柳宇

重慶海德世拉索系統(tǒng)（集團(tuán)）有限公司 重慶 401120

近年來，隨著汽車業(yè)科技的快速發(fā)展，汽車變得越來越智能化、人性化。隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)汽車的舒適性要求越來越高。為了滿足人們的需求，一些智能化、人性化技術(shù)不斷被運(yùn)用在汽車制造上，使汽車的操控逐漸由傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮涌刂频臋C(jī)電一體化系統(tǒng)，在很大程度上提高了駕駛?cè)藛T的舒適性。由于SUV車身比較龐大，背門比一般的轎車要重，如果通過人工開啟、關(guān)閉背門，操作會(huì)變得很不方便，因此多數(shù)SUV汽車都配備了電動(dòng)背門系統(tǒng)。一些學(xué)者對(duì)電動(dòng)背門系統(tǒng)進(jìn)行了研究。構(gòu)建了撐桿式電動(dòng)背門系統(tǒng)開閉過程的輸出力模型，簡化了背門電動(dòng)開閉可行性的校核過程，但沒有對(duì)開閉過程中撐桿的受力進(jìn)行詳細(xì)分析[1]。

1 電動(dòng)背門系統(tǒng)工作原理

汽車電動(dòng)背門控制系統(tǒng)由控制器（ECU）、撐桿、自動(dòng)吸合鎖、防夾膠條、蜂鳴器、開關(guān)單元和腳踢傳感器等模塊構(gòu)成，電動(dòng)撐桿是電動(dòng)背門系統(tǒng)的重要組成部分之一，由滑動(dòng)套筒、固定套筒、機(jī)械助力彈簧、電機(jī)、齒輪減速箱、導(dǎo)向螺母、螺桿和彈簧導(dǎo)向套等主要部件組成，當(dāng)ECU收到開門指令時(shí)，控制撐桿的電機(jī)開始工作，電機(jī)通過齒輪減速箱減速后帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過螺桿與導(dǎo)向螺母的配合將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)向螺母的軸向直線運(yùn)動(dòng)，電機(jī)正轉(zhuǎn)使撐桿伸長，背門漸漸開啟。在開啟過程中，電機(jī)輸出力和撐桿內(nèi)的機(jī)械助力彈簧彈力共同克服背門的重力，使背門開啟。當(dāng)ECU接到關(guān)門指令時(shí)，控制撐桿的電機(jī)反轉(zhuǎn)，撐桿收縮變短，背門漸漸閉合。在閉合過程中，電機(jī)的拉力和背門的重力共同克服機(jī)械助力彈簧的彈力，使背門閉合[2]。

2 電動(dòng)背門撐桿受力分析

2.1 撐桿安裝點(diǎn)受力理論分析

由某車型的參數(shù)可知，背門的質(zhì)量為33kg，每根撐桿的質(zhì)量約為1.0kg。為了便于分析撐桿安裝點(diǎn)的受力情況，需要對(duì)電動(dòng)背門系統(tǒng)做簡化處理，去除Y軸方向上的分力，使之簡化為二維平面受力系統(tǒng)。上下安裝點(diǎn)處產(chǎn)生的摩擦力很小，可以忽略不計(jì)。背門的機(jī)械機(jī)構(gòu)是左右對(duì)稱的，因此只需分析背門單側(cè)撐桿受力情況。以背門鉸鏈中心O點(diǎn)為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，背門繞O點(diǎn)做定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，以背門重心到O點(diǎn)的距離為半徑作圓弧，根據(jù)背門的全閉位置和全開位置可以確定為背門重心的運(yùn)動(dòng)軌跡。A點(diǎn)為電動(dòng)撐桿與車身的安裝點(diǎn)，C點(diǎn)為電動(dòng)撐桿與背門的安裝點(diǎn)，弧為背門安裝點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。撐桿電機(jī)工作時(shí)，控制沿AC方向的撐桿出力F2的大小。在F2的作用下，撐桿繞A點(diǎn)做定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行伸長或壓縮[3]。

2.2 基于ADAMS的撐桿安裝點(diǎn)受力分析

在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，由于背門的模型比較復(fù)雜，需要對(duì)電動(dòng)背門系統(tǒng)做簡化處理。簡化時(shí)可以先利用CAD軟件測量出各構(gòu)件重心、安裝點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)以及各構(gòu)件的質(zhì)量，把測得的坐標(biāo)信息導(dǎo)入ADAMS中，創(chuàng)建規(guī)則的連桿系統(tǒng)。

3 電動(dòng)撐桿電機(jī)輸出力分析

電動(dòng)撐桿的輸出力包括三部分，即內(nèi)置電機(jī)的輸出力、機(jī)械助力彈簧的彈力和撐桿系統(tǒng)的阻力。電機(jī)的輸出力需要通過齒輪減速箱減速增扭，再通過螺桿與導(dǎo)向螺母轉(zhuǎn)換為軸向輸出力。若電機(jī)的輸出力分配過大，此時(shí)電機(jī)工作電流較大，導(dǎo)致電機(jī)工作效率降低、齒輪減速箱壽命減短，因此機(jī)械助力彈簧彈力是電動(dòng)撐桿的主要輸出力，電機(jī)輸出力的主要作用是在整個(gè)背門系統(tǒng)中調(diào)節(jié)撐桿出力F2的大小，使撐桿力矩略大于或略小于背門重力矩，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)開門或電動(dòng)關(guān)門。機(jī)械助力彈簧的設(shè)計(jì)和其彈性系數(shù)的選擇是確定電動(dòng)撐桿輸出力的關(guān)鍵，機(jī)械助力彈簧的彈力值與彈性系數(shù)設(shè)計(jì)是否合理直接影響到電動(dòng)背門的正常開閉。

4 電動(dòng)撐桿靜力學(xué)分析及強(qiáng)度校核

電動(dòng)背門系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中，理論上撐桿自身出力、背門重力轉(zhuǎn)換到撐桿上的壓力二者方向均為撐桿軸線方向，不會(huì)使撐桿產(chǎn)生徑向變形，但因?yàn)閾螚U重力、撐桿內(nèi)部零件配合同軸度偏差和人為外力等因素會(huì)使電動(dòng)撐桿受到一定的徑向負(fù)載，因此有必要對(duì)撐桿受徑向負(fù)載后的變形進(jìn)行定量、準(zhǔn)確的分析，以確保電動(dòng)撐桿的工作過程穩(wěn)定、可靠。當(dāng)背門處于全開位置時(shí)，撐桿長度最長，此時(shí)若進(jìn)行手動(dòng)關(guān)門，撐桿受徑向負(fù)載后變形最大。因此需對(duì)撐桿全開位置狀態(tài)進(jìn)行CAE分析，保證在該情況下受力后滿足形變要求。在固定套筒中部增加臺(tái)階面后，通過CAE分析發(fā)現(xiàn)，該臺(tái)階能夠有效的減小固定套筒受徑向負(fù)載后的形變量，能夠有效的增加電動(dòng)撐桿的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

電動(dòng)背門的應(yīng)用方便了乘客開關(guān)背門，提高了用車的舒適度。通過分析汽車電動(dòng)背門撐桿安裝點(diǎn)的受力情況，運(yùn)用ADAMS軟件簡化了電動(dòng)背門的力學(xué)模型，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，得出了撐桿安裝點(diǎn)處的受力曲線。結(jié)合力學(xué)模型和仿真結(jié)果，得出了所需撐桿內(nèi)置電機(jī)的輸出力曲線、計(jì)算出機(jī)械助力彈簧的彈力和彈性系數(shù)，得出了撐桿安裝點(diǎn)在背門不同開啟角度時(shí)的受力情況。運(yùn)用ANSYS軟件分析和優(yōu)化了電動(dòng)撐桿運(yùn)動(dòng)過程中受到徑向負(fù)載時(shí)的變形情況，使電動(dòng)撐桿在運(yùn)動(dòng)過程中受力更加合理和可靠。