电动尾门撑杆布置和力学计算

王伯坤

摘 要：目前国内汽车上使用的撑杆主要有气弹簧撑杆和电动撑杆。但国内大多数汽车车身设计中，对于撑杆的布置都是采用的逆向方式设计，即以标杆车为参考，来设计撑杆的布置，再加以CAE分析校核。本文将以正向设计尾门撑杆来介绍撑杆的布置和力学计算。

关键词：尾门;撑杆布置;力学计算

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

随着科学技术的进步以及人们生活水平的提高，电子驱动和遥控技术在汽车上得到了广泛应用，电动尾门作为电子驱动技术的一种也是如此，并且逐渐由早期的奢华版配置慢慢的变成标配。目前汽车上撑杆类型主要分为气弹簧撑杆和电动式撑杆，电动式撑杆直接取代气弹簧撑杆，布置在车身流水槽内，具有结构紧凑、外形美观、不占用侧围空间的特点，广泛应用于中大型SUV车型。汽车电动尾门是一个系统性的集成，其主要包括电动撑杆、控制器、电吸锁、防夹条（选装）、脚踢（选装）。

在尾门设计过程中，尾门撑杆的布置非常关键，其布置是否合理直接关系到尾门能否正常关闭和是否能够悬停。电动撑杆提供的支撑力通过对铰链旋转轴产生的力矩来克服尾门重力距和摩擦力矩，从而使尾门开启或关闭。根据整车设计要求确定铰链旋转轴中心位置，再根据人机工程学分析，尾门开启的最大角度时，尾门下边沿距离地面的高度如图1，来确定尾门的开启角度。此时尾门既不会碰到人的头部，又可以手动关闭尾门时容易拉到拉手或关门开关按钮。

1 电动撑杆结构简介

电动撑杆主要由球窝、霍尔传感器、电机、减速箱、螺杆、螺母、弹簧等部件组成。电机在接收到控制器模块指令后，进行正转或反转，通过减速箱减速增加扭距后，驱动螺杆转动，螺杆和螺母之间产生相对运动，在压缩弹簧的助力下，从而推动撑杆伸长或缩短，电机尾部的霍尔传感器将反馈其信号给控制器，控制撑杆的开启位置和关闭位置。

2 电动撑杆的几何布置分析

现代汽车从汽车前后看，大多数呈“八”字形。电动撑杆是装配在尾门流水槽内，两根电动撑杆略有倾斜，同样呈“八”字形，如图3所示。

虽然电动撑杆略有倾斜，但因为电动撑杆与XZ平面之间的倾斜角度一般不会超过10°，对设计精度的影响可以忽略，所以为了简化计算，将撑杆投影到XZ平面上进行几何分析，如图4所示。

在图4中：O点为尾门铰链中心轴;A点为电动撑杆在车身上的固定安装点;B点为尾门完全关闭状态时，电动撑杆在尾门上的固定安装点;B点为尾门打开到任意角度时，电动撑杆在尾门上的固定安装点;M点为尾门质心。M点为尾门打开到任意角度时，尾门重心;F为单根电动撑杆的支撑力;G为尾门的重力;d为电动撑杆输出力的力臂;LG为尾门重力到铰链的力臂;α为尾门在关闭状态时，B点与Z轴的夹角，rad;β为尾门在关闭状态时，质心与Z轴的夹角，rad;θ为尾门运动时的角度，rad。

设O点坐标为（XO，YO，ZO），A点坐标为（XA，YA，ZA），B点坐标为（XB，YB，ZB），B点坐标为（XB，YB，ZB），M点坐标为（XM，YM，ZM），M点坐标为（XM，YM，ZM）。

根据图4可知：

式中：XO，ZO----铰链中心在XZ平面上的坐标，mm;

XM，ZM----尾门质心在XZ平面上的坐标，mm。

根据式（3）和式（4）可以得出尾门质心M运动时的坐标（XM，ZM），尾门重力矩（MG）：

由式8可知尾门重力距MG跟尾门重量、重心位置、铰链中心及尾门打开角度有关。

同理，撑杆尾门安装点运动时的坐标：

式中：XB，ZB----尾门关闭时，撑杆尾门上安装点的初始坐标，mm;

XB，ZB----尾门开启到某一角度时，撑杆尾门上安装点的坐标，mm。

根据海伦面积公式可以求得电动撑杆支撑力的力臂d：

3 电动撑杆力学计算和调整

电动撑杆输出力主要由三部分组成：驱动电机输出力、弹簧弹力和系统内部阻力。弹簧弹力是电动撑杆输出力占比最大的一部分，弹簧弹力和弹性系数设计是电动撑杆设计中最关键的，直接影响到电动撑杆开启和关闭过程是否平顺和悬停，而且还影响手动开启尾门和关闭尾门的操作力。

电动撑杆有2个重要指标：悬停状态和手动操作力，以下将主要分析这2个指标。

3.1 悬停分析

尾门开关闭行程中，尾门能在开启角度范围内任意角度保持停止状态称为悬停状态，此时电机不工作，尾门受电动撑杆支撑力和尾门自重力的共同作用保持平衡。撑杆支撑力是弹簧弹力和撑杆系统内部阻力的合力。根据力矩平衡原理可得单根电动撑杆输出力：

由上式可知，电动撑杆输出力跟尾门重量、重心位置、铰链中心、撑杆A、B安装点位置及尾门打开角度θ有关。

在汽车尾门铰链轴、電动撑杆车身安装点、电动撑杆尾门安装点确定的情况下，根据公式（7）和公式（14），可以得出，尾门重力臂LG和电动撑杆输出力力臂d是以尾门开启角度θ为单一变量的函数。在初始弹力和弹性系数一定的情况下，弹簧弹力只跟弹簧的伸长量有关，而弹簧的伸长量又只跟电动撑杆的伸长量AB有关，所以弹簧弹力Fs同样是以尾门开启角度θ为单一变量的函数。

电动撑杆提供的输出力F是由弹簧弹力Fs和撑杆内部阻力f的合力。汽车尾门在悬停状态时，应满足Fs-f

撑杆输出力一般情况下不能太大，否则将会对撑杆的加工制造产生影响，同时太大的撑杆输出力也会容易造成尾门钣金的变形。因为尾门重量及重心位置一般都由整车厂提供且不便更改，所以要降低撑杆输出力，撑杆安装点的位置就特别重要了。

3.2 手动模式操作力的计算

在保证了撑杆能够悬停的情况下，需进一步分析计算手动操作力。

在图6中：F1为关闭力;F2为开启力;L1为关闭力的力臂;L2为开启力的力臂。

在手动开启尾门过程中，手动操作力和电动撑杆输出力共同作用克服重力实现尾门的开启;此时弹簧弹力FS与撑杆内部阻力f方向相反，电动撑杆输出力F=FS-f，根据力矩平衡原理，可以得出尾门在任意角度时的手动开启力F1：

同理，在手动关闭尾门过程中，手动操作力和重力共同作用克服电动撑杆输出力实现尾门的开启;此时弹簧弹力FS与撑杆内部阻力f方向相同，电动撑杆输出力F=FS+f，根据力矩平衡原理，可以得出尾门在任意角度时的手动关闭力F2：

将代入到式17和式18中，由于尾门的形状、尾门重量和关门位置都是由整车设计决定的，因此任意角度时尾门重力距MG只跟尾门实时开启角度θ有关，假设撑杆安装点A、B点位置也确定的情况下，最终将会得到一个以开启角度θ为变量函数的式子。

利用Excel的计算功能及图形输出功能，可以输出手动操作力以尾门打开角度θ为变量函数的曲线如图7。

对式15运算推导，撑杆输出力F是一个只有A、B点位置、尾门打开角度θ的函数表达式。由于尾门铰链旋转轴、尾门重心位置、重量和打开角度θ是整车设计确定的，一般来说就只能通过调整电动撑杆安装点A、B点位置和弹簧参数，来优化撑杆输出力F、手动开启力F1、手动关闭力F2。

4 电动撑杆布置校核

经过以上的理论分析计算，电动撑杆的安装位置、撑杆输出力、弹簧参数（线径、螺距、自由长度）等参数基本就可以确定。根据这些参数规格就可以建立电动成的3D數模，将3D数模放到整车厂提供的电动撑杆周边环境数据（如尾门内板、流水槽等）内检查。要求不能有干涉并且留有足够的间隙（≥10mm），如图8安装状态断面图。利用CATIA的DMU模块，对电动撑杆的3D数模进行运动分析，来校核电动撑杆在整个开启关闭过程中的有效空间，如图9。根据运动分析结果，是否需要做一些必要的调整。

然后在利用CAE分析软件，分析电动撑杆安装支架、支架周边钣金的刚度和强度是否满足要求，并根据分析结果，对相关部位或结构进行调整加强。

参考文献：

[1]李仲炜.汽车电动尾门关闭力问题的分析与改进[J].汽车工程师，2016（02）：48-50.

[2]于波.汽车尾门电动举升机构的设计研究[J].汽车实用技术，2017（18）：16-17.

作者简介：王伯坤（1981-），男，江苏人，本科，工程师，研究方向：机械。