吳越強(qiáng)，趙一杰，徐安生，丁日春

（斯泰必魯斯（江蘇）有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展及電子技術(shù)的成熟穩(wěn)定，汽車電動尾門技術(shù)已經(jīng)被各個主機(jī)廠廣泛應(yīng)用和推廣。由于該電動尾門功能解決了終端消費(fèi)者手動開閉尾門費(fèi)力的困擾，因此越來越被大眾所接受且喜歡。目前市場上常規(guī)的電動尾門執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本都是電動撐桿式，其布置結(jié)構(gòu)與目前的尾門氣彈簧的布置形式相同，拆裝方便，不需要占用過多的流水槽及尾門內(nèi)飾板空間[3]。本文針對目前主流的電動尾門系統(tǒng)技術(shù)方案，不僅從系統(tǒng)功能上進(jìn)行了設(shè)計(jì)，還針對尾門系統(tǒng)的核心部件——電動撐桿進(jìn)行了全方面的設(shè)計(jì)分析，為后續(xù)電動撐桿式電動尾門的設(shè)計(jì)者提供理論依據(jù)。

1 電動尾門系統(tǒng)簡介

1.1 電動尾門系統(tǒng)組成

如圖1所示，電動尾門系統(tǒng)主要由電驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制模塊系統(tǒng)、鎖系統(tǒng)構(gòu)成。若有新增功能便利性及二級保護(hù)需要，還可以加裝腳踢傳感器及防夾條。

圖1 電動尾門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1）電驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)即電動撐桿，通過電撐桿上的球窩與車身及尾門支架上球頭相連接，當(dāng)電撐桿伸展或壓縮時，汽車尾門也做開門或關(guān)門運(yùn)動。

2）控制模塊系統(tǒng)?？刂颇K系統(tǒng)是整個電動尾門系統(tǒng)的大腦，主要以微處理器為核心，包括電動機(jī)驅(qū)動、按鍵信號處理、霍爾信號處理、CAN通信等主要模塊。電動機(jī)驅(qū)動模塊是通過PWM引腳向電動機(jī)傳遞PWM波，電動機(jī)轉(zhuǎn)速也可以通過改變PWM波的占空比來實(shí)現(xiàn)；按鍵信號處理模塊是將按鍵產(chǎn)生的信號處理完成后傳遞到微處理器，微處理器會根據(jù)其信號來控制電撐桿內(nèi)電動機(jī)執(zhí)行相對應(yīng)的動作；霍爾信號處理模塊是微處理器根據(jù)霍爾傳感器傳出的信號進(jìn)行處理，然后檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)速并判斷電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向；CAN通信主要用于與車身BCM進(jìn)行相互通信[5]。

3）鎖系統(tǒng)。電動吸合鎖主要是由吸合電動機(jī)、鎖扣總成、門鎖總成等部件組成。電動鎖為電動尾門的開啟時初始執(zhí)行部分及關(guān)閉時最終執(zhí)行部分。當(dāng)接收到來自遙控鑰匙或尾門開關(guān)按鈕的打開指令時，電動鎖將解鎖，尾門電動撐桿在ECU的作用下按照標(biāo)定的速度將尾門打開到相應(yīng)高度；當(dāng)尾門在關(guān)閉時，其車身上的鎖端口將觸發(fā)尾門上電動門鎖的開關(guān)，鎖內(nèi)電動機(jī)將產(chǎn)生動力以拉動鎖栓自動閉合，并確認(rèn)尾門是否完全落鎖。在尾門將要完全關(guān)閉時，ECU會控制尾門降低速度，其電動吸合鎖將伸出一段距離將其拉回并鎖緊，這樣可降低由快速關(guān)門而造成的噪聲和車身損傷。

1.2 電動尾門系統(tǒng)功能

在電動開啟過程中，尾門控制器ECU發(fā)出尾門解鎖指令，該解鎖信號反饋給ECU確認(rèn)后，電動撐桿做開門動作，同時霍爾傳感器不斷采集電撐桿位置信號及防夾信號，一旦有防夾信號產(chǎn)生，其電動撐桿立即停止作動。當(dāng)開門動作全部完成后，其尾門系統(tǒng)將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)[4]。

在電動關(guān)閉過程中，尾門控制器ECU將直接向電撐桿發(fā)出關(guān)門指令，同時霍爾傳感器不斷采集電撐桿位置信號及防夾信號，一旦有防夾信號產(chǎn)生，電撐桿將停止作動或反向運(yùn)行一段行程。當(dāng)電動尾門關(guān)閉到尾門鎖的半鎖位置時，ECU將收到半鎖信號，并發(fā)出尾門鎖電動吸合命令動作，尾門關(guān)閉至全鎖狀態(tài)，從而完成關(guān)門動作。

電動尾門電動功能如表1所示。

表1 電動尾門功能表

1.3 電動尾門系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)方案

目前電動尾門系統(tǒng)主要有兩種應(yīng)用技術(shù)方案：1）雙側(cè)驅(qū)動。其優(yōu)點(diǎn)是汽車尾門兩側(cè)受力比較均衡，對尾門扭轉(zhuǎn)剛度影響較小，因此對尾門材料不受限制，其尾門兩側(cè)面差間隙也較小，其缺點(diǎn)是成本相對較高。2）單側(cè)驅(qū)動。一側(cè)是電驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，另一側(cè)是氣彈簧或平衡桿，其缺點(diǎn)是尾門兩側(cè)受力容易不均衡，尤其當(dāng)尾門材料為塑料時，尾門扭轉(zhuǎn)變形嚴(yán)重，其單側(cè)驅(qū)動方案將無法適用，優(yōu)點(diǎn)是成本較低。

2 電動撐桿設(shè)計(jì)

2.1 電動撐桿結(jié)構(gòu)

電動撐桿的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由電動機(jī)、齒輪箱、剎車片、絲桿、導(dǎo)向管、機(jī)械彈簧、球窩等部件構(gòu)成。

圖2 電動撐桿結(jié)構(gòu)圖

電動撐桿內(nèi)電動機(jī)收到ECU發(fā)出的指令后進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，輸出動力，通過齒輪箱減速增扭后將力矩傳遞到絲桿端，其絲桿螺母與絲桿發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，由于絲桿總成內(nèi)滾珠軸承的作用及絲桿螺母外輪廓被導(dǎo)向管的內(nèi)輪廓的限位，將其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動，從而推動電撐桿的伸展和壓縮，并在機(jī)械彈簧的作用下，實(shí)現(xiàn)尾門的電動開啟或關(guān)閉[2]。

2.2 電動撐桿周邊間隙檢核

電動撐桿一端的球窩與車身端支架的球頭相匹配，電動撐桿的另一端球窩與尾門上球頭相連，在電動開閉過程中，尾門將以鉸鏈為軸線繞其做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，如圖3所示。電動撐桿布置完成后，需要對邊界間隙進(jìn)行校核，保證其最小距離大于8 mm，避免由于尾門或車身在極限工況下發(fā)生的變形所導(dǎo)致的撐桿與周邊零件的觸碰干涉。

圖3 電動撐桿布置圖

2.3 電動撐桿驅(qū)動輸出力值計(jì)算

根據(jù)圖4所示，尾門重心點(diǎn)在X方向的力臂Rx隨尾門開啟角度變化的公式為

圖4 尾門開閉角度、重心坐標(biāo)、重心力臂示意圖

Rx=Rswp×cos（αcog+α1）。

式中：αcog為尾門重心位置初始角度，α1為尾門開啟角度，Rswp為尾門重心點(diǎn)力臂。

尾門重力及力臂所組成的尾門重力矩隨角度變化的公式為

Tw=Rswp×Rx。

其曲線如圖5所示。

圖5 尾門重力矩隨角度變化示意圖

根據(jù)圖6所示，電動撐桿的驅(qū)動輸出力值公式為

圖6 尾門開閉角度、兩端球頭坐標(biāo)、兩端球頭間相對力臂示意圖

圖7 尾門電撐桿驅(qū)動輸出力值隨角度變化示意圖

Fout=Tw÷Rsp÷Nno.。

式中：Rsp為兩端球頭間相對力臂，Nno.為電動撐桿的數(shù)量。圖6中：α0為尾門關(guān)門位置時的初始角度，α1為尾門開啟角度。

2.4 手動模式下開閉操作力計(jì)算

電動撐桿內(nèi)置機(jī)械彈簧為壓簧，因此在手動開啟尾門過程中，手動操作力和電撐桿的手動輸出力共同克服尾門重力，從而實(shí)現(xiàn)尾門開啟；在手動關(guān)閉尾門過程中，手動操作力與尾門重力共同克服電撐桿的手動輸出力值，從而實(shí)現(xiàn)尾門關(guān)閉。

關(guān)門手力計(jì)算公式為

F關(guān)門手力=（-T撐桿+T尾門重力矩）/R手力操作力臂。

開門手力計(jì)算公式為

F開門手力=（T撐桿-T尾門重力矩）/R手力操作力臂。

電動尾門在全工況下，其手動開閉的最大力值目前設(shè)計(jì)小于120 N，在關(guān)門方向，最大開閉角度時的末端保持設(shè)計(jì)力值大于40 N。若不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值，則可以調(diào)整彈簧力值、絲桿導(dǎo)程、摩擦片轉(zhuǎn)矩、車身及車門端球頭兩端安裝點(diǎn)位置。其尾門手動開閉力值隨角度變化如圖8所示。電動撐桿在壓縮方向的被動力值計(jì)算公式為

圖8 尾門手動開閉力值隨角度變化曲線

F壓縮=L行程×C彈簧系數(shù)+F1彈簧+F電撐桿內(nèi)部摩擦阻力。

電動撐桿在伸展方向的被動力值計(jì)算公式為

F伸展=L行程×C彈簧系數(shù)+F1彈簧-F電撐桿內(nèi)部摩擦阻力。

2.5 電動撐桿內(nèi)部系統(tǒng)摩擦阻力計(jì)算

電動撐桿被動摩擦力值主要由2部分組成：電撐桿內(nèi)部摩擦阻力和機(jī)械彈簧力值。而電動撐桿內(nèi)部摩擦阻力主要有三大影響因子：電動機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩、絲桿導(dǎo)程和剎車片轉(zhuǎn)矩。電動機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩受硅鋼片尺寸和磁鐵材料性能的限制，一般不會調(diào)整電動機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，若電動機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩保持不變，電動撐桿內(nèi)部摩擦阻力的大小可通過選用不同轉(zhuǎn)矩的剎車片總成調(diào)節(jié)，也可通過選用不同規(guī)格的絲桿導(dǎo)程調(diào)節(jié)。對電動撐桿內(nèi)部摩擦阻力大小的調(diào)節(jié)方法及優(yōu)缺點(diǎn)如表2、表3所示[6]。

表2 增大電動撐桿內(nèi)部摩擦阻力的方法

若電動撐桿內(nèi)部不帶剎車片，其內(nèi)部摩擦阻力基本計(jì)算公式為

若電動撐桿內(nèi)部增加剎車片，其內(nèi)部摩擦阻力基本計(jì)算公式為

2.6 電動撐桿內(nèi)機(jī)械彈簧力值設(shè)計(jì)

電動撐桿內(nèi)部機(jī)械彈簧力值在電動撐桿輸出力值中的占比較重，而其彈簧力值與彈簧的彈性系數(shù)是機(jī)械彈簧設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。若力值與彈性系數(shù)設(shè)計(jì)得不準(zhǔn)確或不合理，則有可能會導(dǎo)致尾門在相應(yīng)開度區(qū)域無法保持懸停，手動開門時會出現(xiàn)快速彈起的現(xiàn)象，手動開關(guān)門時的操作力過大，甚至電動撐桿在開閉過程會出現(xiàn)電動機(jī)失效的問題。

懸停的定義是：尾門在開閉過程中，在任意開度位置均可以停止并保持。在懸停狀態(tài)下，電動撐桿的輸出支撐力與尾門自身的重力相互作用，此時電動撐桿內(nèi)電動機(jī)停止工作，電動機(jī)內(nèi)部的齒槽轉(zhuǎn)矩提供摩擦阻力，電動撐桿的輸出力值為機(jī)械彈簧力值與電撐桿內(nèi)部系統(tǒng)摩擦阻力的合力[1]。

當(dāng)電動撐桿的輸出力值在“機(jī)械彈簧力值-撐桿內(nèi)部系統(tǒng)摩擦阻力”與“機(jī)械彈簧力值+撐桿內(nèi)部系統(tǒng)摩擦阻力”之間時，尾門可保持懸停狀態(tài)。

機(jī)械彈簧力值的初始力值與彈性系數(shù)在確定的情況下，彈簧的輸出力值會與尾門的開啟角度成單一變量的函數(shù)。在保證手操作力不過大的基礎(chǔ)上，在調(diào)整機(jī)械彈簧力值與彈性系數(shù)時，應(yīng)盡可能讓“電動撐桿的輸出力值-撐桿內(nèi)部摩擦阻力”最小為設(shè)計(jì)依據(jù)，以便可以使整個電動尾門系統(tǒng)在上下坡、高低溫等各種工況下能滿足懸停的可靠性。

3 結(jié)論

隨著尾門電動功能的廣泛使用，整個尾門電動系統(tǒng)的魯棒性設(shè)計(jì)變得越來越重要。而電動撐桿本身的應(yīng)用設(shè)計(jì)及與控制器ECU的標(biāo)定匹配將會是電動尾門系統(tǒng)的最難點(diǎn)。若設(shè)計(jì)不合理，將導(dǎo)致尾門手動操作力偏大、開啟最大角度無法懸停、自開啟或自關(guān)閉、電流過大、導(dǎo)致電動機(jī)燒蝕失效等問題。本文通過對電動尾門的整體系統(tǒng)功能進(jìn)行了闡述，對電動撐桿的周邊間隙進(jìn)行了校核，提供了電動撐桿驅(qū)動輸出力值及手動模式下操作力值的計(jì)算方法，并且針對電動撐桿系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦阻力及機(jī)械彈簧力值的設(shè)計(jì)分析也提供一定的理論依據(jù)。