電動尾門系統的設計分析

高志龍 匡小軍 李航 聶根輝

摘 要：本文基于某款車型的電動尾門系統開發工作，介紹了電動尾門基本的工作原理，對主要零件的布置要求做了說明，通過理論分析與軟件輔助，對已設計過程中的布置進行有效的校核，以期達到設計的穩健性。

關鍵詞：原理;布置;性能;校核

1 引言

隨著國內汽車市場的逐漸成熟，汽車也不再是簡單的運輸工具，用戶對于汽車的需求早已不再是“一套沙發，四個車輪，能跑就行”。汽車的便利性、舒適性、人機交互甚至互聯網的屬性受到了前所未有的關注。電動尾門這類便利性功能配置逐漸普及開來。隨著市場規模的逐漸擴大，成本逐漸降低，電動尾門從以往的高端車型才有的配置到開始下探到中低端車型。由于SUV、MPV尾門整體尺寸較大，重量也較大，所以電動尾門在這類車型上的應用更加廣泛。

2 電動尾門系統的構成

電動尾門系統（Power Lift Gate System，簡稱PLG）主要由控制系統、驅動機構、鎖構成，另外可以選裝腳踢傳感器增加便利性，選裝防夾條增加二級防護功能。

驅動機構目前主要有三類[1]：

第一類為電撐桿式，即替代傳統的氣彈簧[2]，直接布置在尾部流水槽內。第二類為鉸鏈驅動式，即驅動機構布置在頂蓋位置，使用鵝頸鉸鏈代替一般的內旋式尾門鉸鏈，驅動機構驅動鉸鏈開啟尾門，也可以配合氣彈簧應用在重要較大的尾門上。第三類為擺臂連桿式，即驅動機構布置在側圍上，通過連桿與與尾門連接，配合氣彈簧實現尾門的開閉運動。其中，電撐桿式由于布置簡單，占用空間小，同時對乘員的頭空和乘員空間影響最小，得到了廣泛的應用。電撐桿式又可以分為單側驅動和雙側驅動兩種。雙側驅動兩側受力平衡，容易控制尾門的間隙段差，同時對尾門的扭轉剛度影響小，是目前較好的方案，但是成本相對較高;單側驅動為一種低成本補充方案：一側為驅動撐桿，另一側為氣彈簧和機械彈簧為主構成的被動平衡桿。其兩側受力不均衡，難匹配，對尾門兩側的間隙段差控制難度大，見圖1。

3 電動尾門的工作原理

電動尾門控制模塊（Power Lift Gate Module，簡稱PLGM）與其他模塊通過CAN總線網絡通訊[2]，網絡拓撲如圖2。PLGM需要接收檔位、車速、電源模式、車輛防盜狀態及開關控制等信號，并且需要發送電動尾門運動狀態、開度位置設置、尾門鎖狀態等信號。一般ECU內部集成CAN bootloader，可以通過OBD進行安全訪問可以進行在線軟件刷新、故障診斷等。

電動尾門系統框圖如圖3所示，PLGM模塊直接控制左右電撐桿（單側驅動時只控制一側）、左右防夾條、尾門鎖以及蜂鳴器。其中蜂鳴器可以內置在控制模塊中，也可以外接。

例如，PLGM接收CAN總線上ESC發送的相關信號如車速信號和TCM發送的擋位信號，來判斷基本的開門條件。當總線上相關的開關信號觸發時，控制電撐桿電機正轉反轉或者停止，鎖電機進行吸合或釋放動作。同時根據電撐桿的霍爾信號來判斷是否發生防夾，并完成相關的防夾策略。

在開門初段如果霍爾信號沒有變化，則判斷此時可能處于冰凍狀態，需要執行破冰策略以保證尾門可以開啟。當霍爾信號變化速度與標定的變化速度相差較遠，則判斷尾門現在是雪載狀態，即進入雪載模式。此兩種策略盡可能的保證了在客戶端的正常使用，而不容易出現電動尾門失效不能正常舉升問題。

4 電撐桿的布置

4.1 電撐桿的結構

電撐桿基本結構如圖4，主要由霍爾板、電機、齒輪箱、絲桿、絲桿套管、機械彈簧、外套管、彈簧套管以及兩端的球窩等構成。

霍爾板中一般設計有兩個霍爾傳感器，用于判斷撐桿的運動速度以及位置，用以記憶用戶設置的高度，還可以將位置信號轉換為開度信號，實時反饋到總線上，多媒體利用此信號進行動畫展示。另外還可以根據霍爾信號的變化速率來判斷尾門在開關門過程中是否遇到障礙物發生防夾。

電機通過齒輪箱減速增扭將力矩傳遞到絲桿。絲桿與注塑有螺母的絲桿套管配合，將電機傳遞過來的旋轉運動轉化為直線運動，同時配合機械彈簧推動尾門的開閉。

電撐桿的一端通過球窩與球頭構成球面副裝配在車身支架上，另一側亦是通過球窩與球頭匹配裝配在尾門上。

4.2 電撐桿力學性能的校核

由于車身造型原因，一般情況下尾部左右流水槽呈“八”字形，為便于力矩平衡分析，將撐桿投影到X-Z平面內。如圖5，O點為尾門鉸鏈中心點，A點為電撐桿在車身側的安裝點，B點為電撐桿在尾門側的安裝點，C點為尾門的重心。B、C分別為B、C點尾門運動過程中對應的點。故在平坡、上坡、下坡情況下分別有公式1～5。

由上分析，在一定的坡度θ下，電撐桿的輸出力Fspindle是單一變量β的函數。故設計前期如果尾門最大開啟角度，即β的變化范圍已確定，且重量重心位置無法改變時，只能通過調整電撐桿的安裝點來改變撐桿的力臂對電撐桿進行力學性能匹配。

4.3 電撐桿周邊間隙的校核

電撐桿布置完成后需要對其進行運動校核，保證最小間隙大于8mm。利用UG中的運動仿真功能建立仿真模型：

4.3.1 建立連桿

①將鉸鏈銷軸和車身側支架建立為固定連桿L001;②將尾門鈑金、尾門側支架或球頭建立為L002連桿;③將撐桿外套筒和車身側球窩建立為L003連桿;④將彈簧外套筒和尾門側球窩建立為L004連桿。其余不參與運動的在模型中作參照。

4.3.2 建立運動副

L001與L002之間設置萬向節運動副，L002與L003之間設置柱面運動副;L003與L004之間設置萬向節運動副，L002與L001之間設置為旋轉運動副，并設置驅動速度為“恒定-速度”。

4.3.3 建立測量

可以分別建立多組測量，每組測量選取兩個需要實時測量間隙，設置需停止運動的閾值并激活。

最后建立解算方案，并求解即可，見圖6。

5 防夾條的布置

5.1 防夾條的工作原理

智能防夾除PLGM利用霍爾信號進行防夾外，還可以通過在Δt時間內的電流變化ΔI來進行判斷。通過設定一定的閾值，當ΔI超過此值后啟動防夾策略。

上述防夾的標定一般是參考的尾門下邊緣的防夾力，此處的防夾力一般在70N左右對人體的傷害較小。當尾門電動關閉時，通過杠桿作用，距離尾門鉸鏈軸線越近，此處障礙物承受的壓力越大，霍爾防夾在此處也越不靈敏;電流防夾也不可以將防夾力標定過小，原因如下：

故僅僅依靠電流或者霍爾來實現防夾很可能導致靠近鉸鏈軸線的位置防夾失效，有一定的安全風險。故很多車型都配置有防夾條一般布置在尾門左右邊緣，用于二級安全防護。

如圖7（a），防夾條的截面有很多種，但基本的機構和原理都一樣。防夾條內部有兩根導線，導線被導電橡膠包裹，末端連接有電阻值較大的電阻，未觸發情況下隔離開一定距離。如圖7（b），是一種典型的截面，為提升防夾性能，一般工作角度范圍最小為90°。當尾門關閉過程中，防夾條處遇到障礙物時，如手指等，防夾條受到擠壓，包裹在橡膠中的導線通過導電橡膠接觸，防夾條回路中的電阻由初始較大的末端電阻R迅速減小到較小的電阻，電流也因此急劇變化，PLGM通過對電流的變化來判斷防夾條發生防夾，立即控制撐桿電機反轉或者立即停止。一般防夾條需要通過3M膠在安裝板上，再安裝在尾門上，也可以直接卡在尾門鈑金上，主要參照尾門的安裝環境和條件。

5.2 防夾條布置校核

如圖8為尾門防夾條與實車環境匹配的一處截面，紅色實線為手指模型，虛線為手指模型公差，指模型放置在尾門左右分縫處，將防夾條按照尾門關閉方向移動至剛好觸碰到手指的位置。L1為防夾條的夾手行程（即，尾門邊緣，一般為尾門鈑金、尾門玻璃或者是尾門副翼到手指模型的正公差狀態的距離，L2為防夾條的觸發行程（在尾門全關位置與剛好觸碰到手指時的距離），如果符合L1

6 控制模塊的布置

控制模塊通常布置在艙內，水環境相對較好，故一般情況不做特別的防水處理。但是布置模塊需要保證接插件向下10°以內，以保證艙內空調冷凝水可以順利排出不積在模塊內部，如圖9。

控制模塊的布置也需要考慮到線路中的壓降，因此不宜距離尾門撐桿電機過遠。通常情況下控制模塊布置在后側圍上或者尾門上，具體需要結合線徑計算回路內阻，保證不影響撐桿正常的工作。

7 結語

本文介紹了某款車型的PLG基本工作原理，對電撐桿的力學性能進行了理論分析，并利用UG軟件對其周邊環境進行間隙校核;對防夾條進行的布置和校核也明確的提供了相應的方法，保證設計的穩健性，同時為后續項目提供了經驗。

參考文獻：

[1]李超帥，王炳飛，林森，于波，李瑞生.汽車電動尾門系統的設計研究[J].汽車實用技術.2018（09）：54-57.

[2]陳峰.汽車背門氣彈簧布置[C].創新裝備技術 給力地方經濟——第三屆全國地方機械工程學會學術年會暨海峽兩岸機械科技論壇論文集.2013：11.

[3]劉金鳳.基于CAN總線的汽車電氣系統的設計研究[J].微型電腦應用.2019（35）：124-126.