李仲煒 劉肖

（福特汽車工程研究（南京）有限公司）

電動(dòng)車窗、電動(dòng)座椅、電動(dòng)側(cè)門和電動(dòng)尾門等一系列的電子驅(qū)動(dòng)技術(shù)在近些年來得到了快速的發(fā)展，并且已經(jīng)從奢華級(jí)配置慢慢趨于大眾化和普遍化。由于SUV車型具有尾門質(zhì)量大和開關(guān)行程大等特點(diǎn)，電動(dòng)尾門已經(jīng)成為各個(gè)主機(jī)廠在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售過程中所廣泛應(yīng)用和推崇的技術(shù)。然而電動(dòng)尾門是一個(gè)系統(tǒng)性的集成，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中其開關(guān)是否輕便順暢，是否滿足各種不同工況，是客戶感受頻率和關(guān)注較高的項(xiàng)目，同時(shí)也是汽車工程師需要面臨的一個(gè)技術(shù)難題。文章結(jié)合生產(chǎn)中的實(shí)際案例，分析影響電動(dòng)尾門關(guān)閉力的因素，通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論找出了電動(dòng)尾門在關(guān)閉過程中關(guān)閉力大，出現(xiàn)反彈的主次因素，提出了一套改善電動(dòng)尾門關(guān)閉力的方案。

1 電動(dòng)尾門的工作原理

電動(dòng)尾門是駕駛者通過操作后備箱上開關(guān)按鈕，遙控車鑰匙，中控儀表按鈕或者尾門相應(yīng)感應(yīng)區(qū)域，自動(dòng)開關(guān)后備箱門的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有手自一體、智能防夾、緊急停止和高度記憶等功能，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，文章中電動(dòng)尾門系統(tǒng)由以下模塊組成。

1）驅(qū)動(dòng)模塊：驅(qū)動(dòng)模塊主要由電動(dòng)撐桿組成，電動(dòng)撐桿的一端連接在車身上，一端連接在尾門上，撐桿通過內(nèi)部的電機(jī)和齒輪驅(qū)動(dòng)螺母螺桿來實(shí)現(xiàn)尾門的開啟和閉合。一般電動(dòng)尾門的電動(dòng)撐桿分為雙邊驅(qū)動(dòng)或者是單邊驅(qū)動(dòng)。雙邊驅(qū)動(dòng)則要求行李箱蓋兩邊均安裝主動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，而單邊驅(qū)動(dòng)的一邊只安裝普通的液壓撐桿，不具備電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也即是文章所涉案例。

2）控制模塊：控制模塊一般集成在整車ECU中，作為整個(gè)電動(dòng)尾門的控制大腦，它會(huì)通過接收來自外部所有對(duì)尾門的開關(guān)指令，然后分析和處理外部傳感器反饋的信號(hào)，對(duì)尾門的操作發(fā)出相應(yīng)的指令。

3）尾門電動(dòng)鎖模塊：該模塊是電動(dòng)尾門關(guān)閉和釋放的最終執(zhí)行模塊。在尾門關(guān)閉的過程中，當(dāng)固定在車身的鎖扣觸發(fā)尾門鎖的微動(dòng)開關(guān)時(shí)，鎖閂將在內(nèi)部電機(jī)的作用下自動(dòng)閉合并確保完全鎖上尾門。當(dāng)接收來自尾門按鈕、遙控鑰匙或者是感應(yīng)操作的釋放指令時(shí)，電動(dòng)鎖自動(dòng)釋放，尾門在控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的作用下按照標(biāo)定速度打開到指定高度。

4）防夾功能模塊：電動(dòng)尾門應(yīng)具有智能檢測(cè)障礙物并實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)或者反向工作的功能，該功能一般由安裝在尾門兩邊的防夾條傳感器和電動(dòng)撐桿內(nèi)部電機(jī)的霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)尾門在開啟或者關(guān)閉的過程中遇到了障礙物，防夾條直接被觸發(fā)或者霍爾傳感器檢測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)速超出設(shè)定范圍，行李箱蓋自動(dòng)反方向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)防夾功能。

2 電動(dòng)尾門的關(guān)閉問題及分析

2.1 電動(dòng)尾門出現(xiàn)的問題

本案例中在沒有障礙物的情況下，電動(dòng)尾門到關(guān)閉行程最后，也就是在行李箱鎖閂將要到達(dá)二級(jí)鎖止位置時(shí)出現(xiàn)失效，即控制模塊偵測(cè)到行李箱蓋關(guān)閉阻力過大，停止自動(dòng)模式或者要求反方向運(yùn)動(dòng)。隨機(jī)驗(yàn)證了23臺(tái)車，問題比例高達(dá)70%，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)節(jié)拍和質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2.2 電動(dòng)尾門關(guān)閉力的測(cè)量與分析

為了分析問題的根本原因及量化電動(dòng)尾門關(guān)閉力的大小，通過試驗(yàn)?zāi)M失效模式，并記錄在電動(dòng)尾門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作直至失效時(shí)的臨界力和手動(dòng)關(guān)閉尾門至二級(jí)鎖閂的真實(shí)關(guān)閉力，即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)閉尾門所要克服的阻力，具體方法如下。

1）測(cè)量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失效臨界力，如圖1所示，車窗全部關(guān)閉，將測(cè)力計(jì)固定在鎖扣上方，測(cè)頭朝向車外，位置固定在尾門鎖即將接觸到二級(jí)鎖但尚未觸發(fā)微動(dòng)開關(guān)的位置為佳。測(cè)量時(shí)，啟動(dòng)電動(dòng)尾門功能，記錄下直至尾門反彈失效的最大力值。

圖1 電動(dòng)尾門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失效臨界拉力測(cè)量圖

2）測(cè)量尾門真實(shí)關(guān)閉力，如圖2所示，車窗全部關(guān)閉并關(guān)閉電動(dòng)尾門系統(tǒng)，將測(cè)力計(jì)放置于汽車外部，測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)行李箱鎖的位置。測(cè)量時(shí)，從車外向車內(nèi)推動(dòng)尾門直至二級(jí)鎖的位置并記錄下最大力值。

圖2 電動(dòng)尾門真實(shí)關(guān)閉力測(cè)量圖

按照上述方法測(cè)量得出，關(guān)閉力在122 N左右時(shí)，電動(dòng)尾門就會(huì)在控制模塊的命令下停止工作或者反彈，在手動(dòng)條件下真實(shí)的關(guān)閉力已經(jīng)需要225 N，然而控制模塊在系統(tǒng)中設(shè)定臨界力為不大于200 N，所以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)閉尾門所要克服的阻力已經(jīng)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，尾門關(guān)閉力過大。

3 電動(dòng)尾門關(guān)閉力影響因素分析與試驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

通過分析該車型電動(dòng)尾門系統(tǒng)的組成，對(duì)電動(dòng)尾門關(guān)閉力的影響因素進(jìn)行分析，并通過相應(yīng)的DOE設(shè)計(jì)對(duì)改進(jìn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 影響因素

3.1.1 密封間隙

在本案例中尾門密封間隙標(biāo)準(zhǔn)為（34±3）mm，對(duì)5輛汽車裝配總成后的尾門開口周圍密封間隙進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)位于鎖扣處的密封間隙過小，如圖3中測(cè)量點(diǎn)8所示，實(shí)際值平均在30 mm左右，超出標(biāo)準(zhǔn)下限約1 mm，同時(shí)靠近鎖扣附近的測(cè)量點(diǎn)5，6，7，9的密封間隙也偏下限，甚至個(gè)別車輛的測(cè)量點(diǎn)也超出標(biāo)準(zhǔn)下限。密封間隙的影響因素有鎖扣的位置、鈑金翻邊的尺寸、鈑金的焊接質(zhì)量以及尾門與車身的裝配質(zhì)量。通過三座標(biāo)測(cè)量發(fā)現(xiàn)鎖扣對(duì)應(yīng)處焊接后的鈑金翻邊超出標(biāo)準(zhǔn)1.5 mm左右，其主要原因?yàn)楹附佣ㄎ徊蛔銓?dǎo)致了鈑金翻邊向車后偏移，從而使得尾門下部的密封間隙偏小甚至超差。通過工裝夾具調(diào)整后，焊接精度和尺寸得到了提高，但是發(fā)現(xiàn)鎖扣在X方向的位置對(duì)密封間隙也有著很大的影響。

圖3 汽車電動(dòng)尾門密封間隙測(cè)量結(jié)果

3.1.2 密封條壓縮載荷

尾門在關(guān)閉過程中，密封條與尾門內(nèi)板接觸，持續(xù)受到擠壓變形，產(chǎn)生一個(gè)反向的作用力，從而吸收車門關(guān)閉的能量。密封條對(duì)車門關(guān)閉力的影響取決于密封條材料、體積質(zhì)量、斷面厚度和轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置等[1]。在本例中，尾門密封條的材料為EPDM，壓縮載荷的標(biāo)準(zhǔn)為（7.5±2）N/100 mm，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，實(shí)測(cè)數(shù)值為7.0 N/100 mm，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。但是由于為減少尾門在顛簸路面上X和Y方向的位移，在密封條尾門兩側(cè)各增加了長(zhǎng)度為100 mm，直徑為8 mm的增強(qiáng)條，如圖4所示，測(cè)量該段的壓縮載荷為24.2 N/100 mm。但是由于增強(qiáng)條對(duì)尾門漏水及異響等關(guān)鍵屬性起到了重要作用，因此增強(qiáng)條對(duì)尾門關(guān)閉力的貢獻(xiàn)需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 汽車電動(dòng)尾門密封增強(qiáng)條示意圖

3.1.3 機(jī)構(gòu)件阻力

在本例中，尾門上安裝有2套橡膠緩沖塊，如圖5所示。在尾門完全關(guān)閉的狀態(tài)，橡膠緩沖塊處在被壓縮的狀態(tài)，用以限制尾門在關(guān)閉瞬間產(chǎn)生過位移，同時(shí)也限制了在汽車經(jīng)過顛簸路面時(shí)，尾門在X和Y方向的位移量。

圖5 汽車尾門橡膠緩沖塊

3.1.4 空氣壓力

車門關(guān)閉的過程近似于空腔壓縮過程。假設(shè)汽車駕乘空間內(nèi)的空氣為理想氣體，車門在關(guān)閉壓縮過程中忽略溫度的上升，駕乘空間內(nèi)的空氣質(zhì)量不變，則根據(jù)工程熱力學(xué)理想氣體狀態(tài)方程可得：

在車門關(guān)閉過程中，因空氣壓力變大而產(chǎn)生的空氣阻力（ΔF/N）為：

式中：P0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；

Pi——車門關(guān)閉時(shí)，駕駛室容積空間內(nèi)氣體壓力，Pa；

V0——車門關(guān)閉前，密封條未壓縮時(shí)駕駛室容積空間，m3；

Vi——車門關(guān)閉后，密封條已被壓縮時(shí)駕駛室容積空間，m3；

A——車門的迎風(fēng)面積，m2[2]。

由上述公式可以看出，若要降低ΔF，必須降低Pi-P0。但在車身容積及車門結(jié)構(gòu)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的前提下，只有更改空氣質(zhì)量才能降低Pi。在本例中，車身側(cè)圍兩側(cè)各有2個(gè)膜片結(jié)構(gòu)形式的單向通風(fēng)閥可達(dá)到此目的?？諝庾枇Φ淖兓灰诇y(cè)量，但是可以通過測(cè)試空氣流量的數(shù)值來檢測(cè)實(shí)際情況是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)測(cè)量，本案例駕駛室中的空氣流量為247 L/s，滿足小于250 L/s的標(biāo)準(zhǔn)要求?；谀壳艾F(xiàn)有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如果再提高空氣流量，會(huì)對(duì)整車NVH和漏水等性能產(chǎn)生影響，因此在本例中，不針對(duì)空氣壓力提出改進(jìn)。

3.1.5 其他影響因素

針對(duì)電動(dòng)尾門的特殊性，控制軟件的關(guān)門速度以及ECU對(duì)傳感器中障礙物識(shí)別的閾值設(shè)定也會(huì)對(duì)尾門關(guān)閉力有一定的影響，但是如果提高關(guān)門速度或者障礙物閾值，將會(huì)對(duì)用戶體驗(yàn)產(chǎn)生影響。另外，在理論上尾門鉸鏈的摩擦力、鎖閂和鎖扣的摩擦力等也是影響因素之一，但是在本例中忽略了這些影響因素[3]。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

試驗(yàn)設(shè)計(jì)是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本知識(shí)，合理地安排試驗(yàn)、取得數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行綜合科學(xué)分析，從而盡快獲得最優(yōu)組合方案。在工程領(lǐng)域是改進(jìn)制造過程性能非常重要的手段并有著廣泛的應(yīng)用。基于上面的分析，本例設(shè)計(jì)了4因素2水平的試驗(yàn)來分析降低關(guān)閉力的主次因素和最優(yōu)調(diào)整方案。試驗(yàn)設(shè)計(jì)正交表及測(cè)量結(jié)果，如表1所示。

表1 尾門關(guān)閉力試驗(yàn)設(shè)計(jì)組合表

其中密封條壓縮載荷高值選在8.5 N/100 mm左右；低值在6.5 N/100 mm左右；以汽車前保險(xiǎn)杠最前端的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，車后為正向，則鎖扣向車前調(diào)整到極限相對(duì)中值為-3 mm，向車后調(diào)整到極限為+3 mm，鎖扣的位置就決定了密封間隙的大小；對(duì)于密封條增強(qiáng)條和尾門緩沖塊在試驗(yàn)中則簡(jiǎn)化考慮了2種狀態(tài)，即保留和去除。

本例中通過Minitab軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做出了主效應(yīng)圖和交互作用圖的分析，如圖6和圖7所示。

圖6 尾門關(guān)閉力主效應(yīng)圖

圖7 尾門關(guān)閉力交互作用圖

從圖6可以看出，調(diào)整鎖扣位置和密封條壓縮載荷的高低是影響尾門關(guān)閉力的主要因素，而密封條增強(qiáng)條及尾門緩沖塊的作用并不明顯，為次要因素。如圖7所示，在密封條壓縮載荷較高的情況下，移動(dòng)鎖扣的位置可以帶來最大尾門關(guān)閉力的減小，也就是圖7中第1條斜率最大的虛線，那么可以認(rèn)為在密封膠條老化后，尾門的關(guān)閉力會(huì)有所下降，同時(shí)從第2行的圖形看出，鎖扣位置向車后調(diào)整3 mm，可以推斷如果鎖扣處的密封間隙增大3 mm，關(guān)閉力減少了近50 N，另外，密封條增強(qiáng)條和尾門緩沖塊沒有明顯的交互作用。

通過以上的數(shù)據(jù)測(cè)量與分析，在本例中得出一套實(shí)踐性強(qiáng)且效率高的調(diào)整方案：1）調(diào)整工裝夾具，保證車身焊接質(zhì)量；2）設(shè)計(jì)工裝向后調(diào)整并控制鎖扣位置來釋放密封間隙達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)偏上，同時(shí)兼顧尾門的間隙段差要求；3）降低密封條的壓縮載荷，控制和篩選密封條壓縮載荷值過高的零件，優(yōu)化尾門關(guān)閉力；4）根據(jù)穩(wěn)定后的生產(chǎn)過程，重新標(biāo)定電動(dòng)尾門控制軟件，確保系統(tǒng)相互兼容。

4 結(jié)論

車門關(guān)閉力一直是汽車在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中最為復(fù)雜的系統(tǒng)性問題，文章通過理論與實(shí)踐的結(jié)合，運(yùn)用了質(zhì)量分析工具，對(duì)電動(dòng)尾門關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)反彈和鎖止的問題進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，明確了以調(diào)整鎖扣位置和密封間隙以及降低密封條壓縮載荷為核心的高效改進(jìn)方案，經(jīng)過實(shí)踐的驗(yàn)證，該問題得到了顯著的改善，保證了生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。如今用戶對(duì)于新技術(shù)的體驗(yàn)和要求正在不斷增加，如何保證電動(dòng)尾門系統(tǒng)更加穩(wěn)健，比如扭轉(zhuǎn)路面上電動(dòng)尾門關(guān)閉的問題等將會(huì)成為工程師們繼續(xù)研究和攻克的方向。