某型汽车电动尾门关闭力的设计研究

侯林 史承婕 李耀光 王鹏

（一汽奔腾轿车有限公司奔腾开发院，长春130012）

主题词：电动尾门 关闭力 压缩载荷 防夹原理

0 前言

随着高配置SUV 车型成为汽车市场中极具竞争力的车型，电动尾门的应用日益普及，因此开发人员也将面临新的设计挑战，其中，电动尾门关闭力问题的挑战最为突出。本文重点介绍了一种尾门静关闭力的设计计算方法，可以间接保证电动尾门关闭力的设计合理性。

1 电动尾门系统的构成和工作原理

1.1 电动尾门系统的构成

电动尾门系统主要由控制器（ECU）、电撑杆、吸合锁、蜂鸣器（可集成在控制器）、防夹条（选装）、脚踢传感器（选装）、开关构成（图1）。

图1 某车型电动尾门系统构成示意

1.2 电动尾门系统的工作原理

电动尾门系统是用户通过控制信号（开关、遥控等），实现尾门自动开关的系统。基于某车型的电动尾门系统基本控制原理（图2）。

图2 某车型尾门系统控制原理

电动尾门系统具有防夹、高度记忆、手动开闭功能。防夹功能是指尾门在电动关闭过程中，能够自动感应到障碍物存在，从而自动停止并反转的功能。

防夹力即控制策略设定的电动关闭尾门时关闭力的限值，在电动尾门关闭过程中，当感应到超过这一限值时，即判定为遇到障碍物。下面具体介绍防夹原理。

1.2.1 电动尾门系统的防夹原理

电动尾门的防夹功能一般通过3 种方式来实现：一是霍尔防夹，二是电流防夹，三是防夹条防夹。下面进行简要说明。

霍尔防夹原理：电撑杆电机中的霍尔转速传感器可以感受到电机运行过程中的磁场变化，并将其相应转化为脉冲信号，发送给控制器。当尾门在运动中遇到障碍物时，障碍物会使尾门的运动速度下降，相应地，电撑杆电机的转速也会下降。此时霍尔传感器发送给控制器的脉冲信号的脉宽增大，通过算法对比前后2段固定时间内的脉宽，可以近似计算出尾门在此位置的速度变化值ΔV。设定一个阈值K，当ΔV≥K时，控制器判定尾门遇到障碍物，进入防夹程序，实现防夹反转的功能（图3）。

图3 霍尔防夹原理

电流防夹原理：控制器以指定的微小时间间隔采样撑杆电机的电流情况，当尾门遇到障碍物时，撑杆电机转速变慢或堵转，电流上升，如果上升到大于设定的防夹电流阈值时，控制器判定尾门运动遇到障碍物，执行防夹程序。

防夹条防夹原理：当尾门遇到障碍物时，防夹条触发，控制器感知到防夹信号，判定尾门运动遇到障碍物，执行防夹程序。

1.2.2 电动尾门关闭过程分析及防夹区域设定

电动尾门的完整关闭过程如图4 所示，尾门从全开位置点运行到全锁位置点，完成全锁。在整个行程中，尾门全开位置点到半锁位置点是A 区域，需要设置防夹功能，避免夹伤人员；变力位置点指尾门关闭过程中开始遇到车身侧反力的位置。变力位置点到半锁位置点是B区域，由于此区域尾门关闭会面对阻力增加的变化，所以在此区域设定单独的防夹力大小要求。半锁位置点到全锁位置点是C区域，需要完成尾门的吸合动作，达到全锁。

图4 电动尾门关闭过程及防夹区域中的关键点

1.2.3 误防夹的产生

误防夹是指尾门在电动关闭过程中，由于遇到过大的阻力而误判为夹到障碍物，从而产生防夹的动作。误防夹是在尾门关闭力设计过程中，需要重点规避的问题。

2 电动尾门关闭力的设计要点

由电动尾门的工作原理分析可知，为了保证电动尾门关闭力符合要求，能够顺利关闭，需要保证电动尾门在关闭过程中的动力足以克服阻力，顺利完成全锁，且不发生误防夹问题。具体可以拆解为2方面内容：

（1）控制器参数设置合理。这主要是为了保证尾门关闭过程中具备必要的关门动力和尽量小的防夹力，同时避免产生误防夹问题。

（2）尾门关闭反力设计合理。由于尾门关闭过程中，图4中的B区和C区阻力变化较大，所以在开发过程中要针对性设计这2个区域的反力范围，保证尾门电动关闭的有效性。

下面针对上述2点进行具体说明。

2.1 控制器参数的设置

控制器的软件在标定过程中，需要合理设置图4中防夹区域A中各阶段的防夹力控制参数。参考第1章的防夹原理部分，防夹参数可以分为以下4组（无防夹条配置的情况），4 组中任意一组触发，判定尾门发生防夹（表1）。

表1 控制器防夹参数示例

通过设置上述的4 组参数，可以实现对尾门关闭中尾门动力、速度、防夹力的大小控制。

2.2 尾门关闭反力的设计

由于尾门电动关闭过程中的动态反力过于复杂，可以通过合理设计尾门的半锁和全锁静关闭力来控制尾门关闭反力的大小。尾门在电动关闭的过程中，最容易产生关闭力问题的区间是图4 中的B 区和C区。B 区主要是由于尾门在关闭到变力位置点时，开始接触到尾门密封条等车身侧反力零件，受力存在突变，当越靠近半锁点时，受力越大，所以越容易发生电动尾门的误防夹问题。C区主要是由于尾门从半锁到全锁的运动过程中，尾门锁受到的反力大于尾门锁吸合电机的吸合力，导致无法完成吸合动作。B 区的尾门半锁点反力，可以通过半锁静关闭力来分析，C区的尾门全锁点反力，可以通过全锁静关闭力来分析。

3 电动尾门静关闭力的分析计算

3.1 电动尾门半锁静关闭力的计算原理

下面对半锁点位置的尾门进行受力分析。应用DMU 运动数据模拟尾门在半锁点位置的接触受力情况，判定文中车型的尾门在关闭到半锁点前，限位块尚未发生接触，所以受力分析不考虑限位块；尾门在静关闭过程中，关闭速度十分缓慢，有足够的时间进行排气减压，所以，对空气阻力的影响也进行了简化忽略。另外由于尾门铰链的转矩很小，也同时进行了简化忽略。综上，电动尾门的半锁静关闭受力分析如图5所示。

图5 某车型尾门半锁状态受力分析示意

根据力矩平衡方程得：

式（1）转化为：

式中Fst为电动尾门半锁静关闭力；

G为尾门的重力；

Lg为尾门重力相对铰链轴的力臂；

Fsp为电撑杆弹簧力；

f为电撑杆的系统阻力；

Ls为电撑杆相对铰链轴的力臂；

Fse为尾门密封条的反力；

Le为尾门密封条相对铰链轴的力臂；

Fla为尾门锁的半锁反力；

La为尾门锁相对铰链轴的力臂；

[2(Fsp+f)Ls-GLg]/La：为尾门在半锁点的手动关闭力（半锁点位置施加关闭力）。

[FseLe]/La：为转化到半锁点的密封条反力，由于密封条每处的压缩量与力臂均不相同，其计算方法为：将密封条分为n段，每段的受力大小为Fi，每段到半锁点的力臂为Li，Fi可以通过密封条的压缩载荷曲线（CLD）读出，综合上述已知，可以得到下面的密封条反力在半锁点位置的反力求解公式。

密封条在尾门全锁位置时为正压状态，尾门在半锁点位置时，相对全锁位置一般会产生0.5°左右的转角，但由于转角角度过小，所以计算中忽略了密封条对尾门偏转分力的影响。在实际工作应用中可以利用密封条的几何数据进行分段简化计算来求得近似解。

[FlaLa]/La：为尾门锁的半锁力，实际应用中可以利用试验测量得出。

3.2 电动尾门全锁静关闭力的计算原理

C区受力最复杂、全锁点受力最大，所以对全锁点位置的尾门进行受力分析。电动尾门全锁静关闭力的计算方法与半锁静关闭力的计算方法基本一致，主要差异是全锁位置的密封条反力均匀一致，计算更为容易，另外由于限位块在全锁位置点已经接触，所以需要加入各限位块的反力。这里不再累述。

3.3 电动尾门静关闭力的编程计算

在实践中，需要保证电动尾门在极限工况下的关闭能力。这里引入极限关闭力的定义，是指在尾门半锁和全锁静关闭力的计算中考虑生产制造公差，将密封条的压缩量按工艺控制的最大值进行计算（半锁位置的限位块不接触，限位块无需调整；全锁位置，需要将限位块调整到极限压缩状态）。这样可以保证当生产上出现公差波动时，仍能够保证电动尾门的正常关闭锁止。

根据3.1 节中的公式(2)和（3）分析，利用EXCEL软件编程，输出某车型的尾门极限半锁静关闭力，如表2所示。

表2 某车型尾门极限半锁静关闭力

根据3.2 中的分析，利用EXCEL 软件编程，输出某车型的尾门极限全锁静关闭力，如表3所示。

表3 某车型尾门极限全锁静关闭力

3.4 电动尾门静关闭力的判定条件

根据实践总结，合理电动尾门关闭力的判定条件如下：半锁位置的尾门极限半锁静关闭力＜防夹力；全锁位置的尾门极限全锁静关闭力＜电动锁吸合力，其中防夹力的大小可以由控制器的参数设置确定，并进行试验测量检验，具体的测量方法见第4章。电动锁吸合力的大小则是由电动吸合锁的锁体厂家试验确定，并提供给主机厂。

4 电动尾门关闭力的测量

电动尾门的关闭力可以分为动态和静态测量，动态下测量就是防夹力的测量，静态下测量就是静关闭力的测量。

（1）防夹力：测量尾门电动关闭时，设定的尾门防夹力的大小。它反映的是电动尾门在电动关闭过程中的关闭力大小。

（2）静关闭力：测量手动关闭尾门至半锁或全锁位置时，尾门关闭力的大小。它反映的是在静态条件下，手动关闭尾门至半锁及全锁时所需关闭力的大小。

下面对2者的试验方法进行分别说明。

4.1 防夹力的测量

如图6所示，车门窗全部关闭，应用标定防夹力工具（刚度一般为10 N/mm）测量。电动关闭尾门，尾门碰撞到标定测力设备时防夹反转，设备读取关闭力值（也是此处的防夹力值）。需要注意的是，标定工具在测量关闭力时，测量的位置需要尽量靠近半锁位置，但要保证在图4 中变力位置左侧的A 区域内(避免车身侧的反力影响)，且相关控制器防夹控制参数需要与半锁点位置保持一致。

图6 防夹力的测量

4.2 静关闭力的测量

如图7所示，手动关闭尾门，应用测力计通过垫片顶住尾门外部，位置尽量对准尾门锁所在的位置，缓缓推动测力计，让测力计推动尾门至半锁吸合位置，记录下最大读数[2]。这时的读数为尾门的半锁静关闭力。屏蔽尾门锁的吸合功能，重复上面的测试动作，让测力计推动尾门至全锁位置，记录下最大读数。这时的读数为尾门的全锁静关闭力。当需要测量极限静关闭力时，只需要提前根据具体车型的实际情况，调整该车型尾门处于极限工艺状态再进行测量即可。

图7 尾门静关闭力的测量

5 实车测量结果验证

根据3.3 节中对极限工况车的定义，通过在尾门密封面上粘贴不同厚度的橡胶贴片，调整限位块状态，得到极限工况的试验车辆。进行试验测量的结果如下表4所示。

表4 某车型尾门极限静关闭力及防夹力测量结果

根据试验结果可以看到，实测结果与计算结果的偏差在10%以内，且关闭状态结果与计算结果一致。

在实车的测量验证过程中，也存在一些不足，比如试验样本有限、极限工况车辆密封面的转角位置无法粘贴橡胶贴片、通过橡胶贴片来调整密封面内间隙时存在0.5 mm左右的偏差等。综合以上，极限工况车辆的整备测量过程比较繁琐，受车况的影响因素很多，后续的研究可以在简化分析工况上做更多工作。

6 总结

电动尾门关闭力的设计是电动尾门系统开发设计中的难点。本文介绍了电动尾门的工作原理，通过系统的分析建立了电动尾门静关闭力的简化模型，并应用EXCEL 软件编程，实现了对尾门静关闭力的计算，同时给出了合理静关闭力的判定条件，并说明了电动尾门关闭力的测量方法，进行了实车验证，可为后续车型的电动尾门关闭力设计提供参考依据。