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(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展及電子技術(shù)的成熟穩(wěn)定，汽車(chē)電動(dòng)尾門(mén)技術(shù)已經(jīng)被各個(gè)主機(jī)廠廣泛應(yīng)用和推廣。由于該電動(dòng)尾門(mén)功能解決了終端消費(fèi)者手動(dòng)開(kāi)閉尾門(mén)費(fèi)力的困擾，因此越來(lái)越被大眾所接受且喜歡。目前市場(chǎng)上常規(guī)的電動(dòng)尾門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本都是電動(dòng)撐桿式，其布置結(jié)構(gòu)與目前的尾門(mén)氣彈簧的布置形式相同，拆裝方便，不需要占用過(guò)多的流水槽及尾門(mén)內(nèi)飾板空間[3]。本文針對(duì)目前主流的電動(dòng)尾門(mén)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(duì)尾門(mén)系統(tǒng)的核心部件——電動(dòng)撐桿進(jìn)行了全方面的設(shè)計(jì)分析，為后續(xù)電動(dòng)撐桿式電動(dòng)尾門(mén)的設(shè)計(jì)者提供理論依據(jù)。

1 電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)組成

如圖1所示，電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)主要由電驅(qū)動(dòng)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(jí)保護(hù)需要，還可以加裝腳踢傳感器及防夾條。

圖1 電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1）電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)即電動(dòng)撐桿，通過(guò)電撐桿上的球窩與車(chē)身及尾門(mén)支架上球頭相連接，當(dāng)電撐桿伸展或壓縮時(shí)，汽車(chē)尾門(mén)也做開(kāi)門(mén)或關(guān)門(mén)運(yùn)動(dòng)。

2）控制模塊系統(tǒng)?？刂颇K系統(tǒng)是整個(gè)電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)的大腦，主要以微處理器為核心，包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、按鍵信號(hào)處理、霍爾信號(hào)處理、CAN通信等主要模塊。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是通過(guò)PWM引腳向電動(dòng)機(jī)傳遞PWM波，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也可以通過(guò)改變PWM波的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)；按鍵信號(hào)處理模塊是將按鍵產(chǎn)生的信號(hào)處理完成后傳遞到微處理器，微處理器會(huì)根據(jù)其信號(hào)來(lái)控制電撐桿內(nèi)電動(dòng)機(jī)執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作；霍爾信號(hào)處理模塊是微處理器根據(jù)霍爾傳感器傳出的信號(hào)進(jìn)行處理，然后檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并判斷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向；CAN通信主要用于與車(chē)身BCM進(jìn)行相互通信[5]。

3）鎖系統(tǒng)。電動(dòng)吸合鎖主要是由吸合電動(dòng)機(jī)、鎖扣總成、門(mén)鎖總成等部件組成。電動(dòng)鎖為電動(dòng)尾門(mén)的開(kāi)啟時(shí)初始執(zhí)行部分及關(guān)閉時(shí)最終執(zhí)行部分。當(dāng)接收到來(lái)自遙控鑰匙或尾門(mén)開(kāi)關(guān)按鈕的打開(kāi)指令時(shí)，電動(dòng)鎖將解鎖，尾門(mén)電動(dòng)撐桿在ECU的作用下按照標(biāo)定的速度將尾門(mén)打開(kāi)到相應(yīng)高度；當(dāng)尾門(mén)在關(guān)閉時(shí)，其車(chē)身上的鎖端口將觸發(fā)尾門(mén)上電動(dòng)門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)，鎖內(nèi)電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生動(dòng)力以拉動(dòng)鎖栓自動(dòng)閉合，并確認(rèn)尾門(mén)是否完全落鎖。在尾門(mén)將要完全關(guān)閉時(shí)，ECU會(huì)控制尾門(mén)降低速度，其電動(dòng)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(mén)而造成的噪聲和車(chē)身?yè)p傷。

1.2 電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)功能

在電動(dòng)開(kāi)啟過(guò)程中，尾門(mén)控制器ECU發(fā)出尾門(mén)解鎖指令，該解鎖信號(hào)反饋給ECU確認(rèn)后，電動(dòng)撐桿做開(kāi)門(mén)動(dòng)作，同時(shí)霍爾傳感器不斷采集電撐桿位置信號(hào)及防夾信號(hào)，一旦有防夾信號(hào)產(chǎn)生，其電動(dòng)撐桿立即停止作動(dòng)。當(dāng)開(kāi)門(mén)動(dòng)作全部完成后，其尾門(mén)系統(tǒng)將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)[4]。

在電動(dòng)關(guān)閉過(guò)程中，尾門(mén)控制器ECU將直接向電撐桿發(fā)出關(guān)門(mén)指令，同時(shí)霍爾傳感器不斷采集電撐桿位置信號(hào)及防夾信號(hào)，一旦有防夾信號(hào)產(chǎn)生，電撐桿將停止作動(dòng)或反向運(yùn)行一段行程。當(dāng)電動(dòng)尾門(mén)關(guān)閉到尾門(mén)鎖的半鎖位置時(shí)，ECU將收到半鎖信號(hào)，并發(fā)出尾門(mén)鎖電動(dòng)吸合命令動(dòng)作，尾門(mén)關(guān)閉至全鎖狀態(tài)，從而完成關(guān)門(mén)動(dòng)作。

電動(dòng)尾門(mén)電動(dòng)功能如表1所示。

表1 電動(dòng)尾門(mén)功能表

1.3 電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)方案

目前電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)主要有兩種應(yīng)用技術(shù)方案：1）雙側(cè)驅(qū)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是汽車(chē)尾門(mén)兩側(cè)受力比較均衡，對(duì)尾門(mén)扭轉(zhuǎn)剛度影響較小，因此對(duì)尾門(mén)材料不受限制，其尾門(mén)兩側(cè)面差間隙也較小，其缺點(diǎn)是成本相對(duì)較高。2）單側(cè)驅(qū)動(dòng)。一側(cè)是電驅(qū)動(dòng)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(mén)兩側(cè)受力容易不均衡，尤其當(dāng)尾門(mén)材料為塑料時(shí)，尾門(mén)扭轉(zhuǎn)變形嚴(yán)重，其單側(cè)驅(qū)動(dòng)方案將無(wú)法適用，優(yōu)點(diǎn)是成本較低。

2 電動(dòng)撐桿設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)撐桿結(jié)構(gòu)

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

圖2 電動(dòng)撐桿結(jié)構(gòu)圖

電動(dòng)撐桿內(nèi)電動(dòng)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(dòng)力，通過(guò)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)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(mén)的電動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉[2]。

2.2 電動(dòng)撐桿周邊間隙檢核

電動(dòng)撐桿一端的球窩與車(chē)身端支架的球頭相匹配，電動(dòng)撐桿的另一端球窩與尾門(mén)上球頭相連，在電動(dòng)開(kāi)閉過(guò)程中，尾門(mén)將以鉸鏈為軸線繞其做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。電動(dòng)撐桿布置完成后，需要對(duì)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(mén)或車(chē)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(dòng)撐桿布置圖

2.3 電動(dòng)撐桿驅(qū)動(dòng)輸出力值計(jì)算

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

圖4 尾門(mén)開(kāi)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(mén)重心位置初始角度，α1為尾門(mén)開(kāi)啟角度，Rswp為尾門(mén)重心點(diǎn)力臂。

尾門(mén)重力及力臂所組成的尾門(mén)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(mén)重力矩隨角度變化示意圖

根據(jù)圖6所示，電動(dòng)撐桿的驅(qū)動(dòng)輸出力值公式為

圖6 尾門(mén)開(kāi)閉角度、兩端球頭坐標(biāo)、兩端球頭間相對(duì)力臂示意圖

圖7 尾門(mén)電撐桿驅(qū)動(dòng)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(duì)力臂，Nno.為電動(dòng)撐桿的數(shù)量。圖6中：α0為尾門(mén)關(guān)門(mén)位置時(shí)的初始角度，α1為尾門(mén)開(kāi)啟角度。

2.4 手動(dòng)模式下開(kāi)閉操作力計(jì)算

電動(dòng)撐桿內(nèi)置機(jī)械彈簧為壓簧，因此在手動(dòng)開(kāi)啟尾門(mén)過(guò)程中，手動(dòng)操作力和電撐桿的手動(dòng)輸出力共同克服尾門(mén)重力，從而實(shí)現(xiàn)尾門(mén)開(kāi)啟；在手動(dòng)關(guān)閉尾門(mén)過(guò)程中，手動(dòng)操作力與尾門(mén)重力共同克服電撐桿的手動(dòng)輸出力值，從而實(shí)現(xiàn)尾門(mén)關(guān)閉。

關(guān)門(mén)手力計(jì)算公式為

F關(guān)門(mén)手力=（-T撐桿+T尾門(mén)重力矩）/R手力操作力臂。

開(kāi)門(mén)手力計(jì)算公式為

F開(kāi)門(mén)手力=（T撐桿-T尾門(mén)重力矩）/R手力操作力臂。

電動(dòng)尾門(mén)在全工況下，其手動(dòng)開(kāi)閉的最大力值目前設(shè)計(jì)小于120 N，在關(guān)門(mén)方向，最大開(kāi)閉角度時(shí)的末端保持設(shè)計(jì)力值大于40 N。若不滿(mǎn)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(chē)身及車(chē)門(mén)端球頭兩端安裝點(diǎn)位置。其尾門(mén)手動(dòng)開(kāi)閉力值隨角度變化如圖8所示。電動(dòng)撐桿在壓縮方向的被動(dòng)力值計(jì)算公式為

圖8 尾門(mén)手動(dòng)開(kāi)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(dòng)撐桿在伸展方向的被動(dòng)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(dòng)撐桿內(nèi)部系統(tǒng)摩擦阻力計(jì)算

電動(dòng)撐桿被動(dòng)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(dòng)撐桿內(nèi)部摩擦阻力主要有三大影響因子：電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩、絲桿導(dǎo)程和剎車(chē)片轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)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(huì)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，若電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩保持不變，電動(dòng)撐桿內(nèi)部摩擦阻力的大小可通過(guò)選用不同轉(zhuǎn)矩的剎車(chē)片總成調(diào)節(jié)，也可通過(guò)選用不同規(guī)格的絲桿導(dǎo)程調(diào)節(jié)。對(duì)電動(dòng)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(dòng)撐桿內(nèi)部摩擦阻力的方法

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

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

2.6 電動(dòng)撐桿內(nèi)機(jī)械彈簧力值設(shè)計(jì)

電動(dòng)撐桿內(nèi)部機(jī)械彈簧力值在電動(dòng)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(huì)導(dǎo)致尾門(mén)在相應(yīng)開(kāi)度區(qū)域無(wú)法保持懸停，手動(dòng)開(kāi)門(mén)時(shí)會(huì)出現(xiàn)快速?gòu)椘鸬默F(xiàn)象，手動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)的操作力過(guò)大，甚至電動(dòng)撐桿在開(kāi)閉過(guò)程會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)失效的問(wèn)題。

懸停的定義是：尾門(mén)在開(kāi)閉過(guò)程中，在任意開(kāi)度位置均可以停止并保持。在懸停狀態(tài)下，電動(dòng)撐桿的輸出支撐力與尾門(mén)自身的重力相互作用，此時(shí)電動(dòng)撐桿內(nèi)電動(dòng)機(jī)停止工作，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的齒槽轉(zhuǎn)矩提供摩擦阻力，電動(dòng)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(dòng)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(shí)，尾門(mén)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(huì)與尾門(mén)的開(kāi)啟角度成單一變量的函數(shù)。在保證手操作力不過(guò)大的基礎(chǔ)上，在調(diào)整機(jī)械彈簧力值與彈性系數(shù)時(shí)，應(yīng)盡可能讓“電動(dòng)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(gè)電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)在上下坡、高低溫等各種工況下能滿(mǎn)足懸停的可靠性。

3 結(jié)論

隨著尾門(mén)電動(dòng)功能的廣泛使用，整個(gè)尾門(mén)電動(dòng)系統(tǒng)的魯棒性設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要。而電動(dòng)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(huì)是電動(dòng)尾門(mén)系統(tǒng)的最難點(diǎn)。若設(shè)計(jì)不合理，將導(dǎo)致尾門(mén)手動(dòng)操作力偏大、開(kāi)啟最大角度無(wú)法懸停、自開(kāi)啟或自關(guān)閉、電流過(guò)大、導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒蝕失效等問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)尾門(mén)的整體系統(tǒng)功能進(jìn)行了闡述，對(duì)電動(dòng)撐桿的周邊間隙進(jìn)行了校核，提供了電動(dòng)撐桿驅(qū)動(dòng)輸出力值及手動(dòng)模式下操作力值的計(jì)算方法，并且針對(duì)電動(dòng)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)。