防水破冰結構設計在電動滑門上的應用

賴" "楠

畢業(yè)于南京航空航天大學，本科學歷，現就職于比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院，任車身部平臺經理，主要從事整車車身設計開發(fā)工作，是上車體外觀提升及結構設計，電動滑動門系統(tǒng)專家。

摘" 要：本文介紹電動滑門的應用優(yōu)勢，闡述電動滑門的組成及運行原理。結合市場因零部件結冰所產生的質量問題，分析水流和結冰現象對電動滑門系統(tǒng)功能的影響。針對水流及結冰現象所產生的問題，研究電動滑門零部件的防水（防冰凍）及破冰結構的特點。通過水流仿真分析及破冰受力分析，確認防水（防冰凍）及破冰結構設計的可行性，再通過對電動滑門進行實車冰凍試驗，驗證應用的可行性;根據設計分析及試驗驗證得出此防水（防冰凍）及破冰結構值得推廣應用。

關鍵詞：電動滑門;防水;破冰結構;冰凍試驗

中圖分類號：U463.83" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2022）04-0044-09

Application of Waterproof Ice Breaking Structure Design on Power-Slide-Door （PSD）

LAI Nan， QIU Jie， ZHOU Jia-peng， HE Wei

（ BYD Auto Industry Company Limited， Shenzhen 518118， China ）

Abstract： This article introduces the application of Power-Slide-Door （PSD）， and explains the composition and operating principles of PSD. Combing with the quality problems caused by the icing of parts and components in the market， it analyzes the influence of water flow and icing phenomenon on the function of PSD. In view of the problems caused by the water flow and icing phenomenon， it studies the characteristics of the waterproof （anti-icing） and ice breaking structure of PSD. Through water flow simulation analysis and ice-breaking force analysis， the feasibility of the waterproof （anti-icing） and ice-breaking structure design is confirmed; then we conduct a real-vehicle freezing test on the PSD to verify the feasibility of real-vehicle application. It is verified that this waterproof （anti-icing） and ice-breaking structure is worthy of popularization and application according to the design analysis and experimental verification.

Key Words： Power Slide Door; Waterproof; Ice Breaking Structure; Freezing Test

前" " 言

隨著汽車設計及制造水平的提高，客戶對汽車的要求也在不斷提高，不僅對汽車安全性和外觀有更高的要求，對汽車的操作舒適性和駕乘舒適性也越來越重視。電動滑門開口較大，幾乎不需要過多的開門空間，在狹窄空間內用戶也能非常方便的上下車。電動滑門開關僅需輕輕拉動把手或者操作開關，便能很順暢的進行開關門，即使在坡道上，用戶也不會不需要較大的開關門操作力，很大程度的提高了用戶的操作舒適性。同時，滑門的電動功能讓用戶體驗到科技感和尊貴感，從而提升用戶的駕乘體驗。

我國幅員遼闊，南北地區(qū)溫差較大，北方地區(qū)較多時候氣溫處于零攝氏度以下，特別是進入冬季，市場上因零部件結冰而導致車門無法正常開啟的問題時有發(fā)生，這類問題主要是車輛在低溫雨雪天氣或者洗車工況下，零部件內部的積水結冰而導致。此類工況對滑門的電動開關功能帶來較大的考驗，因此，電動滑門各零部件的防水（防冰凍）及破冰結構必不可少，通過這些結構來杜絕電動滑門零部件在低溫環(huán)境下被凍住的問題，從而保障電動滑門的功能正常。

1" " 電動滑門系統(tǒng)簡介

1.1" "電動滑門系統(tǒng)的組成及運行原理簡述

電動滑門一般由門鎖系統(tǒng)（如圖2）、滑門驅動機構、系統(tǒng)控制模塊（ECU）、滑輪導軌（如圖3）、防夾裝置等組成。

電動滑門的基本運行原理是在滿足滑門運行的控制邏輯條件下，通過操作把手、開關、遙控鑰匙等信號，ECU識別開關門信號控制電動后鎖及驅動機構的電機運行，驅動機構電機通過電磁離合器與拉線圓筒實現動力傳輸，圓筒纏繞的拉線兩端分別固定在中導軌兩端，如圖4，ECU識別開關門信號而控制驅動機構電機的正反轉，從而實現滑門沿導軌的電動開關門動作。

電動滑門開門過程概括為：滑門ECU接收滑門開門信號→后鎖電動拉線連接中轉組件執(zhí)行解鎖動作→中轉組件連接前鎖、后鎖、全開限位鎖解鎖拉線進行解鎖→后鎖解鎖信號傳遞滑門ECU→驅動機構運行，驅動機構拉線帶動滑門進行開門動作。

電動滑門關門過程概括為：滑門ECU接收滑門關門信號→后鎖電動拉線連接中轉組件執(zhí)行解鎖動作→中轉組件連接前鎖、后鎖、全開限位鎖解鎖拉線進行解鎖→滑門ECU識別滑門位置→驅動機構運行，驅動機構拉線帶動滑門進行關門動作。

1.2" "電動滑門系統(tǒng)水流路徑分析

電動滑門零件主要分布于車外（如滑輪、導軌、全開限位鎖、驅動機構部分零件）、車內（如驅動電機、ECU、中轉組件及部分拉索）和車門空腔內（如前鎖、后鎖及部分驅動機構零件和拉索）。

車內部分零件不需考慮結冰問題，因為正常使用工況車內是不允許進水的。

車門空腔內零部件其水流基本是通過玻璃與呢槽之間，玻璃與水切之間從上而下流入。

車外部門的水流則可能從各個方向進入。

1.3" "滑輪、導軌排水及防水結構設計及原理

滑輪為密封軸承類零件，此項不再闡述。

導軌通過設計截面開口向下，且在截面內避免可能存水的結構特征，經過的水流可直接排走，如圖5、圖6、圖7，因此導軌不存在內部結冰的風險。

1.4" "鎖系統(tǒng)所處環(huán)境及防水、排水結構設計原理

1.4.1 前鎖

前鎖防水結構設計簡述：

a、鎖體外部設計防水罩，防止水流直接沖刷鎖體，避免水流大量經過鎖體結構，防水罩如圖8所示：

b、鎖體解鎖拉線走線方向設計與水平面（車身坐標XY平面）呈一定夾角，約15°;避免水流通過拉線護管端頭進入拉線護管內部，而在拉線護管內部形成積水，如圖9所示：

c、鎖體解鎖拉線護管頭部設計防水膠套，隔絕水流進入拉線護管內部，如圖10所示：

1.4.2 后鎖

后鎖裝配于滑門內板與外板的空腔內，且整體位于玻璃及呢槽以內，此位置水流不會直接沖刷，但不可避免在洗車等惡劣工況下的的雨水飛濺。

后鎖防水結構設計簡述：

a、鎖體外部設計防水罩（如圖11所示），避免飛濺的雨水直接淋在鎖體上;同時防水罩及鎖體底部設計鏤空，避免濺入鎖體內部的水分形成積水（如圖12所示）。

b、鎖體解鎖拉線和電動拉線走線方向設計與水平面（車身坐標XY平面）呈一定夾角，避免水流通過拉線護管端頭進入拉線護管內部，而在拉線護管內部形成積水，如圖13所示：

1.4.3 全開限位鎖

全開限位鎖安裝于滑門下滑輪總成底部，上面被滑輪總成覆蓋，從上往下的雨水基本進入不了全開限位鎖內部（如圖14所示）。

在車輛涉水或者通過泥水路面時可能會有泥水從底部飛濺到全開限位鎖內部。如果水量不能隔絕或者及時排出，在低溫環(huán)境下結冰則可能導致全開限位鎖體內部結構凍住而無法解閉鎖，從而使得滑門電動開關門功能失效。

全開限位鎖防水結構設計簡述：

a、全開限位鎖體底板設計有鏤空結構（如圖15所示），避免飛濺的水分在鎖體內部聚集。

b、解鎖拉線護管端頭設計防水膠套，隔絕水流進入拉線護管（如圖16所示）。

c、全開限位鎖體鎖舌與鎖止臂結構布置靠鎖體蓋板一側，鎖舌與鎖體底板設計間隙4.8mm，避免鎖舌與底板之間形成積水，如圖17所示。

1.5" "驅動機構防水、排水和破冰結構設計原理

滑門驅動機構主體裝配于滑門內板上且位于車內側，驅動機構拉線通過滑門內板空腔穿出，驅動機構拉線導向盒裝配于滑門中滑輪總成上（如圖18所示），驅動機構拉線兩端分別固定于滑門中導軌兩端附近（如圖19所示）。

驅動機構防水結構設計簡述：

驅動機構拉線在從車外進入滑門內部的位置設計有防水膠套（如圖20所示），隔絕拉索運行過程中將水分帶入乘員艙內，避免水分進入內部聚集在驅動機構主體部分形成積水。

驅動機構排水結構設計簡述：

驅動機構拉線導向盒底部設計導水空間，同時設計排水槽（如圖21所示），將通過拉線進出口位置進入的雨水和拉線運行過程中帶進導向盒的水分通過底部排出，避免水量在拉線導向盒內部聚集形成積水。

驅動機構拉線盒破冰結構簡述：

驅動機構拉線導向盒內部設計凸起特征（如圖22、圖23、圖24所示），此凸起特征即為破冰結構，凸起特征破冰方向與導向輪運行方向相反;在雙導向輪位置，兩個導向輪運行方向相反，故破冰結構特征方向相反;驅動機構在開門動作時（結合實際使用情況，正常使用工況車輛不會長時間處于開門狀態(tài)，故結冰現象可能出現在門關閉狀態(tài)下，故破冰結構主要作用于開門動作），驅動拉線沿圖示箭頭方向運動帶動滑輪運行，凸起特征起到破冰作用。

破冰之后的碎屑可通過導向盒底部導水結構排出（如圖25、圖26所示）。

1.6" "驅動機構拉線導向盒防水、排水仿真分析

通過以上分析可知，電動滑門的結冰風險點為滑門驅動機構拉線導向盒位置。由于計算機硬件及算法的發(fā)展，CFD技術的應用已經包括汽車在內的遍及各個領域[1]。本文通過流體仿真軟件Star CCM[2]對拉線導向盒進行防水、排水仿真分析，并通過有限元仿真軟件ABAQUS[3]仿真分析驅動機構輸出力矩是否能夠滿足破冰力要求。

防水、排水分析主要通過兩種環(huán)境進行模擬計算，一種是水從正上方流入，質量流速為0.25L/s，持續(xù)4s計算，其主要進水點為拉線導向盒的端口及零件接縫位置，如圖27所示，但絕大部分水都會由排水口排出，僅在底板縫隙處和右輪上方有少量積水，滑輪部位無積水，如圖28所示。

另一種是直接將拉線導向盒浸泡在水中，然后取出，分析水分排走的時間。通過10S時間進行分析，水分基本排出，僅在滑輪表面殘留水漬并未形成積水。

1.7" "驅動機構拉線導向盒破冰力仿真分析

通過以上分析，拉線導向盒積水結冰風險較低，為將設計風險降至更低，模擬拉線導向盒內部完全結冰，分析驅動機構輸出力矩是否能夠滿足破冰力要求。

Valanto[4]通過對三維數值模型施加經驗公式來模擬破冰過程;王博[5]對冰載荷特性進行研究，并分析了破冰過程中發(fā)生的動態(tài)變化;王林[6]通過建立各向同性粘塑性有限元數值模型仿真分析了破冰結構的破冰機理和破冰效果，根據其研究中冰材料參數可知，冰最大失效應力（壓縮）為10MPa，塑性失效應變?yōu)?.01，參考表1。本文通過ABAQUS仿真軟件模擬了破冰機構對冰的壓縮過程，當冰的應力超過10MPa，冰產生的應變超過失效應變，即可認為冰被破壞，此時的力即為最小破冰力。

通過仿真結果可知，當冰受到應力為11.7MPa時，對應破冰力為2.45N。假設極端惡劣的情況，輪內結滿了冰，破冰機構的破冰面與冰面全部接觸，測量其接觸面積為1.44mm2，對應破冰力為F=S×P=14.42N。

破冰力校核：由電機性能（見表2）可知，扭矩為14.1Nm，轉輪半徑為26mm，運行效率為70%。因此電機可提供破冰力F=T/r×0.7=379.6N，整個傳動機構中共有四個破冰機構，即使同時破冰，電機驅動力也遠大于破冰力的4倍，因此電機可提供足夠的破冰力。

2" " 冰凍試驗驗證

2.1" "冰凍實驗一

試驗方法：

在-30℃環(huán)境中將滑門打開，玻璃完全升上去，將500mL水均勻澆淋在中滑輪①、全開限位鎖②、后鎖魚嘴口③位置，將500mL水均勻澆淋在驅動機構拉線導向盒④、驅動拉線⑤上，再沿著玻璃⑥倒500mL水，以上澆水時間控制在2min以內，然后關閉滑門，滑門系統(tǒng)在-30℃環(huán)境中放置2h，確保所澆水完全結冰，操作電動開啟關閉滑門。倒水位置示意圖見圖33所示。

試驗過程：以某車型電動滑門進行實車驗證（驗證過程如圖34所示）。

試驗結果：滑門電動開關門功能正常。

2.2" "冰凍實驗二

試驗方法：

①在常溫狀態(tài)下，將驅動機構拉線導向盒（含拉線張緊器）按照裝車方向平放在水中，水覆蓋拉線導向盒及張緊器，放置30分鐘;

②將驅動機構安裝在試驗車身上;

③安裝完成后，沿驅動機構拉線導向盒正上方澆淋500mL水，再沿張緊器及拉線正上方均勻澆淋500mL水;

④將試驗車身放置在-30℃恒溫環(huán)境倉內;

⑤以上過程中不刻意去除零部件上的水分，步驟①之后需在1小時內完成步驟④;

⑥在-30℃放置2小時后，操作滑門電動開關門，確認電動開關門功能是否正常。

試驗過程：以某車型電動滑門進行實車驗證（驗證過程如圖35、圖36、圖37所示）。

試驗結果：滑門電動開關門功能正常。

通過以上兩種試驗驗證，此滑門系統(tǒng)零部件的防水、排水及破冰機構，可有效防止滑門系統(tǒng)在低溫雨雪天氣或者洗車工況下被凍住而導致滑門電動開關門功能失效。

3" " 結論

1）通過以上理論分析及試驗驗證，可得出此電動滑門系統(tǒng)零部件的防水、排水及破冰結構在實際應用中，可有效防止雨水結冰導致滑門電動開關門功能失效的問題。

2）結合以上驗證過程及問題失效分析，將此失效模式納入滑門系統(tǒng)FMEA當中，形成滑門系統(tǒng)驗證的固化項目。同時，結合實際使用工況，將試驗方法固化，納入技術條件。

3）以上防水及防冰凍結構可為后續(xù)車型設計提供參考和借鑒。

參考文獻：

[1]張德良. 計算流體力學教程. 高溫氣體動力學國家重點實驗室， 2010.

[2]李明. STAR-CCM+與流場計算. 機械工業(yè)出版社， 2011.

[3]莊茁.ABAQUS非線性有限元分析與實例.北京：科學出版社，2005 .

[4]VALANTO P. On the cause and distribution of resistance forces on ship hulls moving in level ice[J]. Proceedings of POAC，2001： 803—816.

[5]王博，李輝，任慧龍等，冰載荷的特性研究[J] 船舶工程 2017年第12期.

[6]王林，沈煒煒，破冰結構與冰載荷相互作用下的破壞模式和損傷機理研究[J].船舶工程 2016年第11期.

專家推薦語

龍從林

東風汽車集團有限公司技術中心

車身部總師" "研究員級工程師

本文結合電動滑門的組成和運行原理，從水流路徑，防水破冰策略，到具體結構設計，系統(tǒng)的闡述了電動滑門系統(tǒng)的水管理設計方案。文中重點介紹了驅動機構拉線盒破冰結構，依據驅動機構拉線盒結構的破冰結構設計，破冰力學計算及驅動電機的動力匹配分析。文中也分享了兩種車門系統(tǒng)冰凍試驗，系統(tǒng)地驗證了設計的有效性。整體來說，文章針對電動滑門防水破冰的方案做了較詳細的分解和分析，值得借鑒與推廣應用。