某乘用車MPV電動(dòng)滑移門齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的合理布置與分析

摘 要：旨在探討MPV乘用車電動(dòng)滑移門中齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化，解決傳統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)存在的噪聲大、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性不足、使用壽命短（柔性傳動(dòng)）等問題。齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)作為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)滑移門精準(zhǔn)控制與平穩(wěn)運(yùn)行的核心部件，其設(shè)計(jì)的合理性、布置優(yōu)化直接影響到整個(gè)車門系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。主要通過對該結(jié)構(gòu)的基本受力計(jì)算、嚙合特性、材料選擇、噪聲控制及靜力學(xué)分析特點(diǎn)進(jìn)行闡述分析，有效得出一種高效、低噪、長壽命的電動(dòng)滑移門機(jī)械驅(qū)動(dòng)的解決方案。

關(guān)鍵詞： MPV；滑移門；齒輪齒條傳動(dòng)；布置優(yōu)化；靜力學(xué)分析

汽車乘用車市場日益加速競爭的今天，汽車的外觀性、可靠性、耐用性成為了消費(fèi)者追求的重點(diǎn)，其中汽車電滑門作為MPV乘用車中高端配置，不僅給乘客提供上下車的舒適性和便捷性，而且提升了乘用車本身的智能化。隨著汽車智能駕駛逐步成熟以及汽車市場的需求提高，汽車電動(dòng)滑門傳動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析成為汽車設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域一個(gè)重要方向。

MPV電動(dòng)滑移門齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)合理布置原則

電動(dòng)滑移門齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)的合理布置應(yīng)當(dāng)是在滿足功能性（如運(yùn)動(dòng)性能）和可靠性要求的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效、低噪、長壽命的目標(biāo)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考量各項(xiàng)因素，以確保最終設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。電動(dòng)滑移門齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理布置原則總結(jié)三大方面考慮。

1.空間優(yōu)化與質(zhì)量

結(jié)合某MPV乘用車已經(jīng)上市，內(nèi)部空間有限，齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)包括齒輪、齒條以及相關(guān)連接部件的尺寸和布局必須要緊湊設(shè)計(jì)，以最小化去降低對車內(nèi)空間的影響。同時(shí)兼顧零件的輕量化設(shè)計(jì)，這不僅有助于提高燃油效率，還能減少對滑門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。因此，選擇輕質(zhì)而強(qiáng)度高的材料（鋁合金或高強(qiáng)度塑料）對于齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要。

2.平穩(wěn)靜音性與耐久可靠性

為了提升乘客體驗(yàn)，傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)有良好的減振和降噪措施。這可能包括使用帶有消聲材料的齒輪、優(yōu)化齒輪齒形以減少嚙合噪聲，以及采用低摩擦材料或潤滑系統(tǒng)。考慮到滑移門頻繁的使用需求，系統(tǒng)必須能夠承受長期的磨損和環(huán)境變化（如溫度波動(dòng)、濕度等）。選擇耐磨材料、合理的應(yīng)力分布設(shè)計(jì)及防銹處理都是必要的。

3.維護(hù)便利性

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮后期的維護(hù)和檢修，確保齒輪齒條組件易于檢查和更換。

電動(dòng)滑移門齒輪齒條布置方案與設(shè)計(jì)分析

1.齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)

電動(dòng)滑移門齒輪齒條結(jié)構(gòu)包括執(zhí)行器（減速電動(dòng)機(jī)）作為動(dòng)力輸出、中間動(dòng)力傳遞的齒輪以及車身導(dǎo)軌齒條組成，齒輪齒條在車身與車門布置方案以及動(dòng)力傳遞如圖1所示。

其中，執(zhí)行器（減速電動(dòng)機(jī)）以及中間動(dòng)力傳遞的齒輪將作為電動(dòng)下驅(qū)總成的內(nèi)部零部件，電動(dòng)下驅(qū)動(dòng)擺臂總成通過螺栓與車門外鈑金緊固連接，而導(dǎo)軌齒條將設(shè)計(jì)為一個(gè)整體零件通過螺栓與車身腳踏鈑金緊固連接，并取代原先的手動(dòng)下導(dǎo)軌，由此形成了從動(dòng)力輸出到執(zhí)行傳動(dòng)的半開環(huán)結(jié)構(gòu)。由于車身對滑移門的下擺臂運(yùn)動(dòng)空間的限制，同時(shí)為了能實(shí)現(xiàn)滑移門手自一體功能，依據(jù)周卜軍等在2009中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集中報(bào)告《中滑門關(guān)閉力的分析及改進(jìn)》中“AUDIT”主觀評價(jià)電動(dòng)滑移門水平關(guān)閉力在38N以下為用戶可接受，因此，齒輪布置滿足傳動(dòng)比的同時(shí)要減少齒輪的數(shù)量，本次動(dòng)力傳遞的齒輪取三級減速傳動(dòng)以減少關(guān)門時(shí)的阻力，輸出速比1.4，動(dòng)力端減速電動(dòng)機(jī)額定輸出負(fù)載4N·m。根據(jù)公式

Ft=T×i×η/r" " " " " " " " " " " " " （1）

式中 T——減速電機(jī)額定輸出扭矩；

i——總速比；

η——傳動(dòng)效率（η=0.9）；

r——齒輪在齒條的滾動(dòng)半徑。

數(shù)值帶入公式（1）可以得到滑移門額定驅(qū)動(dòng)力Ft=193.84N，該數(shù)值大于實(shí)測12度坡滑移門拉力（140N），且該設(shè)計(jì)的齒輪與齒輪之間滿足連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)條件εα≥[εα]，其中[εα]為1.1～1.2。而齒輪與齒條安裝滿足標(biāo)準(zhǔn)節(jié)圓與分度圓重合，節(jié)線與分度線重合，如圖2所示滿足齒輪齒條嚙合原理，即α'＝α，因此該布置方案可靠合理。

2.系統(tǒng)傳動(dòng)材料選擇與有限元分析

本方案的齒輪齒條傳動(dòng)雖然平穩(wěn)可靠，但缺點(diǎn)就是噪聲問題突出，要想汽車電滑門齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)低噪、耐用的特點(diǎn)，就必須分析齒輪傳動(dòng)噪聲產(chǎn)生的主要機(jī)制，重合度是影響齒輪傳動(dòng)噪聲產(chǎn)生的一個(gè)因素[1]，當(dāng)然齒輪齒條運(yùn)行過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的頻率振動(dòng)，這是由于滑移門在設(shè)計(jì)過程中下導(dǎo)軌的承重輪與車身導(dǎo)軌之間在Y向投影存在一個(gè)角度θ，如圖3所示。

經(jīng)數(shù)模測量分析角度θ=10°，這就使得原手動(dòng)滑移門在平坡下由于重力帶來的分力，手動(dòng)滑移門在不借助外力情況下車門依舊能平穩(wěn)關(guān)閉，這就產(chǎn)生了齒輪齒條在運(yùn)行過程中摩擦產(chǎn)生振動(dòng)帶來的噪聲，這也是噪聲來源關(guān)鍵機(jī)制。通過文獻(xiàn)[2]提供的方法，采用復(fù)合材料方案來抑制齒輪齒條傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)，從圖4曲線數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料齒輪通過FFT（快速傅立葉變換）隨時(shí)間變化的加速度轉(zhuǎn)換為自然彎曲頻率的力有所降低，這就表明復(fù)合材料通過其獨(dú)特的物理特性（減震降噪特性）有效地吸收了振動(dòng)能量，減少振動(dòng)傳遞，從而降低齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的噪聲。同時(shí)，復(fù)合材料具有耐磨、自潤滑性和較高的內(nèi)耗性能等優(yōu)點(diǎn)，能有效吸收振動(dòng)能量，廣泛應(yīng)用在汽車傳動(dòng)裝置。

本文中的齒輪齒條算例基于Solidworks Simulation 實(shí)現(xiàn)，計(jì)算實(shí)例中，通過輸入齒輪的幾何參數(shù)建模生成齒輪，同時(shí)依據(jù)重合度等參數(shù)之后進(jìn)行裝配校驗(yàn)，取其中一對嚙合的齒輪與導(dǎo)軌齒條進(jìn)行分析，材料選擇PA12+5%玻纖，齒輪齒數(shù)z1=13，齒條截取部分齒數(shù)z2=29，模數(shù)m=2，彈性模量E=262 MPa，泊松比ν=0.34，壓力角α=20°的標(biāo)準(zhǔn)圓柱直齒輪進(jìn)行輪齒變形量與時(shí)變嚙合剛度靜應(yīng)力學(xué)分析。再者依據(jù)公式得到齒輪作用在齒條的力矩。

" " " " " " "M=KaFL" " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中 Ka——安全系數(shù)（取1.66）；

F——12°滑移門拉力；

L——齒輪半徑。

將數(shù)值帶入公式（2）可得到齒輪力矩M=3.02N·m。通過以上數(shù)據(jù)代入軟件分析計(jì)算得到齒輪齒條嚙合靜應(yīng)力分析圖解（見圖5）。

齒條與齒輪靜應(yīng)力有限元分析的結(jié)果可以看出，齒條與齒輪復(fù)合材料屈服應(yīng)力均小于材料本身安全系數(shù)范圍內(nèi)的許用彎曲應(yīng)力，因此，復(fù)合材料以及齒輪模數(shù)選擇符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，復(fù)合材料的使用也意味著該結(jié)構(gòu)達(dá)到輕量化、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)的要求。

3.工藝裝配流程

本次電動(dòng)滑移門齒輪齒條電動(dòng)下驅(qū)動(dòng)擺臂（以下稱為電動(dòng)下驅(qū)）方案在設(shè)計(jì)過程中考慮到電動(dòng)下驅(qū)在車門總裝線試制與批量生產(chǎn)的裝配工藝環(huán)節(jié)，流程如圖6所示。

該流程圖有助于識別電動(dòng)下驅(qū)與車門裝配生產(chǎn)過程中的工藝流程環(huán)節(jié)，分析生產(chǎn)效率，為后續(xù)工藝改進(jìn)和生產(chǎn)線平衡提供依據(jù)，從而提高生產(chǎn)效率和降低成本。同時(shí)本設(shè)計(jì)兼顧了后期的維護(hù)與更換，有效避免后期生產(chǎn)和維護(hù)造成不必要經(jīng)濟(jì)損失，本次設(shè)計(jì)是在充分利用手動(dòng)下擺臂（見圖7）運(yùn)動(dòng)空間基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一款實(shí)現(xiàn)內(nèi)部傳動(dòng)與外部承重一體的電動(dòng)下驅(qū)總成（見圖8），通過圖7和圖8可知，在后期的維護(hù)中電動(dòng)下驅(qū)安裝方式與手動(dòng)下擺臂一致，即兩者都通過螺栓與車門鈑金相連接，確保零部件組件易于檢查和更換，達(dá)到利于維護(hù)與更換設(shè)計(jì)的原則。

該流程圖有助于識別電動(dòng)下驅(qū)與車門裝配生產(chǎn)過程中的工藝流程環(huán)節(jié)，分析生產(chǎn)效率，為后續(xù)工藝改進(jìn)和生產(chǎn)線平衡提供依據(jù)，從而提高生產(chǎn)效率和降低成本。

結(jié)語

本文主要分析乘用車MPV電動(dòng)門齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置、分析以及工藝的合理性，該方案的實(shí)現(xiàn)有助于推動(dòng)汽車滑移門技術(shù)的不斷進(jìn)步，該齒輪齒條傳動(dòng)方案相比市場上電動(dòng)滑移門鋼絲繩、同步帶傳動(dòng)具有高負(fù)載、高耐磨、自潤滑及去張緊的特點(diǎn)。但也面臨一些潛在的問題，比如噪聲問題可能會(huì)隨著使用的時(shí)間和環(huán)境的影響日漸突出，從長遠(yuǎn)角度分析改善噪聲問題也成了該方案優(yōu)化的主要方向，這就需要技術(shù)從多角度分析，比如從結(jié)構(gòu)、材料、壓力角、重合度、精度、齒廓修形和齒向修形等多方位思考和實(shí)踐，以此解決該噪聲問題，為后續(xù)該方案進(jìn)步和技術(shù)積累提供了重要的參考價(jià)值[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王慶文，程建榮. 發(fā)動(dòng)機(jī)變速器齒輪的降噪改進(jìn)設(shè)計(jì) [J]. 機(jī)械制造， 2001（12）：12-14.

[2] Hyunwoong，Kim，Cheol，et al.新型鋼和塑料復(fù)合材料齒輪的輕量化設(shè)計(jì)和降噪分析[J].汽車輕量化產(chǎn)業(yè)鏈，2019， 20（4）：749-754

[3] 吳勇軍，王建軍，韓勤鍇，等. 基于接觸有限元分析的斜齒輪齒廓修形與實(shí)驗(yàn) [J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào)， 2011，26（2）：409-415. DOI：10.13224/j.cnki.jasp.2011.02.006.

[4] 曹東江，尚鵬，趙陽. 基于Matlab的漸開線變位直齒輪時(shí)變嚙合剛度計(jì)算分析 [J]. 機(jī)械傳動(dòng)，2022，46（5）：100-107. DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2022.05.014.