汽車電動側門系統(tǒng)懸停工況驅動力研究

孫曉攀 宋明亮

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

1 前言

汽車電動側門因其智能化、科技感、便利性等特點受到年輕消費群體的青睞。與傳統(tǒng)車門系統(tǒng)采用機械限位器使車門在打開狀態(tài)下保持在一定位置不同，電動側門系統(tǒng)利用電動執(zhí)行器在開、關門過程中實現(xiàn)車門的電動開啟、關閉和保持，電動執(zhí)行器與車門上其他電動零件如電動釋放門鎖、吸合鎖、雷達傳感器等共同組成電動側門系統(tǒng)。

電動門開閉系統(tǒng)在整車上的應用很多，如電動尾門開閉系統(tǒng)[1]和電動滑移門開閉系統(tǒng)[2]，但電動尾門和滑移門開閉系統(tǒng)的力學及控制系統(tǒng)分析僅需考慮車輛縱向坡度對系統(tǒng)控制產生的影響。同時，相較于電動側門，電動尾門的用戶使用頻次較低，對手動操作力不需過多關注。電動側門系統(tǒng)開發(fā)既需要考慮車輛縱、橫向坡度對系統(tǒng)控制的影響，又需考慮車門在任意開啟角度下保持懸停，同時保證車門在懸停狀態(tài)下用戶手動操作時，車門開閉感良好[3]。因此，分析電動側門系統(tǒng)動力學原理并設計相應的力學分析模型，對電動門控制模塊的算法開發(fā)十分重要。

本文以某一車型電動側門系統(tǒng)為研究對象，綜合考慮汽車縱向、橫向坡度及車門開啟角度的影響，建立電動側門懸停工況下的手動開、關門力模型。根據手動操作力仿真結果確定執(zhí)行器驅動力模型，制定電動門控制系統(tǒng)算法開發(fā)策略，最后通過臺架測試驗證模型的準確性。

2 電動側門懸停工況分析

2.1 電動側門系統(tǒng)

電動側門系統(tǒng)涉及的零件包括電動門執(zhí)行器、電釋放門鎖、吸合鎖、電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）和避障雷達，如圖1 所示。車門全關狀態(tài)下，ECU 收到用戶的開門指令，控制電釋放門鎖執(zhí)行釋放動作，門鎖釋放完成后，ECU 控制電動執(zhí)行器工作撐開車門，實現(xiàn)電動開門功能。開門過程中如遇障礙物或者收到用戶的停止指令，ECU 控制執(zhí)行器使車門懸停。目前量產車型中配備電動側門的車型較少，且電動門故障發(fā)生后，依然需要用戶手動開關門。因此，在電動門控制系統(tǒng)開發(fā)的同時，也需要考慮手動操作時的車門開閉感。這就需要電動門滿足手動操作模式下的系統(tǒng)要求，如手動操作力小于系統(tǒng)要求，車門在任意坡度、任意開啟角度下都能保持懸停。

圖1 電動門系統(tǒng)組成

門執(zhí)行器是實現(xiàn)電動開關門和懸停功能的核心部件，電動門靠電動執(zhí)行器或離合器使車門懸停。目前主流的側門懸停方式分為2種類型，如表1所示。機械阻尼式懸停系統(tǒng)通過增大執(zhí)行器機械內阻提高門系統(tǒng)的摩擦力使車門保持懸停，完全利用系統(tǒng)的機械性能實現(xiàn)懸停功能，但增大執(zhí)行器內阻會增大用戶的手動操作力，導致用戶在手動開、關門時操作力大甚至無法推動或拉動車門，車門開閉感較差。電子阻尼式懸停系統(tǒng)使用電磁阻尼器實現(xiàn)懸?；蛑苯涌刂茍?zhí)行器輸出懸停驅動力實現(xiàn)，需要對電動門進行系統(tǒng)性力學分析，得到懸停狀態(tài)的力學模型，并進行電動助力懸停算法的開發(fā)，從而實現(xiàn)電動門電動助力懸停功能。本文主要針對電子阻尼式方案進行門系統(tǒng)力學分析及算法模型開發(fā)。

表1 電動門懸停方案對比

2.2 懸停工況分析

如圖2所示為懸停工況下電動門受力情況。在不同的開門角度和縱、橫向坡度條件下，重力沿門開關方向的分力區(qū)別較大，需要執(zhí)行器電機提供駐坡的動力差異較大，因此需要對懸停工況進行分析，考慮縱、橫向坡度及開門角度對執(zhí)行器提供駐坡驅動力的影響[4]。

圖2 懸停工況下電動側門受力情況

駐坡懸停過程中，電動側門系統(tǒng)的驅動力與阻力的關系為：

式中，M0為重力力矩；M1為執(zhí)行器驅動力矩；M2為系統(tǒng)摩擦力矩。

電動門在懸停過程中，M2包括執(zhí)行器機械內阻、鉸鏈摩擦力等形成的力矩。

設計狀態(tài)下，取M1=M0，執(zhí)行器輸出力矩與重力矩大小相等，方向相反。

3 重力矩模型

3.1 模型推導

本文以左側門為例建立分析模型，右側門模型與左側門模型主要的區(qū)別是車門質量和橫向坡度不同。

首先建立坐標系。如圖3所示，O3是鉸鏈軸線上一點，G為車門在全關狀態(tài)下的重心，將絕對坐標系的原點平移至G點，得到絕對坐標系G-xyz，再將Gxyz旋轉，使z軸與鉸鏈軸線平行，得到相對坐標系Gx1y1z1，此時作出相對坐標系平面x1y1與鉸鏈軸線的交點O，O3O⊥GO。當整車的縱、橫向坡度發(fā)生變化時，可認為整車繞絕對坐標系G-xyz的y軸和x軸旋轉，此時O點和O3點的絕對坐標也會隨之變化。

圖3 懸停工況下重力分解示意

假設下坡（鉸鏈軸線前傾）方向為正、右傾（鉸鏈軸線內傾）方向為正，車輛水平狀態(tài)下鉸鏈軸線與絕對坐標系z軸的夾角為γ、內傾角為α1、前傾角為β1

[5]，相對于絕對坐標系G-xyz，鉸鏈軸線的方向向量為：

因此，相對于相對坐標系G-x1y1z1，重力方向的方向向量為：

設重力在x1y1平面的分力為F1，F(xiàn)2為F1沿OG垂直方向的分力，見圖3。設γ1為F1與y1正方向的夾角，γ2為F1與F2的夾角，θ1為F2與y1正方向的夾角，也等價于OG與x1的夾角，LF1為F1的方向向量，y1為相對坐標系G-x1y1z1中y1軸的方向向量。當車輛前傾角為?β、內傾角為?α時，重力的方向向量LG為：

F1的方向向量LF1為：

將重力分解后，重力矩的表達式為：

式中，RG為重心G繞鉸鏈軸線的旋轉半徑，即重力矩的力臂；m為電動側門系統(tǒng)的質量；g為重力加速度；θ2為開門角度。

由于OG⊥OO3，則O點在平面x1y1上，所以O點在相對坐標系上的縱坐標為0，設O點的相對坐標為(x′,y′,0)，O3在相對坐標系下的坐標為(x′,y′,z′)，O3的相對坐標可由絕對坐標系坐標經過坐標系旋轉得到。

設水平路面狀態(tài)下，O3的絕對坐標為(x1,y1,z1)，O3點坐標為常量，與布置狀態(tài)相關，當車輛在某一坡度下（前傾角為?β、內傾角為?α）時，O3點坐標值可通過空間坐標系中坐標的旋轉得到[6]，可看作O3繞x軸旋轉?α，再繞y軸旋轉?β得到：

式中，p=x1sin(-?β)；q=z1cos(-?β)。

參考坐標系G-x1y1z1相對于絕對絕對坐標系G-xyz的轉換過程可以分解為：

G-xyz繞x軸旋轉?α，再繞y軸旋轉?β得到G-x1y1z1,O3點在參考坐標系G-xyz中的坐標為(x2,y2,z2)，在G-x1y1z1坐標系中的坐標為(x′,y′,z′)，根據以上角度可得旋轉矩陣為[7-8]：

其中?β∈[-10°,10°]、?α∈[-5°,5°]、θ2∈[0°,65°]，聯(lián)立式（7）～式（13）即可得到M0和M1。

由于電動側門執(zhí)行器自身總存在一定的內阻，需要利用推導出的M0確定在某一坡度下，系統(tǒng)內阻是否足以使車門懸停。應只針對需要電動助力懸停的坡度施加驅動力，因此需要推導手動模式下電動門的手動開門力和關門力曲線，如果手動開門力小于0，則代表該坡度和開門角度下，系統(tǒng)無法通過自身內阻使車門懸停，關門過程與開門過程相同，不再重復描述。

設重力的分力指向車內方向為正，則手動開門力矩和手動關門力矩分別為：

式中，F(xiàn)open、Fclose分別為手動開門力、手動關門力；L4為測力點到鉸鏈軸線的距離，即手動開、關門力臂；M2max為系統(tǒng)動摩擦力。

M2max為固定值，可通過實際測量得到，測量方法為：將測試臺架調整到使鉸鏈軸線與大地垂直，以使系統(tǒng)重力的方向與鉸鏈軸線平行，以確保重力繞鉸鏈軸線的力矩為0，在車門上取與用戶正常開門位置接近的測力點，用測力計在測力點處緩慢推動車門，得到的穩(wěn)定力值即為系統(tǒng)摩擦力Ff，則有：

3.2 模型結果分析

電動側門系統(tǒng)布置相關的系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

將表2 中參數(shù)代入分析模型，得到不同坡度工況下的手動關門、手動開門操作力曲線分別如圖4、圖5 所示，其中?β分別取-10°、0°、10° 3 個典型工況，?α在[-5°,5°]范圍內取值，開門角度為0°～65°。手動關門力或手動開門力小于0，代表當前的系統(tǒng)阻力無法使車門保持懸停，需要電動助力懸停；若手動開門力和手動關門力均大于0，表示在當前的縱、橫向坡度條件下，僅依靠系統(tǒng)摩擦力可以使車門懸停在某一開度。由圖4、圖5可以得到以下結論：

圖4 不同坡度工況下手動關門操作力曲線

圖5 不同坡度工況下手動開門操作力曲線

表2 電動門系統(tǒng)布置參數(shù)

a.水平路面狀態(tài)下（?β=0°，?α=0°），該系統(tǒng)可以依靠系統(tǒng)摩擦力使車門懸停在任意開啟角度；開門操作力最大值約為35 N，關門操作力最大值約為22 N，關門的操作感覺更優(yōu)。

b.最惡劣的手動關門工況條件為?β=10°、?α=-5°，此時手動關門操作力約為67 N。

c.最惡劣的手動開門工況條件為?α=5°，此時手動開門力約為58 N。

根據開門操作力和關門操作力曲線可以判斷出某具體工況是否需要執(zhí)行器電動助力懸停，再根據懸停工況下執(zhí)行器輸出力與開門角度的關系得到某一坡度、某一開門角度工況下，系統(tǒng)所需的懸停工況的電動助力目標值。不同坡度的懸停工況下執(zhí)行器輸出力與開門角度的關系如圖6 所示，其中輸出力為負值代表力的方向指向車內，反之指向車外。由圖6 可以看出，縱向坡度變化對懸停助力的影響較橫向坡度變化小。

圖6 不同坡度的懸停工況下執(zhí)行器輸出力

與開門角度的關系

3.3 電動側門執(zhí)行器懸停算法策略

電機輸出力作用點在車門上，力的方向沿滑塊軌跡線方向，同樣可以簡化力臂在開、關門過程中的變化，驅動力力臂L3為常量，與執(zhí)行器實際的布置狀態(tài)相關，則執(zhí)行器輸出力為：

設從執(zhí)行器電機輸出軸到絲杠的減速比為m1，執(zhí)行器機構輸出效率為η1，絲杠的導程為p1，執(zhí)行器電機輸出扭矩為M5，故有：

根據電機的特性曲線可知，執(zhí)行器電機輸出扭矩M5與電流I成正比，比例系數(shù)為Km，則

聯(lián)立式（19）～式（21）可得到M1與I間的關系為：

故可得I與M1的總比例系數(shù)為：

本文的目的是將電動側門系統(tǒng)的懸停工況的力學分析結果轉化為電動門執(zhí)行器對門系統(tǒng)的輸出驅動電壓，該驅動電壓隨車輛縱、橫向坡度及開、關門角度的變化而變化。因此本文并不需要針對執(zhí)行器或執(zhí)行器電機本身開展電機動態(tài)分析，而是在進行算法開發(fā)時，通過電動門臺架直接標定出總比例系數(shù)Kx。以電流I為目標值，通過PID算法控制執(zhí)行器驅動，使驅動電流達到目標值I，從而實現(xiàn)車門系統(tǒng)在任意坡度、任意開門角度下保持懸停。標定過程是先將臺架調整至較大橫、縱向坡度，逐漸調整Kx至電動門能在任意開啟角度保持懸停，測量手動開門力和手動關門力，再微調Kx至手動開、關門力與系統(tǒng)摩擦力Ff大小相等，此時即可認為Kx標定成功。該控制和標定方法簡單，同時可以為用戶提供較好的車門開閉感。

4 臺架測試驗證

本文利用電動門臺架驗證手動開、關門操作力及電動懸停助力標定后的結果是否符合預期，如圖7所示。

圖7 電動門測試臺架

對于懸停助力工況，通過標定Kx得到較為理想的懸停力，該力矩僅平衡重力的分力矩。用戶在手動推車門時僅需要克服系統(tǒng)摩擦力，提升車門開閉感，對于手動操作力，使用測力計測量水平路面條件下的開、關門手動力，與算法模型預測結果相比較進行驗證，如圖8所示，測力計測量結果具備一定誤差，但整體的測量結果與預測結果趨勢吻合，由此可以說明以上算法模型的準確性。

圖8 手動開關門力預測值與實測結果對比

5 結束語

本文針對乘用車電動側門系統(tǒng)，根據電動門手動模式及懸停狀態(tài)的用戶使用場景，同時考慮不同縱、橫向坡度工況對電動門系統(tǒng)的影響，進行力學分析及算法模型推導，得到電動門手動模式的開、關門力模型，根據手動開、關門力的范圍確定電動懸停助力模型，并利用電動門臺架驗證了手動開關門操作力及電動懸停助力標定結果，得到以下結論：

a.水平路面狀態(tài)下電動門系統(tǒng)各零件內阻及系統(tǒng)摩擦力足以使車門懸停在任意開門角度，且用戶手動開關門力小于35 N，可以滿足用戶日常使用要求。

b.在縱、橫向坡度較大，尤其是縱、橫向坡度耦合的場景下，電動門無法在任意開門角度懸停，且該工況下手動開關門力較大，需要電動助力才能使車門在任意開門角度下保持懸停。

c.電動助力算法開發(fā)中，僅需要對Kx進行標定，標定方法簡單，并且可使懸停助力值不至于過大或過小，從而提升車門開閉感。

d.模型計算結果與臺架實測結果一致性較好，從而驗證了模型的準確性。