電動尾門撐桿布置和力學計算

王伯坤

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

關鍵詞：尾門;撐桿布置;力學計算

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

隨著科學技術的進步以及人們生活水平的提高，電子驅動和遙控技術在汽車上得到了廣泛應用，電動尾門作為電子驅動技術的一種也是如此，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，具有結構緊湊、外形美觀、不占用側圍空間的特點，廣泛應用于中大型SUV車型。汽車電動尾門是一個系統性的集成，其主要包括電動撐桿、控制器、電吸鎖、防夾條（選裝）、腳踢（選裝）。

在尾門設計過程中，尾門撐桿的布置非常關鍵，其布置是否合理直接關系到尾門能否正常關閉和是否能夠懸停。電動撐桿提供的支撐力通過對鉸鏈旋轉軸產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閉。根據整車設計要求確定鉸鏈旋轉軸中心位置，再根據人機工程學分析，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，又可以手動關閉尾門時容易拉到拉手或關門開關按鈕。

1 電動撐桿結構簡介

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，進行正轉或反轉，通過減速箱減速增加扭距后，驅動螺桿轉動，螺桿和螺母之間產生相對運動，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閉位置。

2 電動撐桿的幾何布置分析

現代汽車從汽車前后看，大多數呈“八”字形。電動撐桿是裝配在尾門流水槽內，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點為尾門完全關閉狀態時，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為尾門在關閉狀態時，B點與Z軸的夾角，rad;β為尾門在關閉狀態時，質心與Z軸的夾角，rad;θ為尾門運動時的角度，rad。

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

根據圖4可知：

式中：XO，ZO----鉸鏈中心在XZ平面上的坐標，mm;

XM，ZM----尾門質心在XZ平面上的坐標，mm。

根據式（3）和式（4）可以得出尾門質心M運動時的坐標（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。

同理，撐桿尾門安裝點運動時的坐標：

式中：XB，ZB----尾門關閉時，撐桿尾門上安裝點的初始坐標，mm;

XB，ZB----尾門開啟到某一角度時，撐桿尾門上安裝點的坐標，mm。

根據海倫面積公式可以求得電動撐桿支撐力的力臂d：

3 電動撐桿力學計算和調整

電動撐桿輸出力主要由三部分組成：驅動電機輸出力、彈簧彈力和系統內部阻力。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設計是電動撐桿設計中最關鍵的，直接影響到電動撐桿開啟和關閉過程是否平順和懸停，而且還影響手動開啟尾門和關閉尾門的操作力。

電動撐桿有2個重要指標：懸停狀態和手動操作力，以下將主要分析這2個指標。

3.1 懸停分析

尾門開關閉行程中，尾門能在開啟角度范圍內任意角度保持停止狀態稱為懸停狀態，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內部阻力的合力。根據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。

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。在初始彈力和彈性系數一定的情況下，彈簧彈力只跟彈簧的伸長量有關，而彈簧的伸長量又只跟電動撐桿的伸長量AB有關，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。

電動撐桿提供的輸出力F是由彈簧彈力Fs和撐桿內部阻力f的合力。汽車尾門在懸停狀態時，應滿足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為關閉力;F2為開啟力;L1為關閉力的力臂;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尾門的開啟;此時彈簧彈力FS與撐桿內部阻力f方向相反，電動撐桿輸出力F=FS-f，根據力矩平衡原理，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尾門的開啟;此時彈簧彈力FS與撐桿內部阻力f方向相同，電動撐桿輸出力F=FS+f，根據力矩平衡原理，可以得出尾門在任意角度時的手動關閉力F2：

將代入到式17和式18中，由于尾門的形狀、尾門重量和關門位置都是由整車設計決定的，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，假設撐桿安裝點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為變量函數的曲線如圖7。

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

4 電動撐桿布置校核

經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（線徑、螺距、自由長度）等參數基本就可以確定。根據這些參數規格就可以建立電動成的3D數模，將3D數模放到整車廠提供的電動撐桿周邊環境數據（如尾門內板、流水槽等）內檢查。要求不能有干涉并且留有足夠的間隙（≥10mm），如圖8安裝狀態斷面圖。利用CATIA的DMU模塊，對電動撐桿的3D數模進行運動分析，來校核電動撐桿在整個開啟關閉過程中的有效空間，如圖9。根據運動分析結果，是否需要做一些必要的調整。

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，并根據分析結果，對相關部位或結構進行調整加強。

參考文獻：

[1]李仲煒.汽車電動尾門關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的設計研究[J].汽車實用技術，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。