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

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按鈕，遙控車鑰匙，中控儀表按鈕或者尾門相應感應區域，自動開關后備箱門的系統。該系統具有手自一體、智能防夾、緊急停止和高度記憶等功能，為了實現這些功能，文章中電動尾門系統由以下模塊組成。

1）驅動模塊：驅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，撐桿通過內部的電機和齒輪驅動螺母螺桿來實現尾門的開啟和閉合。一般電動尾門的電動撐桿分為雙邊驅動或者是單邊驅動。雙邊驅動則要求行李箱蓋兩邊均安裝主動驅動裝置，而單邊驅動的一邊只安裝普通的液壓撐桿，不具備電機驅動，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，對尾門的操作發出相應的指令。

3）尾門電動鎖模塊：該模塊是電動尾門關閉和釋放的最終執行模塊。在尾門關閉的過程中，當固定在車身的鎖扣觸發尾門鎖的微動開關時，鎖閂將在內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操作的釋放指令時，電動鎖自動釋放，尾門在控制模塊和驅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：電動尾門應具有智能檢測障礙物并實現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部電機的霍爾傳感器實現，當尾門在開啟或者關閉的過程中遇到了障礙物，防夾條直接被觸發或者霍爾傳感器檢測到電機轉速超出設定范圍，行李箱蓋自動反方向運動實現防夾功能。

2 電動尾門的關閉問題及分析

2.1 電動尾門出現的問題

本案例中在沒有障礙物的情況下，電動尾門到關閉行程最后，也就是在行李箱鎖閂將要到達二級鎖止位置時出現失效，即控制模塊偵測到行李箱蓋關閉阻力過大，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%，嚴重影響了生產節拍和質量數據。

2.2 電動尾門關閉力的測量與分析

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

1）測量驅動系統失效臨界力，如圖1所示，車窗全部關閉，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微動開關的位置為佳。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 電動尾門驅動系統失效臨界拉力測量圖

2）測量尾門真實關閉力，如圖2所示，車窗全部關閉并關閉電動尾門系統，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 電動尾門真實關閉力測量圖

按照上述方法測量得出，關閉力在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閉力已經需要225 N，然而控制模塊在系統中設定臨界力為不大于200 N，所以驅動系統關閉尾門所要克服的阻力已經遠大于系統的標準，尾門關閉力過大。

3 電動尾門關閉力影響因素分析與試驗設計驗證

通過分析該車型電動尾門系統的組成，對電動尾門關閉力的影響因素進行分析，并通過相應的DOE設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，發現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、鈑金的焊接質量以及尾門與車身的裝配質量。通過三座標測量發現鎖扣對應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。通過工裝夾具調整后，焊接精度和尺寸得到了提高，但是發現鎖扣在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果

3.1.2 密封條壓縮載荷

尾門在關閉過程中，密封條與尾門內板接觸，持續受到擠壓變形，產生一個反向的作用力，從而吸收車門關閉的能量。密封條對車門關閉力的影響取決于密封條材料、體積質量、斷面厚度和轉折點的位置等[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，根據檢測報告，實測數值為7.0 N/100 mm，滿足設計標準。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鍵屬性起到了重要作用，因此增強條對尾門關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。在尾門完全關閉的狀態，橡膠緩沖塊處在被壓縮的狀態，用以限制尾門在關閉瞬間產生過位移，同時也限制了在汽車經過顛簸路面時，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

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

在車門關閉過程中，因空氣壓力變大而產生的空氣阻力（ΔF/N）為：

式中：P0——標準大氣壓，Pa；

Pi——車門關閉時，駕駛室容積空間內氣體壓力，Pa；

V0——車門關閉前，密封條未壓縮時駕駛室容積空間，m3；

Vi——車門關閉后，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構已經設計完成的前提下，只有更改空氣質量才能降低Pi。在本例中，車身側圍兩側各有2個膜片結構形式的單向通風閥可達到此目的。空氣阻力的變化不易測量，但是可以通過測試空氣流量的數值來檢測實際情況是否滿足設計標準，經測量，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。基于目前現有的設計結構，如果再提高空氣流量，會對整車NVH和漏水等性能產生影響，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，控制軟件的關門速度以及ECU對傳感器中障礙物識別的閾值設定也會對尾門關閉力有一定的影響，但是如果提高關門速度或者障礙物閾值，將會對用戶體驗產生影響。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 試驗設計及驗證

試驗設計是應用數理統計學的基本知識，合理地安排試驗、取得數據，然后進行綜合科學分析，從而盡快獲得最優組合方案。在工程領域是改進制造過程性能非常重要的手段并有著廣泛的應用。基于上面的分析，本例設計了4因素2水平的試驗來分析降低關閉力的主次因素和最優調整方案。試驗設計正交表及測量結果，如表1所示。

表1 尾門關閉力試驗設計組合表

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，則鎖扣向車前調整到極限相對中值為-3 mm，向車后調整到極限為+3 mm，鎖扣的位置就決定了密封間隙的大小；對于密封條增強條和尾門緩沖塊在試驗中則簡化考慮了2種狀態，即保留和去除。

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

圖6 尾門關閉力主效應圖

圖7 尾門關閉力交互作用圖

從圖6可以看出，調整鎖扣位置和密封條壓縮載荷的高低是影響尾門關閉力的主要因素，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，鎖扣位置向車后調整3 mm，可以推斷如果鎖扣處的密封間隙增大3 mm，關閉力減少了近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。

通過以上的數據測量與分析，在本例中得出一套實踐性強且效率高的調整方案：1）調整工裝夾具，保證車身焊接質量；2）設計工裝向后調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，優化尾門關閉力；4）根據穩定后的生產過程，重新標定電動尾門控制軟件，確保系統相互兼容。

4 結論

車門關閉力一直是汽車在設計和生產中最為復雜的系統性問題，文章通過理論與實踐的結合，運用了質量分析工具，對電動尾門關閉時出現反彈和鎖止的問題進行了分析和驗證，明確了以調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，經過實踐的驗證，該問題得到了顯著的改善，保證了生產的質量和效率。如今用戶對于新技術的體驗和要求正在不斷增加，如何保證電動尾門系統更加穩健，比如扭轉路面上電動尾門關閉的問題等將會成為工程師們繼續研究和攻克的方向。