5]。根據此時力矩平衡可得：

F彈=G艙門·d·k/L彈

式中：F彈為氣彈簧撐力；G艙門為艙門重力，160 N；d為艙門重力臂；k為安全系數，取1.1。

彎臂機構尺寸確定后可通過制圖得出此時相關參數的d=490 mm,L彈=85 mm，代入后得到F彈=160 N×490 mm×1.1÷85 mm=1 014.6 N,所以單根氣彈簧所需的最小公稱力值為F彈/2=507.3 N，選用氣彈簧規(guī)格較為合適。

根據艙門打開過程中氣彈簧和電動撐桿及艙門重力矩三者平衡的關系，可以得到艙門運動過程中電動撐桿需要輸出力值F電撐=k·(G艙門·d-F彈·L彈)/L電撐。在UG軟件中建立模型進行運動仿真，以彎臂轉過1°為一步，輸出每一步的參數，導入EXCEL中繪制該過程的力學特性曲線[6]，如圖3所示。由圖3可知，F電撐/2最大值Fm=681 N，設定開門時間t=4 s，電動撐桿運行過程中伸長長度l=710 mm-489 mm=221 mm，電動撐桿運行平均速度v=l/t=0.055 m/s，電動撐桿最大使用功率P=Fmv=681 N×0.055 m/s=37.5 W。艙門打開過程中Fm小于800 N，使用功率小于46 W，電動撐桿選用規(guī)格符合需求[7]。

(a) 電動撐桿力值曲線

(b) 力矩曲線

如圖4所示，電動撐桿由霍爾傳感器、驅動電機、齒輪箱、螺桿及螺母等部件構成。驅動電機接收控制器發(fā)出的指令進行正向或反向轉動，通過齒輪箱減速增扭后帶動螺桿與螺母發(fā)生相對轉動，進而推動電動撐桿軸向伸長或縮短。電機尾部內置霍爾傳感器的反饋信號作為艙門開關位置與智能防夾的信號輸入[8]。

圖4 電動撐桿結構圖

2.2 其余主要部件的設計及布置

1) 手自一體鎖系統。為保證艙門在應急或者自動功能失效的情況仍能正常手動開關，在傳統的手動外擺艙門鎖系統的基礎上并聯了一個電動執(zhí)行器來執(zhí)行開關指令以達到自動解鎖功能，并布置相關空程槽來避免手動或電動時內部機構的相互干擾，如圖1所示。

2) 自吸鎖扣。如圖1所示，自吸鎖扣主要由電動執(zhí)行器、拉索、滑動鎖扣組成。艙門關閉時，當艙門上的鎖機與滑動鎖扣完成嚙合鎖止到位后，滑動鎖扣將艙門拉緊以壓縮膠條，艙門關閉到位。

2.3 防夾設定

電動撐桿中的電機是防夾信號采集對象，當電機發(fā)生轉動時，每次電機軸上的小磁環(huán)經過霍爾傳感器，霍爾傳感器將輸出一個脈沖信號，控制器通過采集脈沖信號之間的寬度可推算出電機的轉速[9]。電動艙門首次安裝調試時，需要進行完整的艙門開啟、關閉過程的自學習，控制器會采集運動過程中的電機電流和轉速。當艙門在運動時遇到阻礙，電機的電流、轉速變化超過正常數值的10%，并持續(xù)超過1 s，即判斷為需要進行防夾并促發(fā)防夾操作[10],其防夾性能更加靈敏、準確、可控。

3 結束語

相比傳統的氣動外擺艙門，電動外擺艙門單套可減重約15 kg，加大行李艙空間約0.4 m3。性能更加穩(wěn)定可靠，防夾性能更加靈敏準確，從傳統結構的不夾傷人提升到不夾疼人，提高了艙門使用安全性。其缺點在于成本較氣動外擺艙門增加約40%。