汽车电动尾门系统及电动撑杆的设计研究

吴越强，赵一杰，徐安生，丁日春

（斯泰必鲁斯（江苏）有限公司，江苏 常州 213000）

0 引言

随着汽车行业的不断发展及电子技术的成熟稳定，汽车电动尾门技术已经被各个主机厂广泛应用和推广。由于该电动尾门功能解决了终端消费者手动开闭尾门费力的困扰，因此越来越被大众所接受且喜欢。目前市场上常规的电动尾门执行机构基本都是电动撑杆式，其布置结构与目前的尾门气弹簧的布置形式相同，拆装方便，不需要占用过多的流水槽及尾门内饰板空间[3]。本文针对目前主流的电动尾门系统技术方案，不仅从系统功能上进行了设计，还针对尾门系统的核心部件——电动撑杆进行了全方面的设计分析，为后续电动撑杆式电动尾门的设计者提供理论依据。

1 电动尾门系统简介

1.1 电动尾门系统组成

如图1所示，电动尾门系统主要由电驱动执行机构、控制模块系统、锁系统构成。若有新增功能便利性及二级保护需要，还可以加装脚踢传感器及防夹条。

图1 电动尾门系统结构框图

1）电驱动执行机构。电驱动执行机构即电动撑杆，通过电撑杆上的球窝与车身及尾门支架上球头相连接，当电撑杆伸展或压缩时，汽车尾门也做开门或关门运动。

2）控制模块系统。控制模块系统是整个电动尾门系统的大脑，主要以微处理器为核心，包括电动机驱动、按键信号处理、霍尔信号处理、CAN通信等主要模块。电动机驱动模块是通过PWM引脚向电动机传递PWM波，电动机转速也可以通过改变PWM波的占空比来实现；按键信号处理模块是将按键产生的信号处理完成后传递到微处理器，微处理器会根据其信号来控制电撑杆内电动机执行相对应的动作；霍尔信号处理模块是微处理器根据霍尔传感器传出的信号进行处理，然后检测电动机的转速并判断电动机的转动方向；CAN通信主要用于与车身BCM进行相互通信[5]。

3）锁系统。电动吸合锁主要是由吸合电动机、锁扣总成、门锁总成等部件组成。电动锁为电动尾门的开启时初始执行部分及关闭时最终执行部分。当接收到来自遥控钥匙或尾门开关按钮的打开指令时，电动锁将解锁，尾门电动撑杆在ECU的作用下按照标定的速度将尾门打开到相应高度；当尾门在关闭时，其车身上的锁端口将触发尾门上电动门锁的开关，锁内电动机将产生动力以拉动锁栓自动闭合，并确认尾门是否完全落锁。在尾门将要完全关闭时，ECU会控制尾门降低速度，其电动吸合锁将伸出一段距离将其拉回并锁紧，这样可降低由快速关门而造成的噪声和车身损伤。

1.2 电动尾门系统功能

在电动开启过程中，尾门控制器ECU发出尾门解锁指令，该解锁信号反馈给ECU确认后，电动撑杆做开门动作，同时霍尔传感器不断采集电撑杆位置信号及防夹信号，一旦有防夹信号产生，其电动撑杆立即停止作动。当开门动作全部完成后，其尾门系统将进入待机状态[4]。

在电动关闭过程中，尾门控制器ECU将直接向电撑杆发出关门指令，同时霍尔传感器不断采集电撑杆位置信号及防夹信号，一旦有防夹信号产生，电撑杆将停止作动或反向运行一段行程。当电动尾门关闭到尾门锁的半锁位置时，ECU将收到半锁信号，并发出尾门锁电动吸合命令动作，尾门关闭至全锁状态，从而完成关门动作。

电动尾门电动功能如表1所示。

表1 电动尾门功能表

1.3 电动尾门系统应用技术方案

目前电动尾门系统主要有两种应用技术方案：1）双侧驱动。其优点是汽车尾门两侧受力比较均衡，对尾门扭转刚度影响较小，因此对尾门材料不受限制，其尾门两侧面差间隙也较小，其缺点是成本相对较高。2）单侧驱动。一侧是电驱动执行机构，另一侧是气弹簧或平衡杆，其缺点是尾门两侧受力容易不均衡，尤其当尾门材料为塑料时，尾门扭转变形严重，其单侧驱动方案将无法适用，优点是成本较低。

2 电动撑杆设计

2.1 电动撑杆结构

电动撑杆的基本结构如图2所示，主要由电动机、齿轮箱、刹车片、丝杆、导向管、机械弹簧、球窝等部件构成。

图2 电动撑杆结构图

电动撑杆内电动机收到ECU发出的指令后进行正转或反转，输出动力，通过齿轮箱减速增扭后将力矩传递到丝杆端，其丝杆螺母与丝杆发生相对转动，由于丝杆总成内滚珠轴承的作用及丝杆螺母外轮廓被导向管的内轮廓的限位，将其旋转运动变成直线运动，从而推动电撑杆的伸展和压缩，并在机械弹簧的作用下，实现尾门的电动开启或关闭[2]。

2.2 电动撑杆周边间隙检核

电动撑杆一端的球窝与车身端支架的球头相匹配，电动撑杆的另一端球窝与尾门上球头相连，在电动开闭过程中，尾门将以铰链为轴线绕其做旋转运动，如图3所示。电动撑杆布置完成后，需要对边界间隙进行校核，保证其最小距离大于8 mm，避免由于尾门或车身在极限工况下发生的变形所导致的撑杆与周边零件的触碰干涉。

图3 电动撑杆布置图

2.3 电动撑杆驱动输出力值计算

根据图4所示，尾门重心点在X方向的力臂Rx随尾门开启角度变化的公式为

图4 尾门开闭角度、重心坐标、重心力臂示意图

Rx=Rswp×cos（αcog+α1）。

式中：αcog为尾门重心位置初始角度，α1为尾门开启角度，Rswp为尾门重心点力臂。

尾门重力及力臂所组成的尾门重力矩随角度变化的公式为

Tw=Rswp×Rx。

其曲线如图5所示。

图5 尾门重力矩随角度变化示意图

根据图6所示，电动撑杆的驱动输出力值公式为

图6 尾门开闭角度、两端球头坐标、两端球头间相对力臂示意图

图7 尾门电撑杆驱动输出力值随角度变化示意图

Fout=Tw÷Rsp÷Nno.。

式中：Rsp为两端球头间相对力臂，Nno.为电动撑杆的数量。图6中：α0为尾门关门位置时的初始角度，α1为尾门开启角度。

2.4 手动模式下开闭操作力计算

电动撑杆内置机械弹簧为压簧，因此在手动开启尾门过程中，手动操作力和电撑杆的手动输出力共同克服尾门重力，从而实现尾门开启；在手动关闭尾门过程中，手动操作力与尾门重力共同克服电撑杆的手动输出力值，从而实现尾门关闭。

关门手力计算公式为

F关门手力=（-T撑杆+T尾门重力矩）/R手力操作力臂。

开门手力计算公式为

F开门手力=（T撑杆-T尾门重力矩）/R手力操作力臂。

电动尾门在全工况下，其手动开闭的最大力值目前设计小于120 N，在关门方向，最大开闭角度时的末端保持设计力值大于40 N。若不满足设计目标值，则可以调整弹簧力值、丝杆导程、摩擦片转矩、车身及车门端球头两端安装点位置。其尾门手动开闭力值随角度变化如图8所示。电动撑杆在压缩方向的被动力值计算公式为

图8 尾门手动开闭力值随角度变化曲线

F压缩=L行程×C弹簧系数+F1弹簧+F电撑杆内部摩擦阻力。

电动撑杆在伸展方向的被动力值计算公式为

F伸展=L行程×C弹簧系数+F1弹簧-F电撑杆内部摩擦阻力。

2.5 电动撑杆内部系统摩擦阻力计算

电动撑杆被动摩擦力值主要由2部分组成：电撑杆内部摩擦阻力和机械弹簧力值。而电动撑杆内部摩擦阻力主要有三大影响因子：电动机齿槽转矩、丝杆导程和刹车片转矩。电动机的齿槽转矩受硅钢片尺寸和磁铁材料性能的限制，一般不会调整电动机的齿槽转矩，若电动机的齿槽转矩保持不变，电动撑杆内部摩擦阻力的大小可通过选用不同转矩的刹车片总成调节，也可通过选用不同规格的丝杆导程调节。对电动撑杆内部摩擦阻力大小的调节方法及优缺点如表2、表3所示[6]。

表2 增大电动撑杆内部摩擦阻力的方法

若电动撑杆内部不带刹车片，其内部摩擦阻力基本计算公式为

若电动撑杆内部增加刹车片，其内部摩擦阻力基本计算公式为

2.6 电动撑杆内机械弹簧力值设计

电动撑杆内部机械弹簧力值在电动撑杆输出力值中的占比较重，而其弹簧力值与弹簧的弹性系数是机械弹簧设计的关键。若力值与弹性系数设计得不准确或不合理，则有可能会导致尾门在相应开度区域无法保持悬停，手动开门时会出现快速弹起的现象，手动开关门时的操作力过大，甚至电动撑杆在开闭过程会出现电动机失效的问题。

悬停的定义是：尾门在开闭过程中，在任意开度位置均可以停止并保持。在悬停状态下，电动撑杆的输出支撑力与尾门自身的重力相互作用，此时电动撑杆内电动机停止工作，电动机内部的齿槽转矩提供摩擦阻力，电动撑杆的输出力值为机械弹簧力值与电撑杆内部系统摩擦阻力的合力[1]。

当电动撑杆的输出力值在“机械弹簧力值-撑杆内部系统摩擦阻力”与“机械弹簧力值+撑杆内部系统摩擦阻力”之间时，尾门可保持悬停状态。

机械弹簧力值的初始力值与弹性系数在确定的情况下，弹簧的输出力值会与尾门的开启角度成单一变量的函数。在保证手操作力不过大的基础上，在调整机械弹簧力值与弹性系数时，应尽可能让“电动撑杆的输出力值-撑杆内部摩擦阻力”最小为设计依据，以便可以使整个电动尾门系统在上下坡、高低温等各种工况下能满足悬停的可靠性。

3 结论

随着尾门电动功能的广泛使用，整个尾门电动系统的鲁棒性设计变得越来越重要。而电动撑杆本身的应用设计及与控制器ECU的标定匹配将会是电动尾门系统的最难点。若设计不合理，将导致尾门手动操作力偏大、开启最大角度无法悬停、自开启或自关闭、电流过大、导致电动机烧蚀失效等问题。本文通过对电动尾门的整体系统功能进行了阐述，对电动撑杆的周边间隙进行了校核，提供了电动撑杆驱动输出力值及手动模式下操作力值的计算方法，并且针对电动撑杆系统的内部摩擦阻力及机械弹簧力值的设计分析也提供一定的理论依据。