某乘用車MPV電動滑移門齒輪齒條傳動結構的合理布置與分析

摘 要：旨在探討MPV乘用車電動滑移門中齒輪齒條傳動結構的設計、分析與優化，解決傳統傳動結構存在的噪聲大、運動平穩性不足、使用壽命短（柔性傳動）等問題。齒輪齒條傳動結構作為實現電動滑移門精準控制與平穩運行的核心部件，其設計的合理性、布置優化直接影響到整個車門系統的性能表現。主要通過對該結構的基本受力計算、嚙合特性、材料選擇、噪聲控制及靜力學分析特點進行闡述分析，有效得出一種高效、低噪、長壽命的電動滑移門機械驅動的解決方案。

關鍵詞： MPV；滑移門；齒輪齒條傳動；布置優化；靜力學分析

汽車乘用車市場日益加速競爭的今天，汽車的外觀性、可靠性、耐用性成為了消費者追求的重點，其中汽車電滑門作為MPV乘用車中高端配置，不僅給乘客提供上下車的舒適性和便捷性，而且提升了乘用車本身的智能化。隨著汽車智能駕駛逐步成熟以及汽車市場的需求提高，汽車電動滑門傳動結構優化與分析成為汽車設計與制造領域一個重要方向。

MPV電動滑移門齒輪齒條傳動系統合理布置原則

電動滑移門齒輪齒條傳動系統的合理布置應當是在滿足功能性（如運動性能）和可靠性要求的基礎上，通過優化設計實現高效、低噪、長壽命的目標。設計時應綜合考量各項因素，以確保最終設計既經濟又實用。電動滑移門齒輪齒條傳動系統設計合理布置原則總結三大方面考慮。

1.空間優化與質量

結合某MPV乘用車已經上市，內部空間有限，齒輪齒條傳動系統內包括齒輪、齒條以及相關連接部件的尺寸和布局必須要緊湊設計，以最小化去降低對車內空間的影響。同時兼顧零件的輕量化設計，這不僅有助于提高燃油效率，還能減少對滑門運動機構的負擔。因此，選擇輕質而強度高的材料（鋁合金或高強度塑料）對于齒輪齒條傳動系統至關重要。

2.平穩靜音性與耐久可靠性

為了提升乘客體驗，傳動系統應設計有良好的減振和降噪措施。這可能包括使用帶有消聲材料的齒輪、優化齒輪齒形以減少嚙合噪聲，以及采用低摩擦材料或潤滑系統。考慮到滑移門頻繁的使用需求，系統必須能夠承受長期的磨損和環境變化（如溫度波動、濕度等）。選擇耐磨材料、合理的應力分布設計及防銹處理都是必要的。

3.維護便利性

設計時應考慮后期的維護和檢修，確保齒輪齒條組件易于檢查和更換。

電動滑移門齒輪齒條布置方案與設計分析

1.齒輪齒條傳動結構布置與設計

電動滑移門齒輪齒條結構包括執行器（減速電動機）作為動力輸出、中間動力傳遞的齒輪以及車身導軌齒條組成，齒輪齒條在車身與車門布置方案以及動力傳遞如圖1所示。

其中，執行器（減速電動機）以及中間動力傳遞的齒輪將作為電動下驅總成的內部零部件，電動下驅動擺臂總成通過螺栓與車門外鈑金緊固連接，而導軌齒條將設計為一個整體零件通過螺栓與車身腳踏鈑金緊固連接，并取代原先的手動下導軌，由此形成了從動力輸出到執行傳動的半開環結構。由于車身對滑移門的下擺臂運動空間的限制，同時為了能實現滑移門手自一體功能，依據周卜軍等在2009中國汽車工程學會年會論文集中報告《中滑門關閉力的分析及改進》中“AUDIT”主觀評價電動滑移門水平關閉力在38N以下為用戶可接受，因此，齒輪布置滿足傳動比的同時要減少齒輪的數量，本次動力傳遞的齒輪取三級減速傳動以減少關門時的阻力，輸出速比1.4，動力端減速電動機額定輸出負載4N·m。根據公式

Ft=T×i×η/r" " " " " " " " " " " " " （1）

式中 T——減速電機額定輸出扭矩；

i——總速比；

η——傳動效率（η=0.9）；

r——齒輪在齒條的滾動半徑。

數值帶入公式（1）可以得到滑移門額定驅動力Ft=193.84N，該數值大于實測12度坡滑移門拉力（140N），且該設計的齒輪與齒輪之間滿足連續轉動條件εα≥[εα]，其中[εα]為1.1～1.2。而齒輪與齒條安裝滿足標準節圓與分度圓重合，節線與分度線重合，如圖2所示滿足齒輪齒條嚙合原理，即α'＝α，因此該布置方案可靠合理。

2.系統傳動材料選擇與有限元分析

本方案的齒輪齒條傳動雖然平穩可靠，但缺點就是噪聲問題突出，要想汽車電滑門齒輪齒條傳動結構能實現低噪、耐用的特點，就必須分析齒輪傳動噪聲產生的主要機制，重合度是影響齒輪傳動噪聲產生的一個因素[1]，當然齒輪齒條運行過程中也會產生一定的頻率振動，這是由于滑移門在設計過程中下導軌的承重輪與車身導軌之間在Y向投影存在一個角度θ，如圖3所示。

經數模測量分析角度θ=10°，這就使得原手動滑移門在平坡下由于重力帶來的分力，手動滑移門在不借助外力情況下車門依舊能平穩關閉，這就產生了齒輪齒條在運行過程中摩擦產生振動帶來的噪聲，這也是噪聲來源關鍵機制。通過文獻[2]提供的方法，采用復合材料方案來抑制齒輪齒條傳動過程中產生的噪聲和振動，從圖4曲線數據發現復合材料齒輪通過FFT（快速傅立葉變換）隨時間變化的加速度轉換為自然彎曲頻率的力有所降低，這就表明復合材料通過其獨特的物理特性（減震降噪特性）有效地吸收了振動能量，減少振動傳遞，從而降低齒輪運轉過程中產生的噪聲。同時，復合材料具有耐磨、自潤滑性和較高的內耗性能等優點，能有效吸收振動能量，廣泛應用在汽車傳動裝置。

本文中的齒輪齒條算例基于Solidworks Simulation 實現，計算實例中，通過輸入齒輪的幾何參數建模生成齒輪，同時依據重合度等參數之后進行裝配校驗，取其中一對嚙合的齒輪與導軌齒條進行分析，材料選擇PA12+5%玻纖，齒輪齒數z1=13，齒條截取部分齒數z2=29，模數m=2，彈性模量E=262 MPa，泊松比ν=0.34，壓力角α=20°的標準圓柱直齒輪進行輪齒變形量與時變嚙合剛度靜應力學分析。再者依據公式得到齒輪作用在齒條的力矩。

" " " " " " "M=KaFL" " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中 Ka——安全系數（取1.66）；

F——12°滑移門拉力；

L——齒輪半徑。

將數值帶入公式（2）可得到齒輪力矩M=3.02N·m。通過以上數據代入軟件分析計算得到齒輪齒條嚙合靜應力分析圖解（見圖5）。

齒條與齒輪靜應力有限元分析的結果可以看出，齒條與齒輪復合材料屈服應力均小于材料本身安全系數范圍內的許用彎曲應力，因此，復合材料以及齒輪模數選擇符合設計要求。同時，復合材料的使用也意味著該結構達到輕量化、經濟性設計的要求。

3.工藝裝配流程

本次電動滑移門齒輪齒條電動下驅動擺臂（以下稱為電動下驅）方案在設計過程中考慮到電動下驅在車門總裝線試制與批量生產的裝配工藝環節，流程如圖6所示。

該流程圖有助于識別電動下驅與車門裝配生產過程中的工藝流程環節，分析生產效率，為后續工藝改進和生產線平衡提供依據，從而提高生產效率和降低成本。同時本設計兼顧了后期的維護與更換，有效避免后期生產和維護造成不必要經濟損失，本次設計是在充分利用手動下擺臂（見圖7）運動空間基礎上設計的一款實現內部傳動與外部承重一體的電動下驅總成（見圖8），通過圖7和圖8可知，在后期的維護中電動下驅安裝方式與手動下擺臂一致，即兩者都通過螺栓與車門鈑金相連接，確保零部件組件易于檢查和更換，達到利于維護與更換設計的原則。

該流程圖有助于識別電動下驅與車門裝配生產過程中的工藝流程環節，分析生產效率，為后續工藝改進和生產線平衡提供依據，從而提高生產效率和降低成本。

結語

本文主要分析乘用車MPV電動門齒輪齒條傳動結構設計布置、分析以及工藝的合理性，該方案的實現有助于推動汽車滑移門技術的不斷進步，該齒輪齒條傳動方案相比市場上電動滑移門鋼絲繩、同步帶傳動具有高負載、高耐磨、自潤滑及去張緊的特點。但也面臨一些潛在的問題，比如噪聲問題可能會隨著使用的時間和環境的影響日漸突出，從長遠角度分析改善噪聲問題也成了該方案優化的主要方向，這就需要技術從多角度分析，比如從結構、材料、壓力角、重合度、精度、齒廓修形和齒向修形等多方位思考和實踐，以此解決該噪聲問題，為后續該方案進步和技術積累提供了重要的參考價值[3]。

參考文獻：

[1] 王慶文，程建榮. 發動機變速器齒輪的降噪改進設計 [J]. 機械制造， 2001（12）：12-14.

[2] Hyunwoong，Kim，Cheol，et al.新型鋼和塑料復合材料齒輪的輕量化設計和降噪分析[J].汽車輕量化產業鏈，2019， 20（4）：749-754

[3] 吳勇軍，王建軍，韓勤鍇，等. 基于接觸有限元分析的斜齒輪齒廓修形與實驗 [J]. 航空動力學報， 2011，26（2）：409-415. DOI：10.13224/j.cnki.jasp.2011.02.006.

[4] 曹東江，尚鵬，趙陽. 基于Matlab的漸開線變位直齒輪時變嚙合剛度計算分析 [J]. 機械傳動，2022，46（5）：100-107. DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2022.05.014.