汽車電動尾門系統布置與校核

黃充,史可朝,史金榮,袁永杰

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

0 引言

目前市場上汽車的尾門舉升系統主要有電動尾門系統和氣撐桿舉升系統。氣撐桿舉升系統主要存在以下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量較大，氣撐桿尾門系統的不足之處越加明顯。電動尾門系統能夠有效地解決氣撐桿尾門系統的不足，并給消費者帶來舒適、便捷的消費體驗。隨著汽車電動化、網絡化、智能化的發展，電動尾門系統已經成為汽車尾門舉升系統的發展趨勢。

1 電動尾門系統工作原理

汽車電動尾門控制系統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網絡與車身控制器、多媒體系統、無鑰匙進入系統進行信息交互，其系統框圖如圖1所示。

圖1 電動尾門系統框圖

電動尾門系統控制原理如圖2所示，尾門處于關閉狀態下，當電動尾門控制器檢測到電動尾門系統開關被觸發后，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；尾門處于全開狀態下，當電動尾門控制器檢測到電動尾門系統開關被觸發后，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，電動撐桿電機停止工作，ECU驅動門鎖電機工作，使吸合鎖與鎖扣鎖定，進入全鎖狀態，尾門完全關閉；尾門處于懸停狀態下，觸發駕駛艙和遙控鑰匙時，尾門按照懸停前的動作執行，而觸發開啟(關閉)開關時尾門會執行開啟(關閉)動作；尾門處于運行狀態下，觸發開關后，尾門立即懸停[3]。

圖2 電動尾門系統控制原理

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)，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域內能夠正常懸停。手動操作力的大小、懸停區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域內的受力情況。

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，電機經過減速箱的對尾門的輸出扭矩：

(12)

電動關閉時，電機經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 尾門系統懸停區域校核

電動尾門系統的懸停曲線如圖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。

圖5 懸停曲線

3.6 尾門系統啟閉性能校核

電動尾門系統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 結束語

文中主要介紹了電動尾門系統的工作原理及特性，利用力矩平衡原理，對電動尾門系統的布置進行了詳細的分析，并結合工程實際，給出電動尾門系統布置、設計的經驗值，為電動尾門系統的布置、設計及優化提供理論基礎。電動尾門系統在設計、布置初期，參考給出的經驗值，能夠有效地減少設計及布置時間，提高工作效率，避免出現反復優化方案的現象，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。