黃充,史可朝,史金榮,袁永杰

(1.景德鎮(zhèn)學(xué)院，江西景德鎮(zhèn) 333000；2.江西昌河汽車有限責(zé)任公司，江西景德鎮(zhèn) 333002)

0 引言

目前市場(chǎng)上汽車的尾門舉升系統(tǒng)主要有電動(dòng)尾門系統(tǒng)和氣撐桿舉升系統(tǒng)。氣撐桿舉升系統(tǒng)主要存在以下4個(gè)方面的不足：身材矮小的用戶在使用時(shí)存在尾門開啟太高、關(guān)門不便、關(guān)門費(fèi)勁等問題；行李、物品較多時(shí)，開門不便；夏天溫度較高時(shí)，氣撐桿力值變大，關(guān)門費(fèi)勁；冬天溫度較低時(shí)，氣撐桿力值變小，尾門無法開啟到設(shè)計(jì)位置，存在掉落風(fēng)險(xiǎn)；氣撐桿桿內(nèi)氣體壓力會(huì)隨著時(shí)間而衰減，可靠性相對(duì)較低。特別是大型SUV、MPV車型的尾門一般都質(zhì)量較大，氣撐桿尾門系統(tǒng)的不足之處越加明顯。電動(dòng)尾門系統(tǒng)能夠有效地解決氣撐桿尾門系統(tǒng)的不足，并給消費(fèi)者帶來舒適、便捷的消費(fèi)體驗(yàn)。隨著汽車電動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展，電動(dòng)尾門系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車尾門舉升系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 電動(dòng)尾門系統(tǒng)工作原理

汽車電動(dòng)尾門控制系統(tǒng)主要由電動(dòng)尾門控制器(ECU)、電動(dòng)撐桿、自吸鎖、防夾條、蜂鳴器、尾門內(nèi)外開關(guān)、腳踢傳感器、駕駛艙開關(guān)等組成[1-2]。電動(dòng)尾門控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)與車身控制器、多媒體系統(tǒng)、無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)尾門系統(tǒng)框圖

電動(dòng)尾門系統(tǒng)控制原理如圖2所示，尾門處于關(guān)閉狀態(tài)下，當(dāng)電動(dòng)尾門控制器檢測(cè)到電動(dòng)尾門系統(tǒng)開關(guān)被觸發(fā)后，電動(dòng)尾門ECU檢測(cè)到開啟尾門條件(表1)滿足后，ECU控制門鎖電機(jī)動(dòng)作，當(dāng)檢測(cè)到門鎖全開完成解鎖后，門鎖電機(jī)停止工作，ECU控制電動(dòng)撐桿電機(jī)工作至尾門開啟至設(shè)定高度；尾門處于全開狀態(tài)下，當(dāng)電動(dòng)尾門控制器檢測(cè)到電動(dòng)尾門系統(tǒng)開關(guān)被觸發(fā)后，電動(dòng)尾門ECU檢測(cè)到關(guān)閉尾門條件(表2)滿足后， ECU控制電動(dòng)撐桿電機(jī)工作至檢測(cè)到門鎖電機(jī)處于半鎖狀態(tài)，電動(dòng)撐桿電機(jī)停止工作，ECU驅(qū)動(dòng)門鎖電機(jī)工作，使吸合鎖與鎖扣鎖定，進(jìn)入全鎖狀態(tài)，尾門完全關(guān)閉；尾門處于懸停狀態(tài)下，觸發(fā)駕駛艙和遙控鑰匙時(shí)，尾門按照懸停前的動(dòng)作執(zhí)行，而觸發(fā)開啟(關(guān)閉)開關(guān)時(shí)尾門會(huì)執(zhí)行開啟(關(guān)閉)動(dòng)作；尾門處于運(yùn)行狀態(tài)下，觸發(fā)開關(guān)后，尾門立即懸停[3]。

圖2 電動(dòng)尾門系統(tǒng)控制原理

表1 尾門開啟條件

表2 尾門關(guān)閉條件

2 電動(dòng)尾門系統(tǒng)受力分析

電動(dòng)撐桿一般布置在汽車后流水槽中(背門密封條外側(cè))，雨水、灰塵對(duì)電動(dòng)撐桿性能的影響較大，該安裝位置對(duì)電動(dòng)撐桿的防水、防塵性能要求為IP56[4]。

電動(dòng)尾門系統(tǒng)具備手動(dòng)和電動(dòng)開啟(關(guān)閉)尾門的功能，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證其在懸停區(qū)域內(nèi)能夠正常懸停。手動(dòng)操作力的大小、懸停區(qū)域直接關(guān)系到電動(dòng)撐桿安裝點(diǎn)的選取和電動(dòng)撐桿彈簧、阻尼力、電機(jī)扭矩的匹配與選型。文中主要分析電動(dòng)尾門在懸停區(qū)域內(nèi)的受力情況。

在整車坐標(biāo)系中，電動(dòng)撐桿在Y軸方向的投影如圖3所示，假設(shè)背門在關(guān)閉狀態(tài)下與豎直方向的夾角為α0，背門重心G坐標(biāo)為(XG，YG，ZG)，背門鉸鏈中心O(X0，Y0，Z0)，電動(dòng)撐桿車身安裝點(diǎn)O1(X1，Y1，Z1)，電動(dòng)撐桿背門安裝點(diǎn)O2(X2，Y2，Z2)，手動(dòng)開門位置(XOPEN，YOPEN，ZOPEN)，手動(dòng)關(guān)門位置(XCLOSE，YCLOSE，ZCLOSE)。

圖3 電動(dòng)尾門受力分析

假設(shè)電動(dòng)撐桿彈簧彈性系數(shù)為K，電動(dòng)撐桿在尾門最大開啟角度處的彈簧壓縮量為ΔL0，撐桿最大靜摩擦力為Ff，尾門最大開啟角度為α2。

尾門鉸鏈中心O與撐桿在車身上的安裝點(diǎn)O1之間的距離L1：

(1)

尾門鉸鏈中心O與撐桿在尾門上的安裝點(diǎn)O2之間的距離L2：

(2)

尾門在關(guān)閉狀態(tài)下，尾門鉸鏈中心O與撐桿在尾門上的安裝點(diǎn)O2之間的距離L3：

(3)

撐桿在車身上的安裝點(diǎn)O1與尾門上的安裝點(diǎn)O2相對(duì)與鉸鏈中心之間的夾角β：

(4)

2.1 尾門懸停受力分析

尾門在開啟角度為α1處懸停時(shí)，電動(dòng)撐桿彈簧相對(duì)與尾門最大開啟角度處的壓縮量為ΔL，彈簧彈力FK：

(5)

FK=K(ΔL0+ΔL)

(6)

尾門關(guān)閉時(shí)，彈簧與撐桿阻尼對(duì)尾門的力矩：

(7)

尾門開啟時(shí)，彈簧與撐桿阻尼對(duì)尾門的力矩：

(8)

尾門懸停時(shí)，尾門重力矩MG必須滿足如下條件：

(9)

2.2 尾門操作力分析

2.2.1 尾門手動(dòng)開啟力

假設(shè)尾門開啟時(shí)，開門力的方向始終與力作用點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向相同(開門力有效力臂最大)。

手動(dòng)開啟力FOPEN：

(10)

2.2.2 尾門手動(dòng)關(guān)閉力

假設(shè)尾門關(guān)閉時(shí)，關(guān)門力的方向始終與力作用點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向相同(關(guān)門力有效力臂最大)。

手動(dòng)開啟力FCLOSE：

(11)

2.3 尾門電動(dòng)操作受力分析

電動(dòng)開啟時(shí)，電機(jī)經(jīng)過減速箱的對(duì)尾門的輸出扭矩：

(12)

電動(dòng)關(guān)閉時(shí)，電機(jī)經(jīng)過減速箱的對(duì)尾門的輸出扭矩：

(13)

為保證尾門電動(dòng)開啟/關(guān)閉，撐桿電機(jī)的扭矩ME必須滿足：ME>ME1且ME>ME2。

3 電動(dòng)尾門系統(tǒng)布置校核

電動(dòng)撐桿在車身、背門上的安裝點(diǎn)直接影響到電動(dòng)撐桿的彈簧、電機(jī)、阻尼的選型與匹配。

3.1 布置點(diǎn)位置要求

從汽車Z軸方向上進(jìn)行觀察，尾門在關(guān)閉狀態(tài)下，電動(dòng)撐桿軸線與X軸的夾角φ≤12°，避免電動(dòng)撐桿在Y軸方向的分力過大，導(dǎo)致尾門安裝點(diǎn)強(qiáng)度不夠。

3.2 手動(dòng)操作力要求

尾門手動(dòng)操作力，直接關(guān)系到客戶對(duì)手動(dòng)關(guān)閉尾門的體驗(yàn)，推薦最大關(guān)閉力不大于80 N，初始開啟力不大于100 N。

某車型電動(dòng)尾門手動(dòng)操作力校核結(jié)果如圖4所示，手動(dòng)操作力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 電動(dòng)尾門手動(dòng)操作力

3.3 撐桿安裝力要求

為保證電動(dòng)撐桿的安裝便利性及安裝可靠性，電動(dòng)撐桿球頭的插入力不大于100 N，拔出力不小于800 N。

3.4 電動(dòng)撐桿安裝空間要求

尾門在開關(guān)過程中電動(dòng)撐桿與車身、尾門無干涉，且具有足夠的安全間隙，一般要求8 mm以上。同時(shí)，電動(dòng)撐桿必須有足夠的安裝空間，保證電動(dòng)撐桿的安裝便利性。

3.5 尾門系統(tǒng)懸停區(qū)域校核

電動(dòng)尾門系統(tǒng)的懸停曲線如圖5所示，當(dāng)懸停曲線位于最大靜摩擦力曲線下方時(shí)，尾門處于懸停狀態(tài)。

圖5 懸停曲線

3.6 尾門系統(tǒng)啟閉性能校核

電動(dòng)尾門系統(tǒng)啟閉時(shí)間將直接影響用戶感知體驗(yàn)，需要對(duì)平坡、上坡、下坡的啟閉時(shí)間及撐桿支撐力進(jìn)行校核，如圖6所示為某車型在不同坡度下的啟閉時(shí)間、撐桿支撐力的校核曲線。

圖6 啟閉性能曲線

4 結(jié)束語

文中主要介紹了電動(dòng)尾門系統(tǒng)的工作原理及特性，利用力矩平衡原理，對(duì)電動(dòng)尾門系統(tǒng)的布置進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并結(jié)合工程實(shí)際，給出電動(dòng)尾門系統(tǒng)布置、設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值，為電動(dòng)尾門系統(tǒng)的布置、設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。電動(dòng)尾門系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、布置初期，參考給出的經(jīng)驗(yàn)值，能夠有效地減少設(shè)計(jì)及布置時(shí)間，提高工作效率，避免出現(xiàn)反復(fù)優(yōu)化方案的現(xiàn)象，同時(shí)能夠保證尾門的人機(jī)操作性，為用戶提供更好的使用體驗(yàn)。