黃充,史可朝,史金榮,袁永杰

(1.景德鎮(zhèn)學院，江西景德鎮(zhèn) 333000；2.江西昌河汽車有限責任公司，江西景德鎮(zhèn) 333002)

0 引言

目前市場上汽車的尾門舉升系統(tǒng)主要有電動尾門系統(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個方面的不足：身材矮小的用戶在使用時存在尾門開啟太高、關門不便、關門費勁等問題；行李、物品較多時，開門不便；夏天溫度較高時，氣撐桿力值變大，關門費勁；冬天溫度較低時，氣撐桿力值變小，尾門無法開啟到設計位置，存在掉落風險；氣撐桿桿內(nèi)氣體壓力會隨著時間而衰減，可靠性相對較低。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，并給消費者帶來舒適、便捷的消費體驗。隨著汽車電動化、網(wǎng)絡化、智能化的發(fā)展，電動尾門系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車尾門舉升系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 電動尾門系統(tǒng)工作原理

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

圖1 電動尾門系統(tǒng)框圖

電動尾門系統(tǒng)控制原理如圖2所示，尾門處于關閉狀態(tài)下，當電動尾門控制器檢測到電動尾門系統(tǒng)開關被觸發(fā)后，電動尾門ECU檢測到開啟尾門條件(表1)滿足后，ECU控制門鎖電機動作，當檢測到門鎖全開完成解鎖后，門鎖電機停止工作，ECU控制電動撐桿電機工作至尾門開啟至設定高度；尾門處于全開狀態(tài)下，當電動尾門控制器檢測到電動尾門系統(tǒng)開關被觸發(fā)后，電動尾門ECU檢測到關閉尾門條件(表2)滿足后， ECU控制電動撐桿電機工作至檢測到門鎖電機處于半鎖狀態(tài)，電動撐桿電機停止工作，ECU驅(qū)動門鎖電機工作，使吸合鎖與鎖扣鎖定，進入全鎖狀態(tài)，尾門完全關閉；尾門處于懸停狀態(tài)下，觸發(fā)駕駛艙和遙控鑰匙時，尾門按照懸停前的動作執(zhí)行，而觸發(fā)開啟(關閉)開關時尾門會執(zhí)行開啟(關閉)動作；尾門處于運行狀態(tài)下，觸發(fā)開關后，尾門立即懸停[3]。

圖2 電動尾門系統(tǒng)控制原理

表1 尾門開啟條件

表2 尾門關閉條件

2 電動尾門系統(tǒng)受力分析

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

電動尾門系統(tǒng)具備手動和電動開啟(關閉)尾門的功能，同時在設計時應保證其在懸停區(qū)域內(nèi)能夠正常懸停。手動操作力的大小、懸停區(qū)域直接關系到電動撐桿安裝點的選取和電動撐桿彈簧、阻尼力、電機扭矩的匹配與選型。文中主要分析電動尾門在懸停區(qū)域內(nèi)的受力情況。

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

圖3 電動尾門受力分析

假設電動撐桿彈簧彈性系數(shù)為K，電動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O2之間的距離L2：

(2)

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

(3)

撐桿在車身上的安裝點O1與尾門上的安裝點O2相對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，電動撐桿彈簧相對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)

尾門關閉時，彈簧與撐桿阻尼對尾門的力矩：

(7)

尾門開啟時，彈簧與撐桿阻尼對尾門的力矩：

(8)

尾門懸停時，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 尾門手動開啟力

假設尾門開啟時，開門力的方向始終與力作用點的運動方向相同(開門力有效力臂最大)。

手動開啟力FOPEN：

(10)

2.2.2 尾門手動關閉力

假設尾門關閉時，關門力的方向始終與力作用點的運動方向相同(關門力有效力臂最大)。

手動開啟力FCLOSE：

(11)

2.3 尾門電動操作受力分析

電動開啟時，電機經(jīng)過減速箱的對尾門的輸出扭矩：

(12)

電動關閉時，電機經(jīng)過減速箱的對尾門的輸出扭矩：

(13)

為保證尾門電動開啟/關閉，撐桿電機的扭矩ME必須滿足：ME>ME1且ME>ME2。

3 電動尾門系統(tǒng)布置校核

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

3.1 布置點位置要求

從汽車Z軸方向上進行觀察，尾門在關閉狀態(tài)下，電動撐桿軸線與X軸的夾角φ≤12°，避免電動撐桿在Y軸方向的分力過大，導致尾門安裝點強度不夠。

3.2 手動操作力要求

尾門手動操作力，直接關系到客戶對手動關閉尾門的體驗，推薦最大關閉力不大于80 N，初始開啟力不大于100 N。

某車型電動尾門手動操作力校核結(jié)果如圖4所示，手動操作力滿足設計要求。

圖4 電動尾門手動操作力

3.3 撐桿安裝力要求

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

3.4 電動撐桿安裝空間要求

尾門在開關過程中電動撐桿與車身、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，電動撐桿必須有足夠的安裝空間，保證電動撐桿的安裝便利性。

3.5 尾門系統(tǒng)懸停區(qū)域校核

電動尾門系統(tǒng)的懸停曲線如圖5所示，當懸停曲線位于最大靜摩擦力曲線下方時，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

電動尾門系統(tǒng)啟閉時間將直接影響用戶感知體驗，需要對平坡、上坡、下坡的啟閉時間及撐桿支撐力進行校核，如圖6所示為某車型在不同坡度下的啟閉時間、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尾門系統(tǒng)的工作原理及特性，利用力矩平衡原理，對電動尾門系統(tǒng)的布置進行了詳細的分析，并結(jié)合工程實際，給出電動尾門系統(tǒng)布置、設計的經(jīng)驗值，為電動尾門系統(tǒng)的布置、設計及優(yōu)化提供理論基礎。電動尾門系統(tǒng)在設計、布置初期，參考給出的經(jīng)驗值，能夠有效地減少設計及布置時間，提高工作效率，避免出現(xiàn)反復優(yōu)化方案的現(xiàn)象，同時能夠保證尾門的人機操作性，為用戶提供更好的使用體驗。