汽车电动尾门系统力学分析

郑如军

摘要：汽车作为一种重要的交通工具，近年来得到广泛普及。为进一步提升汽车性能，增强驾驶人员的舒适体验，本文以某种SUV车型为例，简要分析了电动尾门系统结构组成，详细构建了系统力学模型，并基于MATLAB展开了仿真计算，以更好地优化汽车电动尾门系统，提高汽车的智能化，为他人提供借鉴。

关键词：汽车电动尾门；系统力学模型；电动撑杆；MATLAB仿真

随着时代进步与汽车工业技术的发展，汽车智能化与舒适性已成为各大汽车生产企业的重点改革与研究方向发展。相比于传统汽车尾门吸引，电动尾门系统操作简单，具备高度的智能化，既可自动闭合尾门，也可配合传感器系统，实现“防撞”、“防夹”等功能。当前，业内学者与研究人员主要针对汽车电动尾门系统的控制原理、设计方案及电动撑杆受力及安装点等内容展开了系统化的研究，但较少分析汽车电动尾门系统的力学性能，为此，加强汽车电动尾门系统力学分析对于汽车性能的提升与智能化发展尤为重要。

1电动尾门系统结构组成

汽车电动尾门系统组成复杂，主要包括控制单元（ECU）、传感器、电动撑杆（驱动单元）、电子线束、闭锁器与锁扣等。其中，电动撑杆是电动尾门系统的核心构件[1]，负责连接车身与尾门，属于关键的驱动与执行机构，其结构由弹簧、两端球头、弹簧套管、丝杆、丝杆套管、丝杆螺母、轴承、减振器、适配器、制动器、驱动器、减速器（行星齿轮）、连接块、电机、线束与外套管等组成。在具体运用中，撑杆接收到ECU指令后，借助减速器与连接块等结构，电机就可带动丝杆螺母运动，由旋转运动转化为丝杆螺母直线运动，控制撑杆的伸缩，最后在弹簧作用下，完成汽车尾门开启与闭合这一操作过程。

2系统力学模型建立

本文以SUV汽车电动尾门系统进行简化剖析，构建单撑杆汽车尾门系统力学模型，针对系统相关参数与条件展开如下假设：

1）假设撑杆球头两端与尾门铰链处不存在摩擦；

2）忽略不计电动撑杆自身的重力；

3）假设汽车尾门系统沿整车坐标系XZ面左右对称；

4）假设尾门系统在开启、闭合时，撑杆与尾门可平稳运行，没有产生振动，且不受其他因素的干扰。

在上述假设条件下，将尾门与车身铰链点设为原点（O点），根据整车坐标系方向合理构建模型坐标：X方向平行于水平面，指向尾门后方；Z方向垂直于水平面，指向上方。选取电动撑杆沿模型坐标系XZ面实施投影，表示力学模型，为力学模型的输出分力。A点与B点分别指撑杆球头与尾门铰的连接点及撑杆球头与车身铰的连接点，W点表示汽车尾门的半侧重心点。G表示由汽车尾门半侧重心形成的重力，θ是指点A、坐标原点O连线和X轴之间的夹角，α表示点A、坐标原点O连线与点W、坐标原点O连线之间的夹角。Mg与Ms分别表示重力G与撑杆输出分力对铰链点O产生的转矩。

综合考虑到汽车停车时分为上坡、下坡等工况，在设置汽车停驶路面的坡度角参数时，应通过力学模型，将坡度角参数转化成重力方向G与竖直平面之间的夹角β。同时，应结合汽车电动撑杆的空间安装情况，分别以以，根据实车电动撑杆空间安装条件，以铰接点B为中心，电动撑杆向XZ平面内倾斜，形成撑杆内倾角γ，Z方向垂直于水平面，指向上方；Y方向垂直与X、Z方向，指向驾驶员一侧；Fs表示电动撑杆的输出力[2]。

通过力矩平衡原理可以得出，尾门与车身铰链点O所产生的合力矩为0，表达公式见式（1）：

（1）

式（2）表示尾门重力G对原点O所产生的扭矩：

（2）

式（3）中：Lg表示重力G对原点O所产生的力臂。

（3）

Lw表示尾门重力点W距离原点O的距离。

公式（4）为撑杆输出分力对原点O产生的扭矩：

（4）

公式（5）中：表示撑杆与尾门铰接点A对原点O产生的力臂。

（5）

本式中：LA表示撑杆与尾门铰接点A到原点O的距离；

，表示撑杆和车身铰接点B在模型中的具体坐标值。

通过力学分析，得出电动撑杆输出分力为：

（6）

此式中：γ表示电动撑杆安装内倾角。由式（1）~（6）组成的数学方程组即为构建的单撑杆汽车尾门系统数学模型，根据此模型可推导出式（7）——电动撑杆输出力Fs的表达式：

（7）

角θ在尾门绕铰链点O转动时会发生变化，此时可求取出电动撑杆输出力Fs的具体值。根据公式（7）可以得出，尾门质心点、撑杆安装内倾角、尾门重力、撑杆车身安装点与车辆停驶路面坡度角等是影响撑杆输出力的主要参数。其中，撑杆输出力与撑杆安装内倾角、尾门质心与铰链点的距离及尾门重力成正比，同撑杆车身安装点到铰链点之间的距离成反比；另外，在安装条件相对固定的前提条件下，电动撑杆输出力Fs为单一变量角θ的函数[3]。

3基于MATLAB仿真计算

为科学探究汽车电动尾门系统开启、闭合环节中电动撑杆的输出力曲线，本文应用MATLAB仿真软件，构建了系统的单撑杆汽车尾门系统数学模型，并依据SUV车型的实际情况，对尾门系统特性参数进行了合理设置，分别求解车辆处于平坡（0°）、下坡（-20°）、上坡（20°）3种停车工况下，尾门转角θ与撑杆输出力F

s在尾门系统开启与闭合期间所形成的曲线关系，得出如下结论：

1）尾门在上述3种工况下进行开启与闭合操作，撑杆输出力与尾门转角之间呈非线性关系，开启与闭合曲线的具体变化趋势十分接近。2）车辆处于上坡与下坡工况时，撑杆在尾门开启中的最大输出力明显大于平坡工况。其中，转角为0°，车辆处于上坡工况时，撑杆的输出力最大，可达到50N；当转角为80°，车辆处于下坡工况时，撑杆输出力最大为43N；而转角为70°，车辆处于平坡工况下，撑杆最大输出力为35N。3）汽车在关闭尾门时，不管处于上述哪种工况，撑杆最大输出力大致相同，其中，转角为80°，车辆停驶于上坡时，撑杆最大输出力为41N；转角为30°，车辆停驶于下坡时，撑杆最大输出力为43N；转角为40°，车辆停驶于平坡时，撑杆最大输出力为42N。

结束语

本文通过构建电动尾门系统力学模型，展开基于MATLAB的仿真计算，得出如下结果：1）电动撑杆输出力与撑杆安装内倾角、尾门重力及尾门重心距离铰链点的距离等参数成正比，与撑杆车身安装点距离铰链点的距离成反比；2）撑杆安装条件确定后，撑杆输出力作为尾门转角θ的单一变量函数，在上坡、下坡、平坡工况下，呈现出非线性关系；3）尾门开启操作中，上坡、下坡工况下的撑杆输出力明显大于平坡；尾门关闭操作中，撑杆输出力在上述三种工况下大致相同。在此基础上，为进一步加深汽车电动尾门系统力学的研究，应深入分析与探讨雪载荷、风载荷等工况理论，通过科学试验进行验证，以全面优化与改善汽车电动尾门系统力学性能，提高汽车的智能化与舒适度。

参考文献

[1]李超帅,王炳飞,林森,等.汽车电动尾门系统的设计研究[J].汽车实用技术,2018,44(9):54-57

[2]周勇.电动尾门系统最大受力研究[J].汽车实用技术,2019(11):148-151.

[3]刘斌.汽车电动尾门开关门耐久试验研究[J].上海汽车,2021(5):56-62.