摘要：近年来，我国的汽车行业发展迅速，电动撑杆式汽车电动尾门系统主要包括控制器模块（ECU）、电动撑杆模块、电动吸合锁模块与防夹胶条，各模块通过控制器（ECU）的统一控制实现尾门电动开启与关闭并进行防夹检测。其中电动撑杆的弹簧力设计与电机输出力设计、手动操作尾门的开启与关闭力计算以及电动锁吸合力与尾门系统支撑反力的匹配是电动尾门系统设计的难点，本研究对尾门系统开闭过程建立力学模型，并应用Excel软件的公式编辑功能，输出了上述参数的计算方法。
关键词：电动尾门；电动撑杆；吸合锁；控制器
引言
传统汽车尾门一般是用钥匙直接解锁或者遥控解锁后手动开闭汽车尾门，此过程需要人工下车操作，不免繁琐，并且缺少安全性。随着中国科学技术的迅速发展，汽车发展方向趋向舒适性和智能化，传统汽车尾门复杂的操作方式已不满足人们的需求，所以兼顾操纵性和安全性的智能电动尾门应运而生，它以计算机微处理器为核心，结合电控技术、电机驱动技术，发挥机电一体化的优势，将汽车尾门也带入智能化的范畴，达到省时省力的目的。
1电动尾门的工作原理
电动尾门是驾驶者通过操作后备箱上开关按钮，遥控车钥匙，中控仪表按钮或者尾门相应感应区域，自动开关后备箱门的系统。该系统具有手自一体、智能防夹、紧急停止和高度记忆等功能，为了实现这些功能，文章中电动尾门系统由以下模块组成。1）驱动模块：驱动模块主要由电动撑杆组成，电动撑杆的一端连接在车身上，一端连接在尾门上，撑杆通过内部的电机和齿轮驱动螺母螺杆来实现尾门的开启和闭合。一般电动尾门的电动撑杆分为双边驱动或者是单边驱动。双边驱动则要求行李箱盖两边均安装主动驱动装置，而单边驱动的一边只安装普通的液压撑杆，不具备电机驱动，也即是文章所涉案例。2）控制模块：控制模块一般集成在整车ECU中，作为整个电动尾门的控制大脑，它会通过接收来自外部所有对尾门的开关指令，然后分析和处理外部传感器反馈的信号，对尾门的操作发出相应的指令。3）尾门电动锁模块：该模块是电动尾门关闭和释放的最终执行模块。在尾门关闭的过程中，当固定在车身的锁扣触发尾门锁的微动开关时，锁闩将在内部电机的作用下自动闭合并确保完全锁上尾门。当接收来自尾门按钮、遥控钥匙或者是感应操作的释放指令时，电动锁自动释放，尾门在控制模块和驱动模块的作用下按照标定速度打开到指定高度。
2汽车电动尾门系统的设计研究
2.1电动撑杆机构力值的计算
2.1电动撑杆助力弹簧力值的设计计算与调整
电动撑杆输出力主要由三部分组成：助力弹簧弹力、驱动电机输出力与撑杆系统阻力。其中助力弹簧弹力是电动撑杆输出力中所占比重最大的部分，助力弹簧力值与弹性系数的设计是电动撑杆设计的关键，其力值与弹性系数设计不合理可能导致尾门部分开度区间无法保持悬停，手动开闭操作力大或电动开闭失效的问题出现。在尾门开闭过程中，尾门在开闭角度内的任意位置可以停止并保持，此状态称为悬停，悬停状态下尾门受自身重力与电动撑杆支撑力作用，电动撑杆电机不工作，撑杆输出力为助力弹簧弹力与撑杆系统阻力的合力。如图1所示为尾门在任意角度悬停状态的受力分析，由力矩平衡原理可知保持尾门悬停状态所需的单侧电动撑杆输出力FM为：
式中G为尾门总成的重力，LG为尾门重力以铰链旋转轴为支点的力臂，LS为电动撑杆输出力力臂。
图1尾门悬停状态受力分析
在尾门铰链轴、电动撑杆车身端固定点与尾门端固定点一定的情况下，力臂LG与LS为以尾门开度θ为单一变量的函数；在助力弹簧起始力值与弹性系数一定的情况下，弹簧输出力FS同样为以尾门开度θ为单一变量的函数。应用Excel软件的公式编辑功能，输出以尾门开度θ为单一变量的单侧电动撑杆输出力FM与弹簧力FS随尾门开度θ的变化曲线如图2所示。
图2电撑杆输出力&弹簧力曲线
电动撑杆弹簧力FS与撑杆系统阻力f的合力提供了电动撑杆输出力FM，因此，当尾门在任意开度下保持悬停所需的电动撑杆输出力FM满足（FS-f）<FM<（FS+f）时，即图6中输出力曲线FM位于曲线（FS-f）与（FS+f）之间区域时，尾门可保持悬停状态。在弹簧力值与弹性系数的设计上，应以（FM-FS）最小为设计依据，以增大电动尾门系统在各种工况下的悬停可靠性。
2.2过流保护系统设计
汽车尾门工作环境恶劣，工作电流会随着工况变化，当储备箱中放过多东西时，经常出现夹坏物件的情况或烧毁设备的可能性，本系统设计了过流保护装置，实现智能防夹的功能。热敏电阻对温度特别敏感，在不同温度下显示不同的阻值。在正常的工作电流范围下热敏电阻不影响电路，当电流超过额定电流1.5A时，热敏电阻温度急剧增加，无论单片机是否提供驱动信号，输出端都处于断路状态，防止负荷过大时产生高电流，从而保护了驱动电路及电机。
2.3电动吸合锁吸合力的设计计算
电动尾门系统电动吸合上锁失效是出现频率较高的故障模式，尾门在电动撑杆作用下关闭至半锁状态后，电动撑杆停止动作，由电动吸合锁将尾门从半锁状态吸合至全锁状态，此吸合过程中锁体吸合力需克服尾门密封条阻力、缓冲块阻力、电撑杆支撑力以及气压阻力等系统支撑反力。如图3所示，为尾门吸合过程受力分析，根据力矩平衡原理可得尾门关闭至全锁位置所需吸合力FLATCH为：
式中MACC为尾门密封条阻力、缓冲块阻力、电撑杆阻力以及车厢气压阻力对尾门的支撑力矩，LLATCH为尾门锁吸合力以铰链旋转轴为支点的力臂。在锁体额定吸合力小于需求吸合力FLATCH的情况下，则会出现尾门电动吸合关闭失效的问题，可通过以下两个方案调整解决：（1）适当调整尾门系统密封条以及缓冲块等弹性零件的压缩荷重，以减小需求吸合力FLATCH。（2）调整增大电动吸合锁额定吸合力。此外，设计计算过程中还需考虑整车制造装配公差与零部件制造公差对密封间隙与压缩荷重的影响。
图3尾门电动吸合过程受力分析
2.4密封条压缩载荷
尾门在关闭过程中，密封条与尾门内板接触，持续受到挤压变形，产生一个反向的作用力，从而吸收车门关闭的能量。密封条对车门关闭力的影响取决于密封条材料、体积质量、断面厚度和转折点的位置等。在本例中，尾门密封条的材料为EPDM，压缩载荷的标准为（7.5±2）N/100mm，根据检测报告，实测数值为7.0N/100mm，满足设计标准。但是由于为减少尾门在颠簸路面上X和Y方向的位移，在密封条尾门两侧各增加了长度为100mm，直径为8mm的增强条，如图4所示，测量该段的压缩载荷为24.2N/100mm。但是由于增强条对尾门漏水及异响等关键属性起到了重要作用，因此增强条对尾门关闭力的贡献需要进一步的试验验证。
结语
电动撑杆与电动吸合锁的性能参数与尾门系统的匹配是电动撑杆式电动尾门系统开发的难点，设计不合理将导致车辆尾门出现部分开启角度无法悬停、手动操作力大或电动开闭失效等问题。本文通过理论分析建立了电动撑杆开闭过程与电动吸合锁吸合过程的力学模型，并应用Excel软件的公式编辑功能输出了相关力学曲线，为电撑杆助力弹簧弹力、驱动电机输出力以及吸合锁电机吸合力的设计提供了依据。
参考文献：
[1]张兆民.基于LIN通信的电动尾门系统[J].汽车零部件，2015（10）：48~50.
[2]于波.汽车尾门电动举升机构的设计研究[J].汽车实用技术，2017（18）：16~17.
论文作者:潘花
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/28
标签：撑杆论文; 系统论文; 弹簧论文; 合力论文; 模块论文; 阻力论文; 电机论文; 《基层建设》2018年第35期论文;