汽車電動背門撐桿受力分析及其優(yōu)化設計

柳宇

重慶海德世拉索系統(tǒng)（集團）有限公司 重慶 401120

近年來，隨著汽車業(yè)科技的快速發(fā)展，汽車變得越來越智能化、人性化。隨著人民生活水平的不斷提高，人們對汽車的舒適性要求越來越高。為了滿足人們的需求，一些智能化、人性化技術不斷被運用在汽車制造上，使汽車的操控逐漸由傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮涌刂频臋C電一體化系統(tǒng)，在很大程度上提高了駕駛?cè)藛T的舒適性。由于SUV車身比較龐大，背門比一般的轎車要重，如果通過人工開啟、關閉背門，操作會變得很不方便，因此多數(shù)SUV汽車都配備了電動背門系統(tǒng)。一些學者對電動背門系統(tǒng)進行了研究。構(gòu)建了撐桿式電動背門系統(tǒng)開閉過程的輸出力模型，簡化了背門電動開閉可行性的校核過程，但沒有對開閉過程中撐桿的受力進行詳細分析[1]。

1 電動背門系統(tǒng)工作原理

汽車電動背門控制系統(tǒng)由控制器（ECU）、撐桿、自動吸合鎖、防夾膠條、蜂鳴器、開關單元和腳踢傳感器等模塊構(gòu)成，電動撐桿是電動背門系統(tǒng)的重要組成部分之一，由滑動套筒、固定套筒、機械助力彈簧、電機、齒輪減速箱、導向螺母、螺桿和彈簧導向套等主要部件組成，當ECU收到開門指令時，控制撐桿的電機開始工作，電機通過齒輪減速箱減速后帶動螺桿轉(zhuǎn)動，通過螺桿與導向螺母的配合將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為導向螺母的軸向直線運動，電機正轉(zhuǎn)使撐桿伸長，背門漸漸開啟。在開啟過程中，電機輸出力和撐桿內(nèi)的機械助力彈簧彈力共同克服背門的重力，使背門開啟。當ECU接到關門指令時，控制撐桿的電機反轉(zhuǎn)，撐桿收縮變短，背門漸漸閉合。在閉合過程中，電機的拉力和背門的重力共同克服機械助力彈簧的彈力，使背門閉合[2]。

2 電動背門撐桿受力分析

2.1 撐桿安裝點受力理論分析

由某車型的參數(shù)可知，背門的質(zhì)量為33kg，每根撐桿的質(zhì)量約為1.0kg。為了便于分析撐桿安裝點的受力情況，需要對電動背門系統(tǒng)做簡化處理，去除Y軸方向上的分力，使之簡化為二維平面受力系統(tǒng)。上下安裝點處產(chǎn)生的摩擦力很小，可以忽略不計。背門的機械機構(gòu)是左右對稱的，因此只需分析背門單側(cè)撐桿受力情況。以背門鉸鏈中心O點為原點建立平面直角坐標系，背門繞O點做定點轉(zhuǎn)動，以背門重心到O點的距離為半徑作圓弧，根據(jù)背門的全閉位置和全開位置可以確定為背門重心的運動軌跡。A點為電動撐桿與車身的安裝點，C點為電動撐桿與背門的安裝點，弧為背門安裝點的運動軌跡。撐桿電機工作時，控制沿AC方向的撐桿出力F2的大小。在F2的作用下，撐桿繞A點做定點轉(zhuǎn)動，同時進行伸長或壓縮[3]。

2.2 基于ADAMS的撐桿安裝點受力分析

在進行運動分析時，由于背門的模型比較復雜，需要對電動背門系統(tǒng)做簡化處理。簡化時可以先利用CAD軟件測量出各構(gòu)件重心、安裝點的絕對坐標以及各構(gòu)件的質(zhì)量，把測得的坐標信息導入ADAMS中，創(chuàng)建規(guī)則的連桿系統(tǒng)。

3 電動撐桿電機輸出力分析

電動撐桿的輸出力包括三部分，即內(nèi)置電機的輸出力、機械助力彈簧的彈力和撐桿系統(tǒng)的阻力。電機的輸出力需要通過齒輪減速箱減速增扭，再通過螺桿與導向螺母轉(zhuǎn)換為軸向輸出力。若電機的輸出力分配過大，此時電機工作電流較大，導致電機工作效率降低、齒輪減速箱壽命減短，因此機械助力彈簧彈力是電動撐桿的主要輸出力，電機輸出力的主要作用是在整個背門系統(tǒng)中調(diào)節(jié)撐桿出力F2的大小，使撐桿力矩略大于或略小于背門重力矩，從而實現(xiàn)電動開門或電動關門。機械助力彈簧的設計和其彈性系數(shù)的選擇是確定電動撐桿輸出力的關鍵，機械助力彈簧的彈力值與彈性系數(shù)設計是否合理直接影響到電動背門的正常開閉。

4 電動撐桿靜力學分析及強度校核

電動背門系統(tǒng)在運動過程中，理論上撐桿自身出力、背門重力轉(zhuǎn)換到撐桿上的壓力二者方向均為撐桿軸線方向，不會使撐桿產(chǎn)生徑向變形，但因為撐桿重力、撐桿內(nèi)部零件配合同軸度偏差和人為外力等因素會使電動撐桿受到一定的徑向負載，因此有必要對撐桿受徑向負載后的變形進行定量、準確的分析，以確保電動撐桿的工作過程穩(wěn)定、可靠。當背門處于全開位置時，撐桿長度最長，此時若進行手動關門，撐桿受徑向負載后變形最大。因此需對撐桿全開位置狀態(tài)進行CAE分析，保證在該情況下受力后滿足形變要求。在固定套筒中部增加臺階面后，通過CAE分析發(fā)現(xiàn)，該臺階能夠有效的減小固定套筒受徑向負載后的形變量，能夠有效的增加電動撐桿的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

電動背門的應用方便了乘客開關背門，提高了用車的舒適度。通過分析汽車電動背門撐桿安裝點的受力情況，運用ADAMS軟件簡化了電動背門的力學模型，并進行了運動仿真，得出了撐桿安裝點處的受力曲線。結(jié)合力學模型和仿真結(jié)果，得出了所需撐桿內(nèi)置電機的輸出力曲線、計算出機械助力彈簧的彈力和彈性系數(shù)，得出了撐桿安裝點在背門不同開啟角度時的受力情況。運用ANSYS軟件分析和優(yōu)化了電動撐桿運動過程中受到徑向負載時的變形情況，使電動撐桿在運動過程中受力更加合理和可靠。