汽車電動尾門關(guān)閉力問題的分析與改進

李仲煒 劉肖

（福特汽車工程研究（南京）有限公司）

電動車窗、電動座椅、電動側(cè)門和電動尾門等一系列的電子驅(qū)動技術(shù)在近些年來得到了快速的發(fā)展，并且已經(jīng)從奢華級配置慢慢趨于大眾化和普遍化。由于SUV車型具有尾門質(zhì)量大和開關(guān)行程大等特點，電動尾門已經(jīng)成為各個主機廠在汽車產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)和銷售過程中所廣泛應(yīng)用和推崇的技術(shù)。然而電動尾門是一個系統(tǒng)性的集成，在設(shè)計和生產(chǎn)中其開關(guān)是否輕便順暢，是否滿足各種不同工況，是客戶感受頻率和關(guān)注較高的項目，同時也是汽車工程師需要面臨的一個技術(shù)難題。文章結(jié)合生產(chǎn)中的實際案例，分析影響電動尾門關(guān)閉力的因素，通過試驗設(shè)計理論找出了電動尾門在關(guān)閉過程中關(guān)閉力大，出現(xiàn)反彈的主次因素，提出了一套改善電動尾門關(guān)閉力的方案。

1 電動尾門的工作原理

電動尾門是駕駛者通過操作后備箱上開關(guān)按鈕，遙控車鑰匙，中控儀表按鈕或者尾門相應(yīng)感應(yīng)區(qū)域，自動開關(guān)后備箱門的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有手自一體、智能防夾、緊急停止和高度記憶等功能，為了實現(xiàn)這些功能，文章中電動尾門系統(tǒng)由以下模塊組成。

1）驅(qū)動模塊：驅(qū)動模塊主要由電動撐桿組成，電動撐桿的一端連接在車身上，一端連接在尾門上，撐桿通過內(nèi)部的電機和齒輪驅(qū)動螺母螺桿來實現(xiàn)尾門的開啟和閉合。一般電動尾門的電動撐桿分為雙邊驅(qū)動或者是單邊驅(qū)動。雙邊驅(qū)動則要求行李箱蓋兩邊均安裝主動驅(qū)動裝置，而單邊驅(qū)動的一邊只安裝普通的液壓撐桿，不具備電機驅(qū)動，也即是文章所涉案例。

2）控制模塊：控制模塊一般集成在整車ECU中，作為整個電動尾門的控制大腦，它會通過接收來自外部所有對尾門的開關(guān)指令，然后分析和處理外部傳感器反饋的信號，對尾門的操作發(fā)出相應(yīng)的指令。

3）尾門電動鎖模塊：該模塊是電動尾門關(guān)閉和釋放的最終執(zhí)行模塊。在尾門關(guān)閉的過程中，當固定在車身的鎖扣觸發(fā)尾門鎖的微動開關(guān)時，鎖閂將在內(nèi)部電機的作用下自動閉合并確保完全鎖上尾門。當接收來自尾門按鈕、遙控鑰匙或者是感應(yīng)操作的釋放指令時，電動鎖自動釋放，尾門在控制模塊和驅(qū)動模塊的作用下按照標定速度打開到指定高度。

4）防夾功能模塊：電動尾門應(yīng)具有智能檢測障礙物并實現(xiàn)緊急制動或者反向工作的功能，該功能一般由安裝在尾門兩邊的防夾條傳感器和電動撐桿內(nèi)部電機的霍爾傳感器實現(xiàn)，當尾門在開啟或者關(guān)閉的過程中遇到了障礙物，防夾條直接被觸發(fā)或者霍爾傳感器檢測到電機轉(zhuǎn)速超出設(shè)定范圍，行李箱蓋自動反方向運動實現(xiàn)防夾功能。

2 電動尾門的關(guān)閉問題及分析

2.1 電動尾門出現(xiàn)的問題

本案例中在沒有障礙物的情況下，電動尾門到關(guān)閉行程最后，也就是在行李箱鎖閂將要到達二級鎖止位置時出現(xiàn)失效，即控制模塊偵測到行李箱蓋關(guān)閉阻力過大，停止自動模式或者要求反方向運動。隨機驗證了23臺車，問題比例高達70%，嚴重影響了生產(chǎn)節(jié)拍和質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2.2 電動尾門關(guān)閉力的測量與分析

為了分析問題的根本原因及量化電動尾門關(guān)閉力的大小，通過試驗?zāi)M失效模式，并記錄在電動尾門驅(qū)動系統(tǒng)工作直至失效時的臨界力和手動關(guān)閉尾門至二級鎖閂的真實關(guān)閉力，即驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)閉尾門所要克服的阻力，具體方法如下。

1）測量驅(qū)動系統(tǒng)失效臨界力，如圖1所示，車窗全部關(guān)閉，將測力計固定在鎖扣上方，測頭朝向車外，位置固定在尾門鎖即將接觸到二級鎖但尚未觸發(fā)微動開關(guān)的位置為佳。測量時，啟動電動尾門功能，記錄下直至尾門反彈失效的最大力值。

圖1 電動尾門驅(qū)動系統(tǒng)失效臨界拉力測量圖

2）測量尾門真實關(guān)閉力，如圖2所示，車窗全部關(guān)閉并關(guān)閉電動尾門系統(tǒng)，將測力計放置于汽車外部，測頭對準行李箱鎖的位置。測量時，從車外向車內(nèi)推動尾門直至二級鎖的位置并記錄下最大力值。

圖2 電動尾門真實關(guān)閉力測量圖

按照上述方法測量得出，關(guān)閉力在122 N左右時，電動尾門就會在控制模塊的命令下停止工作或者反彈，在手動條件下真實的關(guān)閉力已經(jīng)需要225 N，然而控制模塊在系統(tǒng)中設(shè)定臨界力為不大于200 N，所以驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)閉尾門所要克服的阻力已經(jīng)遠大于系統(tǒng)的標準，尾門關(guān)閉力過大。

3 電動尾門關(guān)閉力影響因素分析與試驗設(shè)計驗證

通過分析該車型電動尾門系統(tǒng)的組成，對電動尾門關(guān)閉力的影響因素進行分析，并通過相應(yīng)的DOE設(shè)計對改進的方法進行驗證。

3.1 影響因素

3.1.1 密封間隙

在本案例中尾門密封間隙標準為（34±3）mm，對5輛汽車裝配總成后的尾門開口周圍密封間隙進行測量，發(fā)現(xiàn)位于鎖扣處的密封間隙過小，如圖3中測量點8所示，實際值平均在30 mm左右，超出標準下限約1 mm，同時靠近鎖扣附近的測量點5，6，7，9的密封間隙也偏下限，甚至個別車輛的測量點也超出標準下限。密封間隙的影響因素有鎖扣的位置、鈑金翻邊的尺寸、鈑金的焊接質(zhì)量以及尾門與車身的裝配質(zhì)量。通過三座標測量發(fā)現(xiàn)鎖扣對應(yīng)處焊接后的鈑金翻邊超出標準1.5 mm左右，其主要原因為焊接定位不足導致了鈑金翻邊向車后偏移，從而使得尾門下部的密封間隙偏小甚至超差。通過工裝夾具調(diào)整后，焊接精度和尺寸得到了提高，但是發(fā)現(xiàn)鎖扣在X方向的位置對密封間隙也有著很大的影響。

圖3 汽車電動尾門密封間隙測量結(jié)果

3.1.2 密封條壓縮載荷

尾門在關(guān)閉過程中，密封條與尾門內(nèi)板接觸，持續(xù)受到擠壓變形，產(chǎn)生一個反向的作用力，從而吸收車門關(guān)閉的能量。密封條對車門關(guān)閉力的影響取決于密封條材料、體積質(zhì)量、斷面厚度和轉(zhuǎn)折點的位置等[1]。在本例中，尾門密封條的材料為EPDM，壓縮載荷的標準為（7.5±2）N/100 mm，根據(jù)檢測報告，實測數(shù)值為7.0 N/100 mm，滿足設(shè)計標準。但是由于為減少尾門在顛簸路面上X和Y方向的位移，在密封條尾門兩側(cè)各增加了長度為100 mm，直徑為8 mm的增強條，如圖4所示，測量該段的壓縮載荷為24.2 N/100 mm。但是由于增強條對尾門漏水及異響等關(guān)鍵屬性起到了重要作用，因此增強條對尾門關(guān)閉力的貢獻需要進一步的試驗驗證。

圖4 汽車電動尾門密封增強條示意圖

3.1.3 機構(gòu)件阻力

在本例中，尾門上安裝有2套橡膠緩沖塊，如圖5所示。在尾門完全關(guān)閉的狀態(tài)，橡膠緩沖塊處在被壓縮的狀態(tài)，用以限制尾門在關(guān)閉瞬間產(chǎn)生過位移，同時也限制了在汽車經(jīng)過顛簸路面時，尾門在X和Y方向的位移量。

圖5 汽車尾門橡膠緩沖塊

3.1.4 空氣壓力

車門關(guān)閉的過程近似于空腔壓縮過程。假設(shè)汽車駕乘空間內(nèi)的空氣為理想氣體，車門在關(guān)閉壓縮過程中忽略溫度的上升，駕乘空間內(nèi)的空氣質(zhì)量不變，則根據(jù)工程熱力學理想氣體狀態(tài)方程可得：

在車門關(guān)閉過程中，因空氣壓力變大而產(chǎn)生的空氣阻力（ΔF/N）為：

式中：P0——標準大氣壓，Pa；

Pi——車門關(guān)閉時，駕駛室容積空間內(nèi)氣體壓力，Pa；

V0——車門關(guān)閉前，密封條未壓縮時駕駛室容積空間，m3；

Vi——車門關(guān)閉后，密封條已被壓縮時駕駛室容積空間，m3；

A——車門的迎風面積，m2[2]。

由上述公式可以看出，若要降低ΔF，必須降低Pi-P0。但在車身容積及車門結(jié)構(gòu)已經(jīng)設(shè)計完成的前提下，只有更改空氣質(zhì)量才能降低Pi。在本例中，車身側(cè)圍兩側(cè)各有2個膜片結(jié)構(gòu)形式的單向通風閥可達到此目的?？諝庾枇Φ淖兓灰诇y量，但是可以通過測試空氣流量的數(shù)值來檢測實際情況是否滿足設(shè)計標準，經(jīng)測量，本案例駕駛室中的空氣流量為247 L/s，滿足小于250 L/s的標準要求?；谀壳艾F(xiàn)有的設(shè)計結(jié)構(gòu)，如果再提高空氣流量，會對整車NVH和漏水等性能產(chǎn)生影響，因此在本例中，不針對空氣壓力提出改進。

3.1.5 其他影響因素

針對電動尾門的特殊性，控制軟件的關(guān)門速度以及ECU對傳感器中障礙物識別的閾值設(shè)定也會對尾門關(guān)閉力有一定的影響，但是如果提高關(guān)門速度或者障礙物閾值，將會對用戶體驗產(chǎn)生影響。另外，在理論上尾門鉸鏈的摩擦力、鎖閂和鎖扣的摩擦力等也是影響因素之一，但是在本例中忽略了這些影響因素[3]。

3.2 試驗設(shè)計及驗證

試驗設(shè)計是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計學的基本知識，合理地安排試驗、取得數(shù)據(jù)，然后進行綜合科學分析，從而盡快獲得最優(yōu)組合方案。在工程領(lǐng)域是改進制造過程性能非常重要的手段并有著廣泛的應(yīng)用?；谏厦娴姆治?，本例設(shè)計了4因素2水平的試驗來分析降低關(guān)閉力的主次因素和最優(yōu)調(diào)整方案。試驗設(shè)計正交表及測量結(jié)果，如表1所示。

表1 尾門關(guān)閉力試驗設(shè)計組合表

其中密封條壓縮載荷高值選在8.5 N/100 mm左右；低值在6.5 N/100 mm左右；以汽車前保險杠最前端的中心點為坐標原點，車后為正向，則鎖扣向車前調(diào)整到極限相對中值為-3 mm，向車后調(diào)整到極限為+3 mm，鎖扣的位置就決定了密封間隙的大?。粚τ诿芊鈼l增強條和尾門緩沖塊在試驗中則簡化考慮了2種狀態(tài)，即保留和去除。

本例中通過Minitab軟件對試驗結(jié)果做出了主效應(yīng)圖和交互作用圖的分析，如圖6和圖7所示。

圖6 尾門關(guān)閉力主效應(yīng)圖

圖7 尾門關(guān)閉力交互作用圖

從圖6可以看出，調(diào)整鎖扣位置和密封條壓縮載荷的高低是影響尾門關(guān)閉力的主要因素，而密封條增強條及尾門緩沖塊的作用并不明顯，為次要因素。如圖7所示，在密封條壓縮載荷較高的情況下，移動鎖扣的位置可以帶來最大尾門關(guān)閉力的減小，也就是圖7中第1條斜率最大的虛線，那么可以認為在密封膠條老化后，尾門的關(guān)閉力會有所下降，同時從第2行的圖形看出，鎖扣位置向車后調(diào)整3 mm，可以推斷如果鎖扣處的密封間隙增大3 mm，關(guān)閉力減少了近50 N，另外，密封條增強條和尾門緩沖塊沒有明顯的交互作用。

通過以上的數(shù)據(jù)測量與分析，在本例中得出一套實踐性強且效率高的調(diào)整方案：1）調(diào)整工裝夾具，保證車身焊接質(zhì)量；2）設(shè)計工裝向后調(diào)整并控制鎖扣位置來釋放密封間隙達到標準偏上，同時兼顧尾門的間隙段差要求；3）降低密封條的壓縮載荷，控制和篩選密封條壓縮載荷值過高的零件，優(yōu)化尾門關(guān)閉力；4）根據(jù)穩(wěn)定后的生產(chǎn)過程，重新標定電動尾門控制軟件，確保系統(tǒng)相互兼容。

4 結(jié)論

車門關(guān)閉力一直是汽車在設(shè)計和生產(chǎn)中最為復(fù)雜的系統(tǒng)性問題，文章通過理論與實踐的結(jié)合，運用了質(zhì)量分析工具，對電動尾門關(guān)閉時出現(xiàn)反彈和鎖止的問題進行了分析和驗證，明確了以調(diào)整鎖扣位置和密封間隙以及降低密封條壓縮載荷為核心的高效改進方案，經(jīng)過實踐的驗證，該問題得到了顯著的改善，保證了生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。如今用戶對于新技術(shù)的體驗和要求正在不斷增加，如何保證電動尾門系統(tǒng)更加穩(wěn)健，比如扭轉(zhuǎn)路面上電動尾門關(guān)閉的問題等將會成為工程師們繼續(xù)研究和攻克的方向。