電動尾門撐桿布置和力學(xué)計算

王伯坤

摘 要：目前國內(nèi)汽車上使用的撐桿主要有氣彈簧撐桿和電動撐桿。但國內(nèi)大多數(shù)汽車車身設(shè)計中，對于撐桿的布置都是采用的逆向方式設(shè)計，即以標(biāo)桿車為參考，來設(shè)計撐桿的布置，再加以CAE分析校核。本文將以正向設(shè)計尾門撐桿來介紹撐桿的布置和力學(xué)計算。

關(guān)鍵詞：尾門;撐桿布置;力學(xué)計算

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.109

隨著科學(xué)技術(shù)的進步以及人們生活水平的提高，電子驅(qū)動和遙控技術(shù)在汽車上得到了廣泛應(yīng)用，電動尾門作為電子驅(qū)動技術(shù)的一種也是如此，并且逐漸由早期的奢華版配置慢慢的變成標(biāo)配。目前汽車上撐桿類型主要分為氣彈簧撐桿和電動式撐桿，電動式撐桿直接取代氣彈簧撐桿，布置在車身流水槽內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀、不占用側(cè)圍空間的特點，廣泛應(yīng)用于中大型SUV車型。汽車電動尾門是一個系統(tǒng)性的集成，其主要包括電動撐桿、控制器、電吸鎖、防夾條（選裝）、腳踢（選裝）。

在尾門設(shè)計過程中，尾門撐桿的布置非常關(guān)鍵，其布置是否合理直接關(guān)系到尾門能否正常關(guān)閉和是否能夠懸停。電動撐桿提供的支撐力通過對鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的力矩來克服尾門重力距和摩擦力矩，從而使尾門開啟或關(guān)閉。根據(jù)整車設(shè)計要求確定鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸中心位置，再根據(jù)人機工程學(xué)分析，尾門開啟的最大角度時，尾門下邊沿距離地面的高度如圖1，來確定尾門的開啟角度。此時尾門既不會碰到人的頭部，又可以手動關(guān)閉尾門時容易拉到拉手或關(guān)門開關(guān)按鈕。

1 電動撐桿結(jié)構(gòu)簡介

電動撐桿主要由球窩、霍爾傳感器、電機、減速箱、螺桿、螺母、彈簧等部件組成。電機在接收到控制器模塊指令后，進行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，通過減速箱減速增加扭距后，驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)動，螺桿和螺母之間產(chǎn)生相對運動，在壓縮彈簧的助力下，從而推動撐桿伸長或縮短，電機尾部的霍爾傳感器將反饋其信號給控制器，控制撐桿的開啟位置和關(guān)閉位置。

2 電動撐桿的幾何布置分析

現(xiàn)代汽車從汽車前后看，大多數(shù)呈“八”字形。電動撐桿是裝配在尾門流水槽內(nèi)，兩根電動撐桿略有傾斜，同樣呈“八”字形，如圖3所示。

雖然電動撐桿略有傾斜，但因為電動撐桿與XZ平面之間的傾斜角度一般不會超過10°，對設(shè)計精度的影響可以忽略，所以為了簡化計算，將撐桿投影到XZ平面上進行幾何分析，如圖4所示。

在圖4中：O點為尾門鉸鏈中心軸;A點為電動撐桿在車身上的固定安裝點;B點為尾門完全關(guān)閉狀態(tài)時，電動撐桿在尾門上的固定安裝點;B點為尾門打開到任意角度時，電動撐桿在尾門上的固定安裝點;M點為尾門質(zhì)心。M點為尾門打開到任意角度時，尾門重心;F為單根電動撐桿的支撐力;G為尾門的重力;d為電動撐桿輸出力的力臂;LG為尾門重力到鉸鏈的力臂;α為尾門在關(guān)閉狀態(tài)時，B點與Z軸的夾角，rad;β為尾門在關(guān)閉狀態(tài)時，質(zhì)心與Z軸的夾角，rad;θ為尾門運動時的角度，rad。

設(shè)O點坐標(biāo)為（XO，YO，ZO），A點坐標(biāo)為（XA，YA，ZA），B點坐標(biāo)為（XB，YB，ZB），B點坐標(biāo)為（XB，YB，ZB），M點坐標(biāo)為（XM，YM，ZM），M點坐標(biāo)為（XM，YM，ZM）。

根據(jù)圖4可知：

式中：XO，ZO----鉸鏈中心在XZ平面上的坐標(biāo)，mm;

XM，ZM----尾門質(zhì)心在XZ平面上的坐標(biāo)，mm。

根據(jù)式（3）和式（4）可以得出尾門質(zhì)心M運動時的坐標(biāo)（XM，ZM），尾門重力矩（MG）：

由式8可知尾門重力距MG跟尾門重量、重心位置、鉸鏈中心及尾門打開角度有關(guān)。

同理，撐桿尾門安裝點運動時的坐標(biāo)：

式中：XB，ZB----尾門關(guān)閉時，撐桿尾門上安裝點的初始坐標(biāo)，mm;

XB，ZB----尾門開啟到某一角度時，撐桿尾門上安裝點的坐標(biāo)，mm。

根據(jù)海倫面積公式可以求得電動撐桿支撐力的力臂d：

3 電動撐桿力學(xué)計算和調(diào)整

電動撐桿輸出力主要由三部分組成：驅(qū)動電機輸出力、彈簧彈力和系統(tǒng)內(nèi)部阻力。彈簧彈力是電動撐桿輸出力占比最大的一部分，彈簧彈力和彈性系數(shù)設(shè)計是電動撐桿設(shè)計中最關(guān)鍵的，直接影響到電動撐桿開啟和關(guān)閉過程是否平順和懸停，而且還影響手動開啟尾門和關(guān)閉尾門的操作力。

電動撐桿有2個重要指標(biāo)：懸停狀態(tài)和手動操作力，以下將主要分析這2個指標(biāo)。

3.1 懸停分析

尾門開關(guān)閉行程中，尾門能在開啟角度范圍內(nèi)任意角度保持停止?fàn)顟B(tài)稱為懸停狀態(tài)，此時電機不工作，尾門受電動撐桿支撐力和尾門自重力的共同作用保持平衡。撐桿支撐力是彈簧彈力和撐桿系統(tǒng)內(nèi)部阻力的合力。根據(jù)力矩平衡原理可得單根電動撐桿輸出力：

由上式可知，電動撐桿輸出力跟尾門重量、重心位置、鉸鏈中心、撐桿A、B安裝點位置及尾門打開角度θ有關(guān)。

在汽車尾門鉸鏈軸、電動撐桿車身安裝點、電動撐桿尾門安裝點確定的情況下，根據(jù)公式（7）和公式（14），可以得出，尾門重力臂LG和電動撐桿輸出力力臂d是以尾門開啟角度θ為單一變量的函數(shù)。在初始彈力和彈性系數(shù)一定的情況下，彈簧彈力只跟彈簧的伸長量有關(guān)，而彈簧的伸長量又只跟電動撐桿的伸長量AB有關(guān)，所以彈簧彈力Fs同樣是以尾門開啟角度θ為單一變量的函數(shù)。

電動撐桿提供的輸出力F是由彈簧彈力Fs和撐桿內(nèi)部阻力f的合力。汽車尾門在懸停狀態(tài)時，應(yīng)滿足Fs-f

撐桿輸出力一般情況下不能太大，否則將會對撐桿的加工制造產(chǎn)生影響，同時太大的撐桿輸出力也會容易造成尾門鈑金的變形。因為尾門重量及重心位置一般都由整車廠提供且不便更改，所以要降低撐桿輸出力，撐桿安裝點的位置就特別重要了。

3.2 手動模式操作力的計算

在保證了撐桿能夠懸停的情況下，需進一步分析計算手動操作力。

在圖6中：F1為關(guān)閉力;F2為開啟力;L1為關(guān)閉力的力臂;L2為開啟力的力臂。

在手動開啟尾門過程中，手動操作力和電動撐桿輸出力共同作用克服重力實現(xiàn)尾門的開啟;此時彈簧彈力FS與撐桿內(nèi)部阻力f方向相反，電動撐桿輸出力F=FS-f，根據(jù)力矩平衡原理，可以得出尾門在任意角度時的手動開啟力F1：

同理，在手動關(guān)閉尾門過程中，手動操作力和重力共同作用克服電動撐桿輸出力實現(xiàn)尾門的開啟;此時彈簧彈力FS與撐桿內(nèi)部阻力f方向相同，電動撐桿輸出力F=FS+f，根據(jù)力矩平衡原理，可以得出尾門在任意角度時的手動關(guān)閉力F2：

將代入到式17和式18中，由于尾門的形狀、尾門重量和關(guān)門位置都是由整車設(shè)計決定的，因此任意角度時尾門重力距MG只跟尾門實時開啟角度θ有關(guān)，假設(shè)撐桿安裝點A、B點位置也確定的情況下，最終將會得到一個以開啟角度θ為變量函數(shù)的式子。

利用Excel的計算功能及圖形輸出功能，可以輸出手動操作力以尾門打開角度θ為變量函數(shù)的曲線如圖7。

對式15運算推導(dǎo)，撐桿輸出力F是一個只有A、B點位置、尾門打開角度θ的函數(shù)表達式。由于尾門鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸、尾門重心位置、重量和打開角度θ是整車設(shè)計確定的，一般來說就只能通過調(diào)整電動撐桿安裝點A、B點位置和彈簧參數(shù)，來優(yōu)化撐桿輸出力F、手動開啟力F1、手動關(guān)閉力F2。

4 電動撐桿布置校核

經(jīng)過以上的理論分析計算，電動撐桿的安裝位置、撐桿輸出力、彈簧參數(shù)（線徑、螺距、自由長度）等參數(shù)基本就可以確定。根據(jù)這些參數(shù)規(guī)格就可以建立電動成的3D數(shù)模，將3D數(shù)模放到整車廠提供的電動撐桿周邊環(huán)境數(shù)據(jù)（如尾門內(nèi)板、流水槽等）內(nèi)檢查。要求不能有干涉并且留有足夠的間隙（≥10mm），如圖8安裝狀態(tài)斷面圖。利用CATIA的DMU模塊，對電動撐桿的3D數(shù)模進行運動分析，來校核電動撐桿在整個開啟關(guān)閉過程中的有效空間，如圖9。根據(jù)運動分析結(jié)果，是否需要做一些必要的調(diào)整。

然后在利用CAE分析軟件，分析電動撐桿安裝支架、支架周邊鈑金的剛度和強度是否滿足要求，并根據(jù)分析結(jié)果，對相關(guān)部位或結(jié)構(gòu)進行調(diào)整加強。

參考文獻：

[1]李仲煒.汽車電動尾門關(guān)閉力問題的分析與改進[J].汽車工程師，2016（02）：48-50.

[2]于波.汽車尾門電動舉升機構(gòu)的設(shè)計研究[J].汽車實用技術(shù)，2017（18）：16-17.

作者簡介：王伯坤（1981-），男，江蘇人，本科，工程師，研究方向：機械。