汽车电动背门撑杆受力分析及其优化设计

柳宇

重庆海德世拉索系统（集团）有限公司 重庆 401120

近年来，随着汽车业科技的快速发展，汽车变得越来越智能化、人性化。随着人民生活水平的不断提高，人们对汽车的舒适性要求越来越高。为了满足人们的需求，一些智能化、人性化技术不断被运用在汽车制造上，使汽车的操控逐渐由传统的机械系统转变为电子控制的机电一体化系统，在很大程度上提高了驾驶人员的舒适性。由于SUV车身比较庞大，背门比一般的轿车要重，如果通过人工开启、关闭背门，操作会变得很不方便，因此多数SUV汽车都配备了电动背门系统。一些学者对电动背门系统进行了研究。构建了撑杆式电动背门系统开闭过程的输出力模型，简化了背门电动开闭可行性的校核过程，但没有对开闭过程中撑杆的受力进行详细分析[1]。

1 电动背门系统工作原理

汽车电动背门控制系统由控制器（ECU）、撑杆、自动吸合锁、防夹胶条、蜂鸣器、开关单元和脚踢传感器等模块构成，电动撑杆是电动背门系统的重要组成部分之一，由滑动套筒、固定套筒、机械助力弹簧、电机、齿轮减速箱、导向螺母、螺杆和弹簧导向套等主要部件组成，当ECU收到开门指令时，控制撑杆的电机开始工作，电机通过齿轮减速箱减速后带动螺杆转动，通过螺杆与导向螺母的配合将电机的旋转运动转化为导向螺母的轴向直线运动，电机正转使撑杆伸长，背门渐渐开启。在开启过程中，电机输出力和撑杆内的机械助力弹簧弹力共同克服背门的重力，使背门开启。当ECU接到关门指令时，控制撑杆的电机反转，撑杆收缩变短，背门渐渐闭合。在闭合过程中，电机的拉力和背门的重力共同克服机械助力弹簧的弹力，使背门闭合[2]。

2 电动背门撑杆受力分析

2.1 撑杆安装点受力理论分析

由某车型的参数可知，背门的质量为33kg，每根撑杆的质量约为1.0kg。为了便于分析撑杆安装点的受力情况，需要对电动背门系统做简化处理，去除Y轴方向上的分力，使之简化为二维平面受力系统。上下安装点处产生的摩擦力很小，可以忽略不计。背门的机械机构是左右对称的，因此只需分析背门单侧撑杆受力情况。以背门铰链中心O点为原点建立平面直角坐标系，背门绕O点做定点转动，以背门重心到O点的距离为半径作圆弧，根据背门的全闭位置和全开位置可以确定为背门重心的运动轨迹。A点为电动撑杆与车身的安装点，C点为电动撑杆与背门的安装点，弧为背门安装点的运动轨迹。撑杆电机工作时，控制沿AC方向的撑杆出力F2的大小。在F2的作用下，撑杆绕A点做定点转动，同时进行伸长或压缩[3]。

2.2 基于ADAMS的撑杆安装点受力分析

在进行运动分析时，由于背门的模型比较复杂，需要对电动背门系统做简化处理。简化时可以先利用CAD软件测量出各构件重心、安装点的绝对坐标以及各构件的质量，把测得的坐标信息导入ADAMS中，创建规则的连杆系统。

3 电动撑杆电机输出力分析

电动撑杆的输出力包括三部分，即内置电机的输出力、机械助力弹簧的弹力和撑杆系统的阻力。电机的输出力需要通过齿轮减速箱减速增扭，再通过螺杆与导向螺母转换为轴向输出力。若电机的输出力分配过大，此时电机工作电流较大，导致电机工作效率降低、齿轮减速箱寿命减短，因此机械助力弹簧弹力是电动撑杆的主要输出力，电机输出力的主要作用是在整个背门系统中调节撑杆出力F2的大小，使撑杆力矩略大于或略小于背门重力矩，从而实现电动开门或电动关门。机械助力弹簧的设计和其弹性系数的选择是确定电动撑杆输出力的关键，机械助力弹簧的弹力值与弹性系数设计是否合理直接影响到电动背门的正常开闭。

4 电动撑杆静力学分析及强度校核

电动背门系统在运动过程中，理论上撑杆自身出力、背门重力转换到撑杆上的压力二者方向均为撑杆轴线方向，不会使撑杆产生径向变形，但因为撑杆重力、撑杆内部零件配合同轴度偏差和人为外力等因素会使电动撑杆受到一定的径向负载，因此有必要对撑杆受径向负载后的变形进行定量、准确的分析，以确保电动撑杆的工作过程稳定、可靠。当背门处于全开位置时，撑杆长度最长，此时若进行手动关门，撑杆受径向负载后变形最大。因此需对撑杆全开位置状态进行CAE分析，保证在该情况下受力后满足形变要求。在固定套筒中部增加台阶面后，通过CAE分析发现，该台阶能够有效的减小固定套筒受径向负载后的形变量，能够有效的增加电动撑杆的稳定性。

5 结语

电动背门的应用方便了乘客开关背门，提高了用车的舒适度。通过分析汽车电动背门撑杆安装点的受力情况，运用ADAMS软件简化了电动背门的力学模型，并进行了运动仿真，得出了撑杆安装点处的受力曲线。结合力学模型和仿真结果，得出了所需撑杆内置电机的输出力曲线、计算出机械助力弹簧的弹力和弹性系数，得出了撑杆安装点在背门不同开启角度时的受力情况。运用ANSYS软件分析和优化了电动撑杆运动过程中受到径向负载时的变形情况，使电动撑杆在运动过程中受力更加合理和可靠。