孫曉攀 宋明亮

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

1 前言

汽車電動(dòng)側(cè)門因其智能化、科技感、便利性等特點(diǎn)受到年輕消費(fèi)群體的青睞。與傳統(tǒng)車門系統(tǒng)采用機(jī)械限位器使車門在打開狀態(tài)下保持在一定位置不同，電動(dòng)側(cè)門系統(tǒng)利用電動(dòng)執(zhí)行器在開、關(guān)門過程中實(shí)現(xiàn)車門的電動(dòng)開啟、關(guān)閉和保持，電動(dòng)執(zhí)行器與車門上其他電動(dòng)零件如電動(dòng)釋放門鎖、吸合鎖、雷達(dá)傳感器等共同組成電動(dòng)側(cè)門系統(tǒng)。

電動(dòng)門開閉系統(tǒng)在整車上的應(yīng)用很多，如電動(dòng)尾門開閉系統(tǒng)[1]和電動(dòng)滑移門開閉系統(tǒng)[2]，但電動(dòng)尾門和滑移門開閉系統(tǒng)的力學(xué)及控制系統(tǒng)分析僅需考慮車輛縱向坡度對(duì)系統(tǒng)控制產(chǎn)生的影響。同時(shí)，相較于電動(dòng)側(cè)門，電動(dòng)尾門的用戶使用頻次較低，對(duì)手動(dòng)操作力不需過多關(guān)注。電動(dòng)側(cè)門系統(tǒng)開發(fā)既需要考慮車輛縱、橫向坡度對(duì)系統(tǒng)控制的影響，又需考慮車門在任意開啟角度下保持懸停，同時(shí)保證車門在懸停狀態(tài)下用戶手動(dòng)操作時(shí)，車門開閉感良好[3]。因此，分析電動(dòng)側(cè)門系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理并設(shè)計(jì)相應(yīng)的力學(xué)分析模型，對(duì)電動(dòng)門控制模塊的算法開發(fā)十分重要。

本文以某一車型電動(dòng)側(cè)門系統(tǒng)為研究對(duì)象，綜合考慮汽車縱向、橫向坡度及車門開啟角度的影響，建立電動(dòng)側(cè)門懸停工況下的手動(dòng)開、關(guān)門力模型。根據(jù)手動(dòng)操作力仿真結(jié)果確定執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力模型，制定電動(dòng)門控制系統(tǒng)算法開發(fā)策略，最后通過臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

2 電動(dòng)側(cè)門懸停工況分析

2.1 電動(dòng)側(cè)門系統(tǒng)

電動(dòng)側(cè)門系統(tǒng)涉及的零件包括電動(dòng)門執(zhí)行器、電釋放門鎖、吸合鎖、電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）和避障雷達(dá)，如圖1 所示。車門全關(guān)狀態(tài)下，ECU 收到用戶的開門指令，控制電釋放門鎖執(zhí)行釋放動(dòng)作，門鎖釋放完成后，ECU 控制電動(dòng)執(zhí)行器工作撐開車門，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)開門功能。開門過程中如遇障礙物或者收到用戶的停止指令，ECU 控制執(zhí)行器使車門懸停。目前量產(chǎn)車型中配備電動(dòng)側(cè)門的車型較少，且電動(dòng)門故障發(fā)生后，依然需要用戶手動(dòng)開關(guān)門。因此，在電動(dòng)門控制系統(tǒng)開發(fā)的同時(shí)，也需要考慮手動(dòng)操作時(shí)的車門開閉感。這就需要電動(dòng)門滿足手動(dòng)操作模式下的系統(tǒng)要求，如手動(dòng)操作力小于系統(tǒng)要求，車門在任意坡度、任意開啟角度下都能保持懸停。

圖1 電動(dòng)門系統(tǒng)組成

門執(zhí)行器是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)開關(guān)門和懸停功能的核心部件，電動(dòng)門靠電動(dòng)執(zhí)行器或離合器使車門懸停。目前主流的側(cè)門懸停方式分為2種類型，如表1所示。機(jī)械阻尼式懸停系統(tǒng)通過增大執(zhí)行器機(jī)械內(nèi)阻提高門系統(tǒng)的摩擦力使車門保持懸停，完全利用系統(tǒng)的機(jī)械性能實(shí)現(xiàn)懸停功能，但增大執(zhí)行器內(nèi)阻會(huì)增大用戶的手動(dòng)操作力，導(dǎo)致用戶在手動(dòng)開、關(guān)門時(shí)操作力大甚至無法推動(dòng)或拉動(dòng)車門，車門開閉感較差。電子阻尼式懸停系統(tǒng)使用電磁阻尼器實(shí)現(xiàn)懸?；蛑苯涌刂茍?zhí)行器輸出懸停驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)電動(dòng)門進(jìn)行系統(tǒng)性力學(xué)分析，得到懸停狀態(tài)的力學(xué)模型，并進(jìn)行電動(dòng)助力懸停算法的開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)門電動(dòng)助力懸停功能。本文主要針對(duì)電子阻尼式方案進(jìn)行門系統(tǒng)力學(xué)分析及算法模型開發(fā)。

表1 電動(dòng)門懸停方案對(duì)比

2.2 懸停工況分析

如圖2所示為懸停工況下電動(dòng)門受力情況。在不同的開門角度和縱、橫向坡度條件下，重力沿門開關(guān)方向的分力區(qū)別較大，需要執(zhí)行器電機(jī)提供駐坡的動(dòng)力差異較大，因此需要對(duì)懸停工況進(jìn)行分析，考慮縱、橫向坡度及開門角度對(duì)執(zhí)行器提供駐坡驅(qū)動(dòng)力的影響[4]。

圖2 懸停工況下電動(dòng)側(cè)門受力情況

駐坡懸停過程中，電動(dòng)側(cè)門系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力與阻力的關(guān)系為：

式中，M0為重力力矩；M1為執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力矩；M2為系統(tǒng)摩擦力矩。

電動(dòng)門在懸停過程中，M2包括執(zhí)行器機(jī)械內(nèi)阻、鉸鏈摩擦力等形成的力矩。

設(shè)計(jì)狀態(tài)下，取M1=M0，執(zhí)行器輸出力矩與重力矩大小相等，方向相反。

3 重力矩模型

3.1 模型推導(dǎo)

本文以左側(cè)門為例建立分析模型，右側(cè)門模型與左側(cè)門模型主要的區(qū)別是車門質(zhì)量和橫向坡度不同。

首先建立坐標(biāo)系。如圖3所示，O3是鉸鏈軸線上一點(diǎn)，G為車門在全關(guān)狀態(tài)下的重心，將絕對(duì)坐標(biāo)系的原點(diǎn)平移至G點(diǎn)，得到絕對(duì)坐標(biāo)系G-xyz，再將Gxyz旋轉(zhuǎn)，使z軸與鉸鏈軸線平行，得到相對(duì)坐標(biāo)系Gx1y1z1，此時(shí)作出相對(duì)坐標(biāo)系平面x1y1與鉸鏈軸線的交點(diǎn)O，O3O⊥GO。當(dāng)整車的縱、橫向坡度發(fā)生變化時(shí)，可認(rèn)為整車?yán)@絕對(duì)坐標(biāo)系G-xyz的y軸和x軸旋轉(zhuǎn)，此時(shí)O點(diǎn)和O3點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)也會(huì)隨之變化。

圖3 懸停工況下重力分解示意

假設(shè)下坡（鉸鏈軸線前傾）方向?yàn)檎?、右傾（鉸鏈軸線內(nèi)傾）方向?yàn)檎?，車輛水平狀態(tài)下鉸鏈軸線與絕對(duì)坐標(biāo)系z(mì)軸的夾角為γ、內(nèi)傾角為α1、前傾角為β1

[5]，相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系G-xyz，鉸鏈軸線的方向向量為：

因此，相對(duì)于相對(duì)坐標(biāo)系G-x1y1z1，重力方向的方向向量為：

設(shè)重力在x1y1平面的分力為F1，F(xiàn)2為F1沿OG垂直方向的分力，見圖3。設(shè)γ1為F1與y1正方向的夾角，γ2為F1與F2的夾角，θ1為F2與y1正方向的夾角，也等價(jià)于OG與x1的夾角，LF1為F1的方向向量，y1為相對(duì)坐標(biāo)系G-x1y1z1中y1軸的方向向量。當(dāng)車輛前傾角為?β、內(nèi)傾角為?α?xí)r，重力的方向向量LG為：

F1的方向向量LF1為：

將重力分解后，重力矩的表達(dá)式為：

式中，RG為重心G繞鉸鏈軸線的旋轉(zhuǎn)半徑，即重力矩的力臂；m為電動(dòng)側(cè)門系統(tǒng)的質(zhì)量；g為重力加速度；θ2為開門角度。

由于OG⊥OO3，則O點(diǎn)在平面x1y1上，所以O(shè)點(diǎn)在相對(duì)坐標(biāo)系上的縱坐標(biāo)為0，設(shè)O點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)為(x′,y′,0)，O3在相對(duì)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x′,y′,z′)，O3的相對(duì)坐標(biāo)可由絕對(duì)坐標(biāo)系坐標(biāo)經(jīng)過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)得到。

設(shè)水平路面狀態(tài)下，O3的絕對(duì)坐標(biāo)為(x1,y1,z1)，O3點(diǎn)坐標(biāo)為常量，與布置狀態(tài)相關(guān)，當(dāng)車輛在某一坡度下（前傾角為?β、內(nèi)傾角為?α）時(shí)，O3點(diǎn)坐標(biāo)值可通過空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)得到[6]，可看作O3繞x軸旋轉(zhuǎn)?α，再繞y軸旋轉(zhuǎn)?β得到：

式中，p=x1sin(-?β)；q=z1cos(-?β)。

參考坐標(biāo)系G-x1y1z1相對(duì)于絕對(duì)絕對(duì)坐標(biāo)系G-xyz的轉(zhuǎn)換過程可以分解為：

G-xyz繞x軸旋轉(zhuǎn)?α，再繞y軸旋轉(zhuǎn)?β得到G-x1y1z1,O3點(diǎn)在參考坐標(biāo)系G-xyz中的坐標(biāo)為(x2,y2,z2)，在G-x1y1z1坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x′,y′,z′)，根據(jù)以上角度可得旋轉(zhuǎn)矩陣為[7-8]：

其中?β∈[-10°,10°]、?α∈[-5°,5°]、θ2∈[0°,65°]，聯(lián)立式（7）～式（13）即可得到M0和M1。

由于電動(dòng)側(cè)門執(zhí)行器自身總存在一定的內(nèi)阻，需要利用推導(dǎo)出的M0確定在某一坡度下，系統(tǒng)內(nèi)阻是否足以使車門懸停。應(yīng)只針對(duì)需要電動(dòng)助力懸停的坡度施加驅(qū)動(dòng)力，因此需要推導(dǎo)手動(dòng)模式下電動(dòng)門的手動(dòng)開門力和關(guān)門力曲線，如果手動(dòng)開門力小于0，則代表該坡度和開門角度下，系統(tǒng)無法通過自身內(nèi)阻使車門懸停，關(guān)門過程與開門過程相同，不再重復(fù)描述。

設(shè)重力的分力指向車內(nèi)方向?yàn)檎瑒t手動(dòng)開門力矩和手動(dòng)關(guān)門力矩分別為：

式中，F(xiàn)open、Fclose分別為手動(dòng)開門力、手動(dòng)關(guān)門力；L4為測(cè)力點(diǎn)到鉸鏈軸線的距離，即手動(dòng)開、關(guān)門力臂；M2max為系統(tǒng)動(dòng)摩擦力。

M2max為固定值，可通過實(shí)際測(cè)量得到，測(cè)量方法為：將測(cè)試臺(tái)架調(diào)整到使鉸鏈軸線與大地垂直，以使系統(tǒng)重力的方向與鉸鏈軸線平行，以確保重力繞鉸鏈軸線的力矩為0，在車門上取與用戶正常開門位置接近的測(cè)力點(diǎn)，用測(cè)力計(jì)在測(cè)力點(diǎn)處緩慢推動(dòng)車門，得到的穩(wěn)定力值即為系統(tǒng)摩擦力Ff，則有：

3.2 模型結(jié)果分析

電動(dòng)側(cè)門系統(tǒng)布置相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

將表2 中參數(shù)代入分析模型，得到不同坡度工況下的手動(dòng)關(guān)門、手動(dòng)開門操作力曲線分別如圖4、圖5 所示，其中?β分別取-10°、0°、10° 3 個(gè)典型工況，?α在[-5°,5°]范圍內(nèi)取值，開門角度為0°～65°。手動(dòng)關(guān)門力或手動(dòng)開門力小于0，代表當(dāng)前的系統(tǒng)阻力無法使車門保持懸停，需要電動(dòng)助力懸停；若手動(dòng)開門力和手動(dòng)關(guān)門力均大于0，表示在當(dāng)前的縱、橫向坡度條件下，僅依靠系統(tǒng)摩擦力可以使車門懸停在某一開度。由圖4、圖5可以得到以下結(jié)論：

圖4 不同坡度工況下手動(dòng)關(guān)門操作力曲線

圖5 不同坡度工況下手動(dòng)開門操作力曲線

表2 電動(dòng)門系統(tǒng)布置參數(shù)

a.水平路面狀態(tài)下（?β=0°，?α=0°），該系統(tǒng)可以依靠系統(tǒng)摩擦力使車門懸停在任意開啟角度；開門操作力最大值約為35 N，關(guān)門操作力最大值約為22 N，關(guān)門的操作感覺更優(yōu)。

b.最惡劣的手動(dòng)關(guān)門工況條件為?β=10°、?α=-5°，此時(shí)手動(dòng)關(guān)門操作力約為67 N。

c.最惡劣的手動(dòng)開門工況條件為?α=5°，此時(shí)手動(dòng)開門力約為58 N。

根據(jù)開門操作力和關(guān)門操作力曲線可以判斷出某具體工況是否需要執(zhí)行器電動(dòng)助力懸停，再根據(jù)懸停工況下執(zhí)行器輸出力與開門角度的關(guān)系得到某一坡度、某一開門角度工況下，系統(tǒng)所需的懸停工況的電動(dòng)助力目標(biāo)值。不同坡度的懸停工況下執(zhí)行器輸出力與開門角度的關(guān)系如圖6 所示，其中輸出力為負(fù)值代表力的方向指向車內(nèi)，反之指向車外。由圖6 可以看出，縱向坡度變化對(duì)懸停助力的影響較橫向坡度變化小。

圖6 不同坡度的懸停工況下執(zhí)行器輸出力

與開門角度的關(guān)系

3.3 電動(dòng)側(cè)門執(zhí)行器懸停算法策略

電機(jī)輸出力作用點(diǎn)在車門上，力的方向沿滑塊軌跡線方向，同樣可以簡(jiǎn)化力臂在開、關(guān)門過程中的變化，驅(qū)動(dòng)力力臂L3為常量，與執(zhí)行器實(shí)際的布置狀態(tài)相關(guān)，則執(zhí)行器輸出力為：

設(shè)從執(zhí)行器電機(jī)輸出軸到絲杠的減速比為m1，執(zhí)行器機(jī)構(gòu)輸出效率為η1，絲杠的導(dǎo)程為p1，執(zhí)行器電機(jī)輸出扭矩為M5，故有：

根據(jù)電機(jī)的特性曲線可知，執(zhí)行器電機(jī)輸出扭矩M5與電流I成正比，比例系數(shù)為Km，則

聯(lián)立式（19）～式（21）可得到M1與I間的關(guān)系為：

故可得I與M1的總比例系數(shù)為：

本文的目的是將電動(dòng)側(cè)門系統(tǒng)的懸停工況的力學(xué)分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為電動(dòng)門執(zhí)行器對(duì)門系統(tǒng)的輸出驅(qū)動(dòng)電壓，該驅(qū)動(dòng)電壓隨車輛縱、橫向坡度及開、關(guān)門角度的變化而變化。因此本文并不需要針對(duì)執(zhí)行器或執(zhí)行器電機(jī)本身開展電機(jī)動(dòng)態(tài)分析，而是在進(jìn)行算法開發(fā)時(shí)，通過電動(dòng)門臺(tái)架直接標(biāo)定出總比例系數(shù)Kx。以電流I為目標(biāo)值，通過PID算法控制執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到目標(biāo)值I，從而實(shí)現(xiàn)車門系統(tǒng)在任意坡度、任意開門角度下保持懸停。標(biāo)定過程是先將臺(tái)架調(diào)整至較大橫、縱向坡度，逐漸調(diào)整Kx至電動(dòng)門能在任意開啟角度保持懸停，測(cè)量手動(dòng)開門力和手動(dòng)關(guān)門力，再微調(diào)Kx至手動(dòng)開、關(guān)門力與系統(tǒng)摩擦力Ff大小相等，此時(shí)即可認(rèn)為Kx標(biāo)定成功。該控制和標(biāo)定方法簡(jiǎn)單，同時(shí)可以為用戶提供較好的車門開閉感。

4 臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證

本文利用電動(dòng)門臺(tái)架驗(yàn)證手動(dòng)開、關(guān)門操作力及電動(dòng)懸停助力標(biāo)定后的結(jié)果是否符合預(yù)期，如圖7所示。

圖7 電動(dòng)門測(cè)試臺(tái)架

對(duì)于懸停助力工況，通過標(biāo)定Kx得到較為理想的懸停力，該力矩僅平衡重力的分力矩。用戶在手動(dòng)推車門時(shí)僅需要克服系統(tǒng)摩擦力，提升車門開閉感，對(duì)于手動(dòng)操作力，使用測(cè)力計(jì)測(cè)量水平路面條件下的開、關(guān)門手動(dòng)力，與算法模型預(yù)測(cè)結(jié)果相比較進(jìn)行驗(yàn)證，如圖8所示，測(cè)力計(jì)測(cè)量結(jié)果具備一定誤差，但整體的測(cè)量結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)吻合，由此可以說明以上算法模型的準(zhǔn)確性。

圖8 手動(dòng)開關(guān)門力預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語

本文針對(duì)乘用車電動(dòng)側(cè)門系統(tǒng)，根據(jù)電動(dòng)門手動(dòng)模式及懸停狀態(tài)的用戶使用場(chǎng)景，同時(shí)考慮不同縱、橫向坡度工況對(duì)電動(dòng)門系統(tǒng)的影響，進(jìn)行力學(xué)分析及算法模型推導(dǎo)，得到電動(dòng)門手動(dòng)模式的開、關(guān)門力模型，根據(jù)手動(dòng)開、關(guān)門力的范圍確定電動(dòng)懸停助力模型，并利用電動(dòng)門臺(tái)架驗(yàn)證了手動(dòng)開關(guān)門操作力及電動(dòng)懸停助力標(biāo)定結(jié)果，得到以下結(jié)論：

a.水平路面狀態(tài)下電動(dòng)門系統(tǒng)各零件內(nèi)阻及系統(tǒng)摩擦力足以使車門懸停在任意開門角度，且用戶手動(dòng)開關(guān)門力小于35 N，可以滿足用戶日常使用要求。

b.在縱、橫向坡度較大，尤其是縱、橫向坡度耦合的場(chǎng)景下，電動(dòng)門無法在任意開門角度懸停，且該工況下手動(dòng)開關(guān)門力較大，需要電動(dòng)助力才能使車門在任意開門角度下保持懸停。

c.電動(dòng)助力算法開發(fā)中，僅需要對(duì)Kx進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定方法簡(jiǎn)單，并且可使懸停助力值不至于過大或過小，從而提升車門開閉感。

d.模型計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架實(shí)測(cè)結(jié)果一致性較好，從而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。