CN105015627B - 汽车电动后背门开闭机构的内部结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车电动后背门开闭机构的内部结构优化设计方法，通过调整汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s，从而调整机构内部摩擦力，再通过实验验证和测试数据处理来验证和优化电动后背门开闭机构内部间隙s，从而实现电动后背门开闭机构在执行电动操作时，电机总成使用效率η≤电机安全效率η₀；电动后背门开闭机构在执行手动操作时，手动操作力F_h≤100N，使得电机总成使用效率最优，电机的使用寿命长，且手动操作力合理。

Description

汽车电动后背门开闭机构的内部结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及汽车零部件技术领域，特别涉及一种汽车电动后背门开闭机构的内部结构优化设计方法。

背景技术

目前，汽车后背门大多使用固定在车辆顶端的转动副结构实现车门的旋转开闭，电动后背门开闭机构则是双侧安装一种电机弹簧结构：一端与车身联接，另一端与车门联接，通过驱动电机的转动实现车门的开闭。该结构虽然简单可行，但现有市场的车型面临一系列问题，例如：1、电机总成使用效率过高，该种情况的存在使得电动后背门开闭机构内部电机的使用寿命短，使得大多数汽车厂家采用功率更大的电机来满足顾客的使用寿命要求，大功率电机的使用导致电机外径增加，从而使得电动后背门开闭机构整体外径变大，然而汽车车厂的整车型外观形状非常有限无法实现外观的调整；2、手动操作力过大，使得顾客在手动开启和关闭车门时困难，甚至对老人，少年等无法实现手动开启或关闭，当在一些危机时刻，汽车车门的开闭决定着生命和财物的安全，所以合理的手动操作力将是汽车市场竞争的核心。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种汽车电动后背门开闭机构的内部结构优化设计方法，该方法使得电机总成使用效率最优，电机的使用寿命长，且手动操作力合理。

本发明通过调整电动后背门开闭机构内部间隙s，从而调整机构内部摩擦力，再通过实验验证和测试数据处理来验证和优化电动后背门开闭机构内部间隙s，从而实现电动后背门开闭机构在执行电动操作时，电机总成使用效率η≤η0(电机安全效率)；电动后背门开闭机构在执行手动操作时，手动操作力Fh合理(手动操作力Fh≤100N))，以上两种状态的满足则电动后背门开闭机构内部间隙s调整完成。电动后背门开闭机构内部间隙s为外筒与内筒之间的滑动摩擦间隙。

本发明的技术方案是：一种汽车电动后背门开闭机构的内部结构优化设计方法，包括如下步骤：

1)将汽车电动后背门开闭机构安装在试验用汽车后背门上，使其汽车后背门能够通过电动后背门开闭机构实现车门的全开和全闭功能，电动操作后背门开闭，在电动后背门开闭机构执行电动操作的过程中，试验采集电机运行参数，计算出试验测试过程中电机总成使用效率；

2)判断最大电机总成使用效率是否小于或等于电机安全效率，若电机总成使用效率小于或等于电机安全效率，则继续步骤3)；若电机总成使用效率大于电机安全效率，则调整汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s，返回继续步骤1)；

3)通过公式1得到后背门开闭机构内部摩擦力f_θ与车门张开角度θ的特征方程，将该特征方程代入公式2中，得到当执行手动操作时的手动操作力Fh与车门张开角度θ的关系式以及Fh与θ的方程曲线，得到当执行手动操作时需要的最大手动操作力；

公式1为：

其中，F_M为电机总成作用螺杆轴向力，F_S为弹簧作用力，f_θ为内部摩擦力，δ为开闭机构与XZ平面位相，L_PLG为开闭机构的力臂，m为车门质量，g为重力加速度，L_OG为车门重心到转动副距离，θ为车门张开角度，θ_GO为车门重心初始位相，J_G为车门转动惯量，η为电机总成使用效率，C为开闭机构传动系数，i为电机总成传动比，u为电机总成端子电压，U₀为电机总成电压，n为电机总成转动速度，n₀为电机总成电压下的空转速度，T_N为电机总成电压下的堵转扭矩，k为弹簧系数，l₀为弹簧自由长度，l为开闭机构弹簧压缩后尺寸，L_B为车身球型高副到转动副距离，L_d为车门球型高副到转动副距离，β₀为开闭机构在空间平面初始位相，L₀为开闭机构自由长度，L_Bdy为车身球型高副与车门球型高副y坐标差；

公式2为：

其中，F_S为弹簧作用力，f_θ为内部摩擦力，δ为开闭机构与XZ平面位相，L_PLG为开闭机构的力臂，m为车门质量，g为重力加速度，L_OG为车门重心到转动副距离，θ为车门张开角度，θ_GO为车门重心初始位相，F_h为手动操作力，L_Oh为手动操作力力臂，k为弹簧系数，l₀为弹簧自由长度，l为开闭机构弹簧压缩后尺寸，L_B为车身球型高副到转动副距离，L_d为车门球型高副到转动副距离，β₀为开闭机构在空间平面初始位相，L₀为开闭机构自由长度，L_Bdy为车身球型高副与车门球型高副y坐标差；

4)判断最大手动操作力即Fh与θ的方程曲线最高点是否小于或等于100N；若最大手动操作力大于100N，则调整汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s，返回继续步骤1)；若最大手动操作力小于或等于100N，则汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s调整完成，得到一个符合要求的s值。继续调整汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s，重复上述所有步骤，得到多个符合要求的s值。在多个符合要求的s值中选择一个最佳值，作为生产汽车电动后背门开闭机构时的标准参数值，来实现汽车电动后背门开闭机构手动操作力的优化。最佳值位于s值的最大值与最小值之间。优化后的所有汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s均在s值的最大值与最小值之间的范围内。本实施例每次调整量设定为0.2mm.，当然，这个可以根据后背门实际情况确定。摩擦间隙s的调整是通过更换内筒或者外筒或者滑动衬套来实现间隙s的调整。

所述电机总成使用效率小于70％。

电机运行参数包括电机端子电压、霍尔脉冲、作动电流、堵转电流、转速，电机运行参数通过专业的电机数据采集设备采集得到。此类设备可在市面上购买得到。

手动操作力设定的最大值根据客户的要求设定，并无明确的下限。但若手动操作力过小的话，背门会无法中停。一般手动操作力设定的最大值设定为100N。

电动后背门开闭机构，包括外筒和内筒，所述内筒的一端固定用于连接后背门的滑动接头，内筒的另一端伸入外筒中与外筒滑动配合，所述外筒内固定有驱动电机，所述驱动电机与螺杆连接，带动螺杆转动，所述螺杆上螺纹配合有导向螺母，通过导向螺母带动内筒在外筒内轴向滑动，所述导向螺母上套有弹簧，所述外筒固定用于连接车身流水槽的固定接头。

所述外筒内壁固定有滑动衬套，滑动衬套内径与内筒外径的间隙为动后背门开闭机构内部间隙s。优选地，滑动衬套与外筒可拆卸地固定连接，便于安装滑动衬套。

所述导向螺母与滑动接头固定连接。

所述导向螺母设有阶梯孔，所述螺杆与阶梯孔的小径段螺纹配合，所述螺杆上设有的凸台，该凸台与阶梯孔的大径段滑动配合，将内筒限位在外筒中，所述滑动接头与导向螺母的阶梯孔大径端固定连接。

所述弹簧套在螺杆、导向螺母上，弹簧一端位于外筒内，一端位于内筒内。本发明的有益效果是：本发明通过调整电动后背门开闭机构内部间隙s，从而调整机构内部摩擦力，再通过实验验证和测试数据处理来验证和优化电动后背门开闭机构内部间隙s，从而实现电动后背门开闭机构在执行电动操作时，电机总成使用效率η≤η₀(电机安全效率)，大大增加了电动后背门开闭机构电机的使用寿命，进而大大增加了电动后背门开闭机构的使用寿命，且不会限制汽车车厂的整车型外观形状的调整。

且电动后背门开闭机构在执行手动操作时，手动操作力F_h合理(手动操作力F_h≤100N))，使得顾客在手动开启和关闭车门时很轻松。

附图说明

图1是本发明的汽车电动后背门开闭机构的全开和全闭安装状态以及周边环境示意图；

图2是本发明的汽车电动后背门开闭机构的机构示意图；

图3是本发明的汽车电动后背门开闭机构的全剖示意图；

图4为图3的P部放大图。

其中，1为后背门，2为车身流水槽，3为电动后背门开闭机构，4为固定接头，5为驱动电机，6为外筒，7为电机支架，8为螺杆，9为弹簧，10为滑动衬套，11为导向螺母，12为内筒，13为滑动接头。

具体实施方式

参见图1至图4，一种电动后背门开闭机构，包括外筒6和内筒12，所述内筒的一端固定用于连接后背门的滑动接头13，内筒的另一端伸入外筒中与外筒滑动配合，所述外筒内固定有驱动电机5。本实施的驱动电机通过电机支架7固定在外筒内。所述驱动电机5与螺杆8连接，带动螺杆转动，所述螺杆上螺纹配合有导向螺母11，通过导向螺母带动内筒在外筒内轴向滑动。所述导向螺母与滑动接头固定连接。所述导向螺母上套有弹簧9。所述弹簧套在螺杆、导向螺母上，弹簧一端位于外筒内，一端位于内筒内。弹簧的作用是使车门在一定范围内可中停，并在开作动过程中提供辅助力。所述外筒固定用于连接车身流水槽的固定接头4。所述导向螺母设有阶梯孔，所述螺杆与阶梯孔的小径段螺纹配合，所述螺杆上设有的凸台。该凸台位于螺杆端头，形成螺栓头部。该螺栓头部与阶梯孔的大径段滑动配合，将内筒限位在外筒中，所述滑动接头与导向螺母的阶梯孔大径端固定连接。所述外筒内壁固定有滑动衬套10，滑动衬套内径与内筒外径的间隙为电动后背门开闭机构内部间隙s。

电动后背门开闭机构3安装时，其一端与车身流水槽2钣金的球形接头联接，另一端与后背门1钣金的球形接头联接，安装后通过电动后背门开闭机构的运行(伸长和缩短)实现车门的推动(开门和关门)功能。当电动操作后背门开闭时，驱动电机转动，带动螺杆转动，通过螺纹传动使导向螺母沿螺杆轴向前后移动，从而使汽车后背门开闭机伸长或缩短进而推动汽车后背门的开启或关闭，在此伸长和缩短过程中弹簧伸长和缩短输出弹簧力。

本发明汽车电动后背门开闭机构的内部结构优化设计方法为：调整电动后背门开闭机构内部间隙s来优化电动后背门开闭机构内部摩擦力f_θ，使后背门在自动开启时电机总成使用效率最优，手动操作时操作力合理，电动后背门开闭机构内部间隙s为与电动后背门开闭机构内部摩擦力有关的滑动配合间隙。内部间隙s越小，内部摩擦力f_θ越大，内部间隙s越大，内部摩擦力f_θ越小。

包括如下步骤：

1)将汽车电动后背门开闭机构安装在试验用汽车后背门上，使其汽车后背门能够通过电动后背门开闭机构实现车门的全开和全闭功能，且在伸长和缩短时，运行过程无明显的卡滞，运行阻力稳定。电动操作后背门开闭，在电动后背门开闭机构执行电动操作的过程中，试验采集电机运行参数，通过软件计算得到试验测试过程中电机总成使用效率，即得到电机总成使用效率η与与车门张开角度θ的方程曲线。η＝实时电机功率/电机额定功率。电机运行参数包括电机端子电压、霍尔脉冲、实时的运行电流、转速等。用于安装汽车电动后背门开闭机构的试验用装置可以采用整车，也可以采用汽车后面部分。

本发明针对电动后背门开闭机构在后背门开闭过程中对于具有质量m，刚性转动惯量J_G的后背门复杂运动进行分析，保证后背门在自动开启时电机总成使用效率最优，手动操作时操作力合理共同满足。根据后背门设计可以确定后背门的质量、重心、绕铰链转动的转动惯量以及相关点坐标距离以及铰链中心。电动后背门开闭机构3内部传动比和传动系数，以及驱动电机5的额定电压、额定电压下堵转扭矩和不同情况电机总成使用效率根据客户的规格(作动时间、速度平稳性、安全等等)综合设定确定。

2)判断最大电机总成使用效率是否小于或等于电机安全效率。一般判断电机总成使用效率是否小于70％为最优方案。若电机总成使用效率小于或等于电机安全效率，则继续步骤3)；若电机总成使用效率大于电机安全效率，则调整汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s，返回继续步骤1)。本实施例每次调整量设定为0.2mm.，当然，这个可以根据后背门实际情况确定。摩擦间隙s的调整是通过更换内筒或者外筒或者滑动衬套来实现间隙s的调整。

3)通过公式1得到后背门开闭机构内部摩擦力f_θ与车门张开角度θ的特征方程，将该特征方程代入公式2中，得到当执行手动操作时的手动操作力Fh与车门张开角度θ的关系式以及Fh与θ的方程曲线，得到当执行手动操作时需要的最大手动操作力。手动操作过程中，手动操作力最大值在开作动的时候为全开位置附近，关作动的时候为全闭位置附近。

公式1为：

其中，F_M为电机总成作用螺杆轴向力，F_S为弹簧作用力，f_θ为内部摩擦力，δ为开闭机构与XZ平面位相，L_PLG为开闭机构的力臂，m为车门质量，g为重力加速度，L_OG为车门重心到转动副距离，θ为车门张开角度，θ_GO为车门重心初始位相，J_G为车门转动惯量，η为电机总成使用效率，C为开闭机构传动系数，i为电机总成传动比，u为电机总成端子电压，U₀为电机总成电压，n为电机总成转动速度，n₀为电机总成电压下的空转速度，T_N为电机总成电压下的堵转扭矩，k为弹簧系数，l₀为弹簧自由长度，l为开闭机构弹簧压缩后尺寸，L_B为车身球型高副到转动副距离，L_d为车门球型高副到转动副距离，β₀为开闭机构在空间平面初始位相，L₀为开闭机构自由长度，L_Bdy为车身球型高副与车门球型高副y坐标差；公式2为：

其中，F_S为弹簧作用力，f_θ为内部摩擦力，δ为开闭机构与XZ平面位相，L_PLG为开闭机构的力臂，m为车门质量，g为重力加速度，L_OG为车门重心到转动副距离，θ为车门张开角度，θ_GO为车门重心初始位相，F_h为手动操作力，L_Oh为手动操作力力臂，k为弹簧系数，l₀为弹簧自由长度，l为开闭机构弹簧压缩后尺寸，L_B为车身球型高副到转动副距离，L_d为车门球型高副到转动副距离，β₀为开闭机构在空间平面初始位相，L₀为开闭机构自由长度，L_Bdy为车身球型高副与车门球型高副y坐标差。m、g、L_OG、θ、θ_GO、J_G、L_Oh为手动操作力力臂等根据后背门设计得到。

4)判断最大手动操作力即曲线最高点是否小于或等于100N；若最大手动操作力大于100N，则调整汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s，返回继续步骤1)；若最大手动操作力小于或等于100N，则汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s调整完成，得到一个符合要求的s值。继续调整汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s，重复上述所有步骤，得到多个符合要求的s值。在多个符合要求的s值中选择一个最佳值，作为以后生产该产品的标准值。本实施例每次调整量设定为0.2mm.，当然，这个可以根据后背门实际情况确定。摩擦间隙s的调整可以通过更换内筒或者外筒或者滑动衬套来实现间隙s的调整。摩擦间隙s的调整一般通过更换内筒或者滑动衬套来实现间隙s的调整为较优方案。

本发明的电动后背门开闭机构通过调整电动后背门开闭机构内部间隙s，导致机构内部摩擦力变化，再通过实验测试和数据处理来优化汽车电动后背门开闭机构的内部结构，实现电动后背门开闭机构在执行电动操作时，电机总成使用效率≤η(电机安全效率)；电动后背门开闭机构手动操作时，手动操作力合理(手动操作力≤100N))，以上两种状态的满足则电动后背门开闭机构内部间隙s调整完成。

Claims (3)

1.一种汽车电动后背门开闭机构的内部结构优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将汽车电动后背门开闭机构安装在试验用汽车后背门上，使其汽车后背门能够通过电动后背门开闭机构实现车门的全开和全闭功能，电动操作后背门开闭，在电动后背门开闭机构执行电动操作的过程中，试验采集电机运行参数，计算出试验测试过程中电机总成使用效率；

2)判断电机总成使用效率是否小于或等于电机安全效率，若电机总成使用效率小于或等于电机安全效率，则继续步骤3)；若电机总成使用效率大于电机安全效率，则调整汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s，返回继续步骤1)；

3)通过公式1得到后背门开闭机构内部摩擦力f_θ与车门张开角度θ的特征方程，将该特征方程代入公式2中，得到当执行手动操作时的手动操作力Fh与车门张开角度θ的关系式，得到当执行手动操作时需要的最大手动操作力；

公式1为：

$(F_M+F_S+f_{\mathrm{\θ}}){\mathrm{cos\δL}}_{PLG}+{\mathrm{mgL}}_{OG}cos(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_{GO})=J_G\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}$

其中：

T_N测试范围：(0→θ_max)

F_S＝k|l-l₀|

$l=\sqrt{L_B^2+L_d^2+L_{Bdy}^2-2L_B{L}_{d}cos(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\β}}_0)}-L_0$

$\mathrm{\δ}=arcsin\frac{L_{Bdy}}{\sqrt{L_B^2+L_d^2+L_{Bdy}^2-2L_B{L}_{d}cos(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\β}}_0)}}$

$L_{PLG}=\frac{L_B{L}_{d}sin(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\β}}_0)}{\sqrt{L_B^2+L_d^2-2L_B{L}_{d}cos(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\β}}_0)}}$

其中，F_M为电机总成作用螺杆轴向力，F_S为弹簧作用力，f_θ为内部摩擦力，δ为开闭机构与XZ平面位相，L_PLG为开闭机构的力臂，m为车门质量，g为重力加速度，L_OG为车门重心到转动副距离，θ为车门张开角度，θ_GO为车门重心初始位相，J_G为车门转动惯量，η为电机总成使用效率，C为开闭机构传动系数，i为电机总成传动比，u为电机总成端子电压，U₀为电机总成电压，n为电机总成转动速度，n₀为电机总成电压下的空转速度，T_N为电机总成电压下的堵转扭矩，k为弹簧系数，l₀为弹簧自由长度，l为开闭机构弹簧压缩后尺寸，L_B为车身球型高副到转动副距离，L_d为车门球型高副到转动副距离，β₀为开闭机构在空间平面初始位相，L₀为开闭机构自由长度，L_Bdy为车身球型高副与车门球型高副y坐标差；

公式2为：

(F_S+f_θ)cosδL_PLG+mg L_OG cos(θ+θ_GO)+F_hL_oh＝0

其中：

F_S＝k|l-l₀|

$l=\sqrt{L_B^2+L_d^2+L_{Bdy}^2-2L_B{L}_{d}cos(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\β}}_0)}-L_0$

$\mathrm{\δ}=arcsin\frac{L_{Bdy}}{\sqrt{L_B^2+L_d^2+L_{Bdy}^2-2L_B{L}_{d}cos(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\β}}_0)}}$

$L_{PLG}=\frac{L_B{L}_{d}sin(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\β}}_0)}{\sqrt{L_B^2+L_d^2-2L_B{L}_{d}cos(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\β}}_0)}}$

其中，F_S为弹簧作用力，f_θ为内部摩擦力，δ为开闭机构与XZ平面位相，L_PLG为开闭机构的力臂，m为车门质量，g为重力加速度，L_OG为车门重心到转动副距离，θ为车门张开角度，θ_GO为车门重心初始位相，F_h为手动操作力，L_Oh为手动操作力力臂，k为弹簧系数，l₀为弹簧自由长度，l为开闭机构弹簧压缩后尺寸，L_B为车身球型高副到转动副距离，L_d为车门球型高副到转动副距离，β₀为开闭机构在空间平面初始位相，L₀为开闭机构自由长度，L_Bdy为车身球型高副与车门球型高副y坐标差；

4)判断最大手动操作力是否小于或等于手动操作力设定的最大值；若最大手动操作力大于手动操作力设定的最大值，则调整汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s，返回继续步骤1)；若最大手动操作力小于或等于手动操作力设定的最大值，则汽车电动后背门开闭机构的内筒与外筒滑动配合的摩擦间隙s调整完成。

2.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：所述电机总成使用效率小于70％。

3.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：手动操作力设定的最大值为100N。