防水破冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在電動(dòng)滑門上的應(yīng)用

賴" "楠

畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院，任車身部平臺(tái)經(jīng)理，主要從事整車車身設(shè)計(jì)開發(fā)工作，是上車體外觀提升及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電動(dòng)滑動(dòng)門系統(tǒng)專家。

摘" 要：本文介紹電動(dòng)滑門的應(yīng)用優(yōu)勢，闡述電動(dòng)滑門的組成及運(yùn)行原理。結(jié)合市場因零部件結(jié)冰所產(chǎn)生的質(zhì)量問題，分析水流和結(jié)冰現(xiàn)象對電動(dòng)滑門系統(tǒng)功能的影響。針對水流及結(jié)冰現(xiàn)象所產(chǎn)生的問題，研究電動(dòng)滑門零部件的防水（防冰凍）及破冰結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。通過水流仿真分析及破冰受力分析，確認(rèn)防水（防冰凍）及破冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，再通過對電動(dòng)滑門進(jìn)行實(shí)車冰凍試驗(yàn)，驗(yàn)證應(yīng)用的可行性;根據(jù)設(shè)計(jì)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證得出此防水（防冰凍）及破冰結(jié)構(gòu)值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)滑門;防水;破冰結(jié)構(gòu);冰凍試驗(yàn)

中圖分類號：U463.83" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2022）04-0044-09

Application of Waterproof Ice Breaking Structure Design on Power-Slide-Door （PSD）

LAI Nan， QIU Jie， ZHOU Jia-peng， HE Wei

（ BYD Auto Industry Company Limited， Shenzhen 518118， China ）

Abstract： This article introduces the application of Power-Slide-Door （PSD）， and explains the composition and operating principles of PSD. Combing with the quality problems caused by the icing of parts and components in the market， it analyzes the influence of water flow and icing phenomenon on the function of PSD. In view of the problems caused by the water flow and icing phenomenon， it studies the characteristics of the waterproof （anti-icing） and ice breaking structure of PSD. Through water flow simulation analysis and ice-breaking force analysis， the feasibility of the waterproof （anti-icing） and ice-breaking structure design is confirmed; then we conduct a real-vehicle freezing test on the PSD to verify the feasibility of real-vehicle application. It is verified that this waterproof （anti-icing） and ice-breaking structure is worthy of popularization and application according to the design analysis and experimental verification.

Key Words： Power Slide Door; Waterproof; Ice Breaking Structure; Freezing Test

前" " 言

隨著汽車設(shè)計(jì)及制造水平的提高，客戶對汽車的要求也在不斷提高，不僅對汽車安全性和外觀有更高的要求，對汽車的操作舒適性和駕乘舒適性也越來越重視。電動(dòng)滑門開口較大，幾乎不需要過多的開門空間，在狹窄空間內(nèi)用戶也能非常方便的上下車。電動(dòng)滑門開關(guān)僅需輕輕拉動(dòng)把手或者操作開關(guān)，便能很順暢的進(jìn)行開關(guān)門，即使在坡道上，用戶也不會(huì)不需要較大的開關(guān)門操作力，很大程度的提高了用戶的操作舒適性。同時(shí)，滑門的電動(dòng)功能讓用戶體驗(yàn)到科技感和尊貴感，從而提升用戶的駕乘體驗(yàn)。

我國幅員遼闊，南北地區(qū)溫差較大，北方地區(qū)較多時(shí)候氣溫處于零攝氏度以下，特別是進(jìn)入冬季，市場上因零部件結(jié)冰而導(dǎo)致車門無法正常開啟的問題時(shí)有發(fā)生，這類問題主要是車輛在低溫雨雪天氣或者洗車工況下，零部件內(nèi)部的積水結(jié)冰而導(dǎo)致。此類工況對滑門的電動(dòng)開關(guān)功能帶來較大的考驗(yàn)，因此，電動(dòng)滑門各零部件的防水（防冰凍）及破冰結(jié)構(gòu)必不可少，通過這些結(jié)構(gòu)來杜絕電動(dòng)滑門零部件在低溫環(huán)境下被凍住的問題，從而保障電動(dòng)滑門的功能正常。

1" " 電動(dòng)滑門系統(tǒng)簡介

1.1" "電動(dòng)滑門系統(tǒng)的組成及運(yùn)行原理簡述

電動(dòng)滑門一般由門鎖系統(tǒng)（如圖2）、滑門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)控制模塊（ECU）、滑輪導(dǎo)軌（如圖3）、防夾裝置等組成。

電動(dòng)滑門的基本運(yùn)行原理是在滿足滑門運(yùn)行的控制邏輯條件下，通過操作把手、開關(guān)、遙控鑰匙等信號，ECU識別開關(guān)門信號控制電動(dòng)后鎖及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)通過電磁離合器與拉線圓筒實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸，圓筒纏繞的拉線兩端分別固定在中導(dǎo)軌兩端，如圖4，ECU識別開關(guān)門信號而控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)滑門沿導(dǎo)軌的電動(dòng)開關(guān)門動(dòng)作。

電動(dòng)滑門開門過程概括為：滑門ECU接收滑門開門信號→后鎖電動(dòng)拉線連接中轉(zhuǎn)組件執(zhí)行解鎖動(dòng)作→中轉(zhuǎn)組件連接前鎖、后鎖、全開限位鎖解鎖拉線進(jìn)行解鎖→后鎖解鎖信號傳遞滑門ECU→驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線帶動(dòng)滑門進(jìn)行開門動(dòng)作。

電動(dòng)滑門關(guān)門過程概括為：滑門ECU接收滑門關(guān)門信號→后鎖電動(dòng)拉線連接中轉(zhuǎn)組件執(zhí)行解鎖動(dòng)作→中轉(zhuǎn)組件連接前鎖、后鎖、全開限位鎖解鎖拉線進(jìn)行解鎖→滑門ECU識別滑門位置→驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線帶動(dòng)滑門進(jìn)行關(guān)門動(dòng)作。

1.2" "電動(dòng)滑門系統(tǒng)水流路徑分析

電動(dòng)滑門零件主要分布于車外（如滑輪、導(dǎo)軌、全開限位鎖、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分零件）、車內(nèi)（如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、ECU、中轉(zhuǎn)組件及部分拉索）和車門空腔內(nèi)（如前鎖、后鎖及部分驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件和拉索）。

車內(nèi)部分零件不需考慮結(jié)冰問題，因?yàn)檎Ｊ褂霉r車內(nèi)是不允許進(jìn)水的。

車門空腔內(nèi)零部件其水流基本是通過玻璃與呢槽之間，玻璃與水切之間從上而下流入。

車外部門的水流則可能從各個(gè)方向進(jìn)入。

1.3" "滑輪、導(dǎo)軌排水及防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

滑輪為密封軸承類零件，此項(xiàng)不再闡述。

導(dǎo)軌通過設(shè)計(jì)截面開口向下，且在截面內(nèi)避免可能存水的結(jié)構(gòu)特征，經(jīng)過的水流可直接排走，如圖5、圖6、圖7，因此導(dǎo)軌不存在內(nèi)部結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4" "鎖系統(tǒng)所處環(huán)境及防水、排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

1.4.1 前鎖

前鎖防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡述：

a、鎖體外部設(shè)計(jì)防水罩，防止水流直接沖刷鎖體，避免水流大量經(jīng)過鎖體結(jié)構(gòu)，防水罩如圖8所示：

b、鎖體解鎖拉線走線方向設(shè)計(jì)與水平面（車身坐標(biāo)XY平面）呈一定夾角，約15°;避免水流通過拉線護(hù)管端頭進(jìn)入拉線護(hù)管內(nèi)部，而在拉線護(hù)管內(nèi)部形成積水，如圖9所示：

c、鎖體解鎖拉線護(hù)管頭部設(shè)計(jì)防水膠套，隔絕水流進(jìn)入拉線護(hù)管內(nèi)部，如圖10所示：

1.4.2 后鎖

后鎖裝配于滑門內(nèi)板與外板的空腔內(nèi)，且整體位于玻璃及呢槽以內(nèi)，此位置水流不會(huì)直接沖刷，但不可避免在洗車等惡劣工況下的的雨水飛濺。

后鎖防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡述：

a、鎖體外部設(shè)計(jì)防水罩（如圖11所示），避免飛濺的雨水直接淋在鎖體上;同時(shí)防水罩及鎖體底部設(shè)計(jì)鏤空，避免濺入鎖體內(nèi)部的水分形成積水（如圖12所示）。

b、鎖體解鎖拉線和電動(dòng)拉線走線方向設(shè)計(jì)與水平面（車身坐標(biāo)XY平面）呈一定夾角，避免水流通過拉線護(hù)管端頭進(jìn)入拉線護(hù)管內(nèi)部，而在拉線護(hù)管內(nèi)部形成積水，如圖13所示：

1.4.3 全開限位鎖

全開限位鎖安裝于滑門下滑輪總成底部，上面被滑輪總成覆蓋，從上往下的雨水基本進(jìn)入不了全開限位鎖內(nèi)部（如圖14所示）。

在車輛涉水或者通過泥水路面時(shí)可能會(huì)有泥水從底部飛濺到全開限位鎖內(nèi)部。如果水量不能隔絕或者及時(shí)排出，在低溫環(huán)境下結(jié)冰則可能導(dǎo)致全開限位鎖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)凍住而無法解閉鎖，從而使得滑門電動(dòng)開關(guān)門功能失效。

全開限位鎖防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡述：

a、全開限位鎖體底板設(shè)計(jì)有鏤空結(jié)構(gòu)（如圖15所示），避免飛濺的水分在鎖體內(nèi)部聚集。

b、解鎖拉線護(hù)管端頭設(shè)計(jì)防水膠套，隔絕水流進(jìn)入拉線護(hù)管（如圖16所示）。

c、全開限位鎖體鎖舌與鎖止臂結(jié)構(gòu)布置靠鎖體蓋板一側(cè)，鎖舌與鎖體底板設(shè)計(jì)間隙4.8mm，避免鎖舌與底板之間形成積水，如圖17所示。

1.5" "驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)防水、排水和破冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

滑門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主體裝配于滑門內(nèi)板上且位于車內(nèi)側(cè)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線通過滑門內(nèi)板空腔穿出，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線導(dǎo)向盒裝配于滑門中滑輪總成上（如圖18所示），驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線兩端分別固定于滑門中導(dǎo)軌兩端附近（如圖19所示）。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡述：

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線在從車外進(jìn)入滑門內(nèi)部的位置設(shè)計(jì)有防水膠套（如圖20所示），隔絕拉索運(yùn)行過程中將水分帶入乘員艙內(nèi)，避免水分進(jìn)入內(nèi)部聚集在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主體部分形成積水。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡述：

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線導(dǎo)向盒底部設(shè)計(jì)導(dǎo)水空間，同時(shí)設(shè)計(jì)排水槽（如圖21所示），將通過拉線進(jìn)出口位置進(jìn)入的雨水和拉線運(yùn)行過程中帶進(jìn)導(dǎo)向盒的水分通過底部排出，避免水量在拉線導(dǎo)向盒內(nèi)部聚集形成積水。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線盒破冰結(jié)構(gòu)簡述：

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線導(dǎo)向盒內(nèi)部設(shè)計(jì)凸起特征（如圖22、圖23、圖24所示），此凸起特征即為破冰結(jié)構(gòu)，凸起特征破冰方向與導(dǎo)向輪運(yùn)行方向相反;在雙導(dǎo)向輪位置，兩個(gè)導(dǎo)向輪運(yùn)行方向相反，故破冰結(jié)構(gòu)特征方向相反;驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在開門動(dòng)作時(shí)（結(jié)合實(shí)際使用情況，正常使用工況車輛不會(huì)長時(shí)間處于開門狀態(tài)，故結(jié)冰現(xiàn)象可能出現(xiàn)在門關(guān)閉狀態(tài)下，故破冰結(jié)構(gòu)主要作用于開門動(dòng)作），驅(qū)動(dòng)拉線沿圖示箭頭方向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)滑輪運(yùn)行，凸起特征起到破冰作用。

破冰之后的碎屑可通過導(dǎo)向盒底部導(dǎo)水結(jié)構(gòu)排出（如圖25、圖26所示）。

1.6" "驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線導(dǎo)向盒防水、排水仿真分析

通過以上分析可知，電動(dòng)滑門的結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)為滑門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線導(dǎo)向盒位置。由于計(jì)算機(jī)硬件及算法的發(fā)展，CFD技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)包括汽車在內(nèi)的遍及各個(gè)領(lǐng)域[1]。本文通過流體仿真軟件Star CCM[2]對拉線導(dǎo)向盒進(jìn)行防水、排水仿真分析，并通過有限元仿真軟件ABAQUS[3]仿真分析驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出力矩是否能夠滿足破冰力要求。

防水、排水分析主要通過兩種環(huán)境進(jìn)行模擬計(jì)算，一種是水從正上方流入，質(zhì)量流速為0.25L/s，持續(xù)4s計(jì)算，其主要進(jìn)水點(diǎn)為拉線導(dǎo)向盒的端口及零件接縫位置，如圖27所示，但絕大部分水都會(huì)由排水口排出，僅在底板縫隙處和右輪上方有少量積水，滑輪部位無積水，如圖28所示。

另一種是直接將拉線導(dǎo)向盒浸泡在水中，然后取出，分析水分排走的時(shí)間。通過10S時(shí)間進(jìn)行分析，水分基本排出，僅在滑輪表面殘留水漬并未形成積水。

1.7" "驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線導(dǎo)向盒破冰力仿真分析

通過以上分析，拉線導(dǎo)向盒積水結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)較低，為將設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)降至更低，模擬拉線導(dǎo)向盒內(nèi)部完全結(jié)冰，分析驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出力矩是否能夠滿足破冰力要求。

Valanto[4]通過對三維數(shù)值模型施加經(jīng)驗(yàn)公式來模擬破冰過程;王博[5]對冰載荷特性進(jìn)行研究，并分析了破冰過程中發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化;王林[6]通過建立各向同性粘塑性有限元數(shù)值模型仿真分析了破冰結(jié)構(gòu)的破冰機(jī)理和破冰效果，根據(jù)其研究中冰材料參數(shù)可知，冰最大失效應(yīng)力（壓縮）為10MPa，塑性失效應(yīng)變?yōu)?.01，參考表1。本文通過ABAQUS仿真軟件模擬了破冰機(jī)構(gòu)對冰的壓縮過程，當(dāng)冰的應(yīng)力超過10MPa，冰產(chǎn)生的應(yīng)變超過失效應(yīng)變，即可認(rèn)為冰被破壞，此時(shí)的力即為最小破冰力。

通過仿真結(jié)果可知，當(dāng)冰受到應(yīng)力為11.7MPa時(shí)，對應(yīng)破冰力為2.45N。假設(shè)極端惡劣的情況，輪內(nèi)結(jié)滿了冰，破冰機(jī)構(gòu)的破冰面與冰面全部接觸，測量其接觸面積為1.44mm2，對應(yīng)破冰力為F=S×P=14.42N。

破冰力校核：由電機(jī)性能（見表2）可知，扭矩為14.1Nm，轉(zhuǎn)輪半徑為26mm，運(yùn)行效率為70%。因此電機(jī)可提供破冰力F=T/r×0.7=379.6N，整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中共有四個(gè)破冰機(jī)構(gòu)，即使同時(shí)破冰，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力也遠(yuǎn)大于破冰力的4倍，因此電機(jī)可提供足夠的破冰力。

2" " 冰凍試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1" "冰凍實(shí)驗(yàn)一

試驗(yàn)方法：

在-30℃環(huán)境中將滑門打開，玻璃完全升上去，將500mL水均勻澆淋在中滑輪①、全開限位鎖②、后鎖魚嘴口③位置，將500mL水均勻澆淋在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線導(dǎo)向盒④、驅(qū)動(dòng)拉線⑤上，再沿著玻璃⑥倒500mL水，以上澆水時(shí)間控制在2min以內(nèi)，然后關(guān)閉滑門，滑門系統(tǒng)在-30℃環(huán)境中放置2h，確保所澆水完全結(jié)冰，操作電動(dòng)開啟關(guān)閉滑門。倒水位置示意圖見圖33所示。

試驗(yàn)過程：以某車型電動(dòng)滑門進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證（驗(yàn)證過程如圖34所示）。

試驗(yàn)結(jié)果：滑門電動(dòng)開關(guān)門功能正常。

2.2" "冰凍實(shí)驗(yàn)二

試驗(yàn)方法：

①在常溫狀態(tài)下，將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線導(dǎo)向盒（含拉線張緊器）按照裝車方向平放在水中，水覆蓋拉線導(dǎo)向盒及張緊器，放置30分鐘;

②將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在試驗(yàn)車身上;

③安裝完成后，沿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線導(dǎo)向盒正上方澆淋500mL水，再沿張緊器及拉線正上方均勻澆淋500mL水;

④將試驗(yàn)車身放置在-30℃恒溫環(huán)境倉內(nèi);

⑤以上過程中不刻意去除零部件上的水分，步驟①之后需在1小時(shí)內(nèi)完成步驟④;

⑥在-30℃放置2小時(shí)后，操作滑門電動(dòng)開關(guān)門，確認(rèn)電動(dòng)開關(guān)門功能是否正常。

試驗(yàn)過程：以某車型電動(dòng)滑門進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證（驗(yàn)證過程如圖35、圖36、圖37所示）。

試驗(yàn)結(jié)果：滑門電動(dòng)開關(guān)門功能正常。

通過以上兩種試驗(yàn)驗(yàn)證，此滑門系統(tǒng)零部件的防水、排水及破冰機(jī)構(gòu)，可有效防止滑門系統(tǒng)在低溫雨雪天氣或者洗車工況下被凍住而導(dǎo)致滑門電動(dòng)開關(guān)門功能失效。

3" " 結(jié)論

1）通過以上理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，可得出此電動(dòng)滑門系統(tǒng)零部件的防水、排水及破冰結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，可有效防止雨水結(jié)冰導(dǎo)致滑門電動(dòng)開關(guān)門功能失效的問題。

2）結(jié)合以上驗(yàn)證過程及問題失效分析，將此失效模式納入滑門系統(tǒng)FMEA當(dāng)中，形成滑門系統(tǒng)驗(yàn)證的固化項(xiàng)目。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際使用工況，將試驗(yàn)方法固化，納入技術(shù)條件。

3）以上防水及防冰凍結(jié)構(gòu)可為后續(xù)車型設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]張德良. 計(jì)算流體力學(xué)教程. 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 2010.

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[6]王林，沈煒煒，破冰結(jié)構(gòu)與冰載荷相互作用下的破壞模式和損傷機(jī)理研究[J].船舶工程 2016年第11期.

專家推薦語

龍從林

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

車身部總師" "研究員級工程師

本文結(jié)合電動(dòng)滑門的組成和運(yùn)行原理，從水流路徑，防水破冰策略，到具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的闡述了電動(dòng)滑門系統(tǒng)的水管理設(shè)計(jì)方案。文中重點(diǎn)介紹了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線盒破冰結(jié)構(gòu)，依據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拉線盒結(jié)構(gòu)的破冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，破冰力學(xué)計(jì)算及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力匹配分析。文中也分享了兩種車門系統(tǒng)冰凍試驗(yàn)，系統(tǒng)地驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。整體來說，文章針對電動(dòng)滑門防水破冰的方案做了較詳細(xì)的分解和分析，值得借鑒與推廣應(yīng)用。