汽車電動尾門系統(tǒng)力學(xué)分析與研究*

蔡言龍 薛斌 劉利寶

（1.煙臺霍富汽車鎖有限公司；2.長城汽車股份有限公司）

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與進步，汽車的舒適性和智能性成為各個主機廠的重點研究方向。傳統(tǒng)的汽車尾門系統(tǒng)需要人工操作，不能實現(xiàn)自動閉合，費時費力，越來越不受客戶青睞；而新型電動尾門系統(tǒng)操作簡單、智能化程度高，不僅可以實現(xiàn)自動閉合，而且配合傳感器可以實現(xiàn)“防夾”、“防撞”、“腳踢操控”等功能，備受客戶追捧。目前，相關(guān)學(xué)者和研究人員對電動尾門系統(tǒng)的控制方案和原理、電動撐桿的受力和安裝點等內(nèi)容進行了分析和研究[1-4]，但是對整個尾門系統(tǒng)的力學(xué)分析和研究較少。文章針對某SUV車型電動尾門系統(tǒng)，建立整個系統(tǒng)的力學(xué)模型，并基于MATLAB進行仿真計算，在尾門系統(tǒng)運動過程中，對電動撐桿進行了力學(xué)分析。這一分析對整個電動尾門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置、驅(qū)動方案優(yōu)化具有重要意義，對后續(xù)車型尾門系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)提供有效參考。

1 電動尾門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

汽車電動尾門系統(tǒng)主要由控制單元（ECU）、電動撐桿（驅(qū)動單元）、閉鎖器、鎖扣、傳感器和電子線束等構(gòu)成。圖1所示為某SUV車型電動尾門系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電動尾門系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)示意圖

電動撐桿（驅(qū)動單元）是整個尾門系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件，其作用是連接車身和尾門，是整個電動尾門系統(tǒng)的驅(qū)動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)。圖2所示為電動撐桿結(jié)構(gòu)示意圖，主要由兩端球頭、彈簧、彈簧套管、絲桿、絲桿螺母、絲桿套管、軸承、適配器、減振器、制動器、驅(qū)動器、連接塊、減速器（行星齒輪）、電機、外套管和線束等組成。當(dāng)撐桿接到ECU指令時，電機會通過減速器、連接塊等結(jié)構(gòu)帶動絲桿螺母運動，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為絲桿螺母的直線運動，控制撐桿的伸縮，在彈簧的共同作用下，實現(xiàn)汽車尾門的開啟與閉合。

圖2 電動撐桿結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)力學(xué)模型建立

以SUV汽車電動尾門系統(tǒng)為例進行簡化分析，建立單撐桿汽車尾門系統(tǒng)力學(xué)模型，如圖3所示。在模型建立時對系統(tǒng)相關(guān)條件和參數(shù)做以下假設(shè)：

圖3 單撐桿汽車尾門系統(tǒng)力學(xué)模型圖

1）假設(shè)尾門鉸鏈處和撐桿球頭兩端沒有摩擦；

2）忽略電動撐桿自身重力因素；

3）假設(shè)汽車尾門系統(tǒng)沿整車坐標(biāo)系XZ面左右對稱；

4）假設(shè)尾門系統(tǒng)在開啟、閉合過程中，尾門和撐桿平穩(wěn)運行，無振動，無其他干擾因素。

基于上述假設(shè)，以尾門和車身鉸鏈點為原點（O點），按整車坐標(biāo)系方向建立模型坐標(biāo)：X方向與水平面平行，指向尾門后方；Z方向與水平面垂直，指向上方。將電動撐桿沿模型坐標(biāo)系XZ面進行投影，F(xiàn)'s為電動撐桿在力學(xué)模型中的輸出分力。A點為撐桿球頭與尾門鉸接點，B點為撐桿球頭與車身鉸接點，W點為汽車尾門半側(cè)重心點。G為汽車尾門半側(cè)重心所產(chǎn)生的重力，θ為點A和坐標(biāo)原點O連線與X軸夾角，α為點A和坐標(biāo)原點O連線與點W和坐標(biāo)原點O連線夾角。Mg為重力G對鉸鏈點O產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；Ms為撐桿輸出分力F's對鉸鏈點O產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

考慮車輛停車時還有上坡、下坡等工況，定義車輛停駛路面的坡度角參數(shù)，在力學(xué)模型中將其等效轉(zhuǎn)化為重力方向G與豎直平面的夾角β。另外，根據(jù)實車電動撐桿空間安裝條件，電動撐桿會以鉸接點B為中心，向XZ平面內(nèi)傾斜，定義為撐桿內(nèi)傾角γ，如圖4所示，Z方向與水平面垂直，指向上方；Y方向與X和Z方向垂直，指向駕駛員側(cè)；Fs為電動撐桿的輸出力。

圖4 電動撐桿安裝內(nèi)傾角視圖

根據(jù)力矩平衡原理可知,尾門和車身鉸鏈點O的合力矩為0，即：

尾門重力G對原點O產(chǎn)生的扭矩：

式中：Lg——重力G對原點O產(chǎn)生的力臂。

式中：Lw——尾門重力點W到原點O的距離。

撐桿輸出分力F's對原點O產(chǎn)生的扭矩Ms：

式中：Ls——撐桿與尾門鉸接點A對原點O產(chǎn)生的力臂。

式中：LA——撐桿與尾門鉸接點A到原點O的距離；

Bx，Bz——撐桿與車身鉸接點B在模型下的坐標(biāo)值。

由力學(xué)分析可知，電動撐桿輸出分力F's：

式中：γ——電動撐桿安裝內(nèi)傾角。

公式（1）～（6）組成的數(shù)學(xué)方程組即為單撐桿汽車尾門系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，由此可以推導(dǎo)出電動撐桿輸出力Fs的表達式，如下：

當(dāng)尾門繞鉸鏈點O轉(zhuǎn)動時，即角θ發(fā)生變化時，便可求出電動撐桿的輸出力Fs的值。由公式（7）可知，影響撐桿輸出力的參數(shù)有尾門重力、尾門質(zhì)心點、撐桿車身安裝點、撐桿安裝內(nèi)傾角、停駛路面坡度角等；且撐桿輸出力與尾門重力、尾門質(zhì)心與鉸鏈點的距離、撐桿安裝內(nèi)傾角成正比，與撐桿車身安裝點與鉸鏈點的距離成反比；在安裝條件固定的情況下，電動撐桿的輸出力Fs是單一變量角θ的函數(shù)。

3 基于MATLAB仿真計算

為了方便研究電動尾門系統(tǒng)在開啟和閉合過程中，電動撐桿的輸出力曲線，運用MATLAB仿真軟件，建立單撐桿汽車尾門系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)某SUV車型實車狀態(tài)，設(shè)定尾門系統(tǒng)特性參數(shù)，如表1所示。

表1 某SUV車型電動尾門系統(tǒng)特性參數(shù)

基于MATLAB仿真模型和設(shè)定參數(shù)，分別求解車輛在平坡（0°）、上坡（20°）、下坡（-20°）3種停車工況下，撐桿輸出力Fs與尾門轉(zhuǎn)角θ在開啟和閉合過程中的曲線關(guān)系，如圖5所示。

圖5 3個工況撐桿輸出力曲線圖

通過對撐桿輸出力與尾門轉(zhuǎn)角的曲線關(guān)系圖，可以得出如下結(jié)果：1）尾門在開啟和閉合過程中，上坡、下坡和平坡3種工況，撐桿輸出力與尾門轉(zhuǎn)角均呈非線性關(guān)系，且開啟和閉合曲線變化趨勢都很相近。2）尾門開啟過程：上坡和下坡工況的撐桿的最大輸出力，要大于平坡工況。其中，上坡工況，轉(zhuǎn)角為0°時撐桿輸出力最大，值為50 N；下坡工況，轉(zhuǎn)角為80°時撐桿輸出力最大，值為43 N；平坡工況，轉(zhuǎn)角為70°時撐桿輸出力最大，值為35 N。3）尾門關(guān)閉過程：上坡、下坡和平坡3種工況的撐桿最大輸出力基本相近。其中，上坡工況，轉(zhuǎn)角為80°時撐桿輸出力最大，值為41 N；下坡工況，轉(zhuǎn)角為30°時撐桿輸出力最大，值為43 N；平坡工況，轉(zhuǎn)角為40°時撐桿輸出力最大，值為42 N。

4 結(jié)論

通過建立電動尾門系統(tǒng)力學(xué)模型和基于MATLAB仿真計算，可以分析得出以下結(jié)論：1）電動撐桿輸出力與尾門重力、尾門重心與鉸鏈點的距離、撐桿安裝內(nèi)傾角等參數(shù)成正比，與撐桿車身安裝點與鉸鏈點的距離成反比；2）在撐桿安裝條件固定的情況下，撐桿的輸出力是尾門轉(zhuǎn)角θ的單一變量函數(shù)，且上坡、下坡和平坡3種工況下，均呈非線性關(guān)系；3）尾門開啟過程，撐桿輸出力在上坡和下坡工況下要大于平坡工況，尾門關(guān)閉過程，撐桿輸出力基本相近。基于本課題的研究現(xiàn)狀，進一步可以展開對雪載荷、風(fēng)載荷等工況的理論分析和研究，并增加試驗分析和驗證。