CN107330155A - 一种汽车电动尾门的仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车电动尾门的仿真方法及系统，通过运动学和动力学的联合仿真设计，以尾门的机械属性参数和外部负载参数为输入参数；以尾门在任意角度悬停为目标函数，以当弹簧的松弛率最小时，使得手动操作力最小为约束条件进行模型计算；得到满足模型约束条件的机械属性输出参数。其中，输入的机械属性参数包括：尾门参数、电机参数、螺杆参数、和/或减速机参数；外部负载参数包括：手动操作力和防夹力。输出机械属性参数包括：电杆的参数、弹簧的参数、和电杆上下球铰链的安装位置。

Description

一种汽车电动尾门的仿真方法及系统

技术领域

本发明属于汽车技术领域，更具体地，涉及一种汽车电动尾门的仿真方法及系统。

背景技术

汽车电动尾门是汽车的重要组成部分，主要由尾门、电动撑杆、撑杆安装支架、电动自吸锁、ECU等部件构成，其主要功能是通过车身上的尾门开关按钮或者遥控钥匙上的尾门开关按钮，实现汽车尾门的自动打开和自动关闭。

而对于SUV型汽车，由于其尾门体积大，质量重，电动尾门在满足正常的开关门时，还需要实现尾门在任意角度的悬停，同时增加了对手动操作力和防夹力的要求。因此，在实际生产中，需要对汽车电动尾门进行测试，使其即满足运动学要求，又满足动力学要求。

目前对汽车电动尾门的常见测试，为样车操作测试。由于样车操作测试周期长，资金投入大，并且要求试验人员具备丰富的经验，而且结果不准确。简单来说，即采用样车进行试验，成本高，效率低，结果一致性差。

因此在汽车电动尾门的设计阶段，期望能够对汽车电动尾门特性进行计算机模拟仿真试验，快速的获得每一次汽车电动尾门的性能参数，发现结构设计的不合理处，从而提出改进方案并指导实际试验，最终缩短汽车电动尾门研发周期，节约开发成本。

目前，市场上对汽车电动尾门的设计并未开发出准确有效的运动学、动力学联合仿真系统与相应的设计方法。实际上，目前主要采用运动学或者动力学的单独仿真方法。单独采用运动学仿真，则无法满足汽车电动尾门对手动操作力和防夹力的要求；单独采用动力学仿真，则不能实现尾门在任意角度的悬停。因此，目前的仿真方法，均不能有效模拟实际使用中电动尾门的真实情况。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种汽车电动尾门的仿真方法及系统，其目的在于对汽车电动尾门进行动力学和运动学联合仿真模拟，由此解决尾门在任意角度的悬停时，手动操作力和防夹力满足实际操作要求的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种汽车电动尾门的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

参数输入：输入机械属性参数和外部负载参数；

模型计算：

所述模型计算部分包括运动学模拟和动力学模拟；其中，所述运动学模拟为计算尾门以给定开度悬停时弹簧的松弛率；所述动力学模拟为计算以给定开度悬停时手动操作力；模型约束条件为在当弹簧的松弛率最小时，使得手动操作力最小；

参数输出：输出满足模型约束条件的机械属性参数。

优选地，所述汽车电动尾门的仿真方法，其机械属性参数为尾门参数、电机参数、螺杆参数、和/或减速机参数。

优选地，所述汽车电动尾门的仿真方法，其外部负载参数为手动操作力和防夹力。

优选地，所述汽车电动尾门的仿真方法，其弹簧的松弛率的计算表达式为：

其中F₀为试验前测得的弹簧载荷；F_i为试验后测得的弹簧载荷。

优选地，所述汽车电动尾门的仿真方法，其手动操作力的计算表达式为：

其中M_h为手动操作力矩，HX为手动操作力臂。

本发明还提供一种汽车电动尾门的仿真系统，其特征在于，包括：参数输入模块、模型计算模块、和参数输出模块：

所述参数输入模块用于采集机械属性参数和外部负载参数，并将参数信息提供给所述模型计算模块；

所述模型计算模块包括运动学模型计算子模块和动力学模型计算子模块：其中，所述运动学模型计算子模块用于模拟计算尾门以给定开度悬停时弹簧的松弛率；所述动力学模型计算子模块用于模拟计算尾门以给定开度悬停时手动操作力大小；所述模拟计算约束条件为在当弹簧的松弛率最小时，使得手动操作力最小；

所述参数输出模块用于输出满足所述模型计算约束条件的机械属性参数。

优选地，所述汽车电动尾门的仿真系统，其机械属性参数为尾门参数、电机参数、螺杆参数、和/或减速机参数。

优选地，所述汽车电动尾门的仿真系统，其外部负载参数为手动操作力和防夹力。

优选地，所述汽车电动尾门的仿真系统，其弹簧的松弛率的计算表达式为：

其中F₀为试验前测得的弹簧载荷；F_i为试验后测得的弹簧载荷。

优选地，所述汽车电动尾门的仿真系统，其手动操作力的计算表达式为：

其中M_h为手动操作力矩，HX为手动操作力臂。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于提供一种汽车电动尾门的仿真设计方法，能够取得下列有益效果。

(1)、本发明提供一种汽车电动尾门的仿真方法和系统，通过对汽车电动尾门进行运动学和动力学的联合仿真分析，以当弹簧的松弛率最小时，使得手动操作力最小为约束条件进行仿真，输入参数，通过模型计算，得到仿真结果，并根据仿真结果修改输入参数，使其输出最优结果——即满足汽车尾门在任意角度悬停，又满足当弹簧的松弛率最小时，使得手动操作力最小。这种动力学和运动学联合仿真，能够尽可能的还原实际操作，具有可操作性强，准确率高等有益效果。

(2)、本发明提供一种汽车电动尾门的仿真方法和系统，通过输入汽车电动尾门的机械属性参数和外部负载参数，采用本模型计算的迭代优化的计算方法，仿真计算出电杆的参数、弹簧的参数、以及电杆上下球铰链的安装位置等，可以得到汽车电动尾门的精准设计结果。因此在零部件工装化之前，即可进行汽车电动尾门参数的判定，及早发现问题，也可以在设计前期及早进行零部件的选型匹配，极大地降低了研发周期和费用。而且，输入参数是可更改的，可以适用于不同的车型，应用广泛。

附图说明

图1是本发明的一种用于汽车电动尾门的仿真设计方法的仿真设计方法流程图。

图2是本发明的一种用于汽车电动尾门的仿真设计方法的尾门整体结构示意图。(其中，0为尾门铰链位置，D、C点为电杆的上下球铰链的安装位置，G为尾门的重心位置，H为手动操作力位置)

图3是本发明的一种用于汽车电动尾门的仿真设计方法的运动学分析结构图。

图4是本发明的一种用于汽车电动尾门的仿真设计方法的运动学分析结构细节图。

图5是本发明的一种用于汽车电动尾门的仿真设计方法的动力学分析结构图。

图中，各数字标号所指示的部位名称如下：

1-电杆上铰链安装位置；2-尾门铰链位置；3-尾门重心；4-尾门手动操作位置；5-尾门；6-电杆下铰链安装位置；7-电杆；8-车身钣金；9-弹簧。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种汽车电动尾门的仿真方法及系统，如图1所示，包括以下步骤：

S1：参数输入：包括机械属性参数和外部负载参数；

机械属性参数包括尾门参数、电机参数、螺杆参数、和/或减速机参数。

进一步地，尾门参数包括：尾门的质量、尾门的重心、尾门的转动惯量、尾门的开度、尾门的手动操作位置、尾门的铰链位置、尾门防夹力操作位置、和/或尾门面积；电机参数包括：电机转矩常数、电机阻尼、电机转子转动惯量、电机效率、电机每极主磁通、电机电枢电流；螺杆参数包括：螺杆导程、螺杆中径、螺杆摩擦系数、螺杆螺纹升角、螺杆摩擦角、和/或螺杆阻尼；和/或减速机参数包括：减速机减速比、和/或减速机阻尼；

外部负载参数包括手动操作力和防夹力；

S2：模型计算：

模型计算部分包括运动学模拟和动力学模拟；其中，运动学模拟为计算尾门以给定开度悬停时弹簧的松弛率；动力学模拟为以给定开度悬停时手动操作力大小；模型约束条件为在当弹簧的松弛率最小时，使得手动操作力最小；

具体而言，优选采用以下模拟：

约束条件计算表达式如下：

弹簧松弛率的计算表达式：

其中F₀为试验前测得的弹簧载荷；F_i为试验后测得的弹簧载荷，弹簧载荷由弹簧力试验机测得，试验前测得的弹簧载荷是指尾门关闭状态测得的弹簧载荷，试验后测得的弹簧载荷是指尾门以给定开度打开时，测得的弹簧载荷。

手动操作力的计算表达式：

其中M_h为手动操作力矩，HX为手动操作力臂；手动操作力矩M_h由如下动力学仿真计算公式计算取得；手动操作力臂HX为输入参数，可如附图2所示。

M_h的计算表达式：

M_h＝F·L

其中F为手动操作力；L为作用力臂，为尾门铰链位置到尾门手动操作位置之间的距离，F为手动操作力，作为外部负载参数输入，通过不断的输入不同手动操作力F，在满足弹簧松弛率最小的情况下，记录输入的最小的手动操作力。

S3：参数输出：根据本发明提供的仿真模型，输入参数和外部负载，在满足弹簧松弛率最小的情况下，得到最小的手动操作力，同时输出最优机械属性参数；

输出的最优机械属性参数包括电杆的参数、弹簧的参数、和电杆上下球铰链的安装位置；

进一步地，电杆的参数包括：电杆的初始长度、行程、和/或压缩长度的参数；

弹簧的参数包括：弹簧的线径、中径、有效圈数、和/或弹簧长度；

具体而言，优选以下输出参数：

弹簧参数：

根据约束条件，在弹簧松弛率最小的情况下，得到相应的弹簧载荷F_k，并根据弹簧载荷计算出弹簧系数，采用如下计算公式：

F_k＝k·x

其中，k为弹簧系数，x为弹簧长度。

弹簧系数的计算表达式：

其中G_q为剪切弹性模量；d为弹簧的线径；N_a为有效圈数；D为弹簧中径。并且，根据约束条件，在弹簧松弛率最小的情况下，得到相应的弹簧载荷，计算出相应的k值，然后根据k值，查阅相关弹簧设计手册表可取得剪切弹性模量G_q、弹簧的线径d、有效圈数N_a、弹簧中径D，从而选定弹簧型号。

电杆球铰链的安装位置：

根据以上获取的弹簧参数、以及车身和尾门的数学模型，获取电杆与车身、电杆与尾门不干涉时，电杆球铰链的安装位置。

电杆参数：

根据电杆球铰链的安装位置、以及尾门开度，获取电杆参数。所述电杆参数包括：电杆初始长度、行程、压缩长度。

优选地，动力学模型还考虑以下参数，如图2所示：

重力，其计算表达式：

G＝m·g

其中m为尾门质量；g为重力加速度，g＝9.8；

防夹力，其计算表达式：

其中M_J为防夹力矩，JX为防夹力臂，为尾门铰链位置到尾门防夹力操作位置之间的距离，为输入参数，可由如图2所示；F_J为防夹力，作为外部负载参数输入，通过不断的输入不同防夹力F_J，在满足弹簧松弛率最小的情况下，记录输入的防夹力。

空气阻力，其计算表达式：

ΔF＝(P₁-P₀)·A

其中P₁为车门关闭时车内气体压力，可以压强测试装置测得；P₀为标准大气压；A为尾门面积；

螺母推力，其计算表达式：

ρ＝arc tanμ

其中S为螺杆导程；D为螺杆中径；μ为螺杆摩擦系数；T_f为电机+减速机的最大静摩擦转矩；β为螺杆螺纹升角；ρ为螺杆摩擦角。

螺杆推力，其计算表达式：

P＝2π·T·ηS

其中T为直流电机转矩，可由如下公式计算获得；η为电机效率；S为螺杆导程。

直流电机转矩的计算表达式为：

其中C_T为电机转矩常数，为电机每极主磁通，I_a为电机电枢电流。

以下结合具体实施例来说明本发明提供的汽车电动尾门的仿真方法及系统运用：

实施例1

本发明提供的一种汽车电动尾门的仿真方法及系统，包括以下步骤：

S1：参数输入：包括机械属性参数和外部负载参数；

机械属性参数包括尾门参数、电机参数、螺杆参数。

尾门参数包括：尾门的质量、尾门的重心、尾门的转动惯量、尾门的开度、尾门的手动操作位置、尾门的铰链位置、尾门防夹力操作位置、和尾门面积；电机参数包括：电机转矩常数、电机阻尼、电机转子转动惯量、电机效率、电机每极主磁通、电机电枢电流；螺杆参数包括：螺杆导程、螺杆中径、螺杆摩擦系数、螺杆螺纹升角、螺杆摩擦角；

外部负载参数包括手动操作力和防夹力；

S2：模型计算：

模型计算部分包括运动学模拟和动力学模拟；其中，运动学模拟为计算尾门以给定开度悬停时弹簧的松弛率；动力学模拟为以给定开度悬停时手动操作力大小；模型约束条件为在当弹簧的松弛率最小时，使得手动操作力最小；

具体而言，本实施例采用以下模拟：

约束条件计算表达式如下：

弹簧松弛率的计算表达式：

其中F₀为试验前测得的弹簧载荷；F_i为试验后测得的弹簧载荷，弹簧载荷由弹簧力试验机测得，试验前测得的弹簧载荷是指尾门关闭状态测得的弹簧载荷，试验后测得的弹簧载荷是指尾门以给定开度打开时，测得的弹簧载荷。

手动操作力的计算表达式：

其中M_h为手动操作力矩，HX为手动操作力臂；手动操作力矩M_h由如下动力学仿真计算公式计算取得；手动操作力臂HX为输入参数，可如附图2所示。

M_h的计算表达式：

M_h＝F·L

其中F为手动操作力；L为作用力臂，为尾门铰链位置到尾门手动操作位置之间的距离，F为手动操作力，作为外部负载参数输入，通过不断的输入不同手动操作力F，在满足弹簧松弛率最小的情况下，记录输入的最小的手动操作力。

S3：参数输出：根据本发明提供的仿真模型，输入参数和外部负载，在满足弹簧松弛率最小的情况下，得到最小的手动操作力，同时输出最优机械属性参数；

输出的最优机械属性参数包括电杆的参数、弹簧的参数、和电杆上下球铰链的安装位置；

电杆的参数包括：电杆的初始长度、行程；

弹簧的参数包括：弹簧的线径、中径、有效圈数、弹簧长度；

具体而言，本实施例包括以下输出参数：

弹簧参数：

根据约束条件，在弹簧松弛率最小的情况下，得到相应的弹簧载荷F_k，并根据弹簧载荷计算出弹簧系数，采用如下计算公式：

F_k＝k·x

其中，k为弹簧系数，x为弹簧长度。

弹簧系数的计算表达式：

其中G_q为剪切弹性模量；d为弹簧的线径；N_a为有效圈数；D为弹簧中径。并且，根据约束条件，在弹簧松弛率最小的情况下，得到相应的弹簧载荷，计算出相应的k值，然后根据k值，查阅相关弹簧设计手册表可取得剪切弹性模量G_q、弹簧的线径d、有效圈数N_a、弹簧中径D，从而选定弹簧型号。

电杆球铰链的安装位置：

根据以上获取的弹簧参数、以及车身和尾门的数学模型，获取电杆与车身、电杆与尾门不干涉时，电杆球铰链的安装位置。

电杆参数：

根据电杆球铰链的安装位置、以及尾门开度，获取电杆参数。所述电杆参数包括：电杆初始长度、行程、压缩长度。

对于结构系统的转动，本实施例采用如下模型进行计算：

动力学模型，其计算表达式：

其中为角加速度；为角速度；J为转动惯量；C为阻尼系数；T_f为摩擦转矩；T_load为负载转矩。并且，角加速度角速度转动惯量J、阻尼系数C作为输入参数，为原始取得，而摩擦转矩T_f和负载转矩T_load的数据由实验取得。

本实施例提供一种迭代优化的计算方法，可以仿真计算出电杆的参数、弹簧的参数、以及电杆上下球铰链的安装位置等，通过这种迭代优化的计算方法，可以得到汽车电动尾门的精准设计结果。因此在零部件工装化之前，即可进行汽车电动尾门参数的判定，及早发现问题，也可以在设计前期及早进行零部件的选型匹配，极大地降低了研发周期和费用。而且，输入参数是可更改的，可以适用于不同的车型，应用广泛。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种汽车电动尾门的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

参数输入：输入机械属性参数和外部负载参数；

模型计算：

所述模型计算部分包括运动学模型和动力学模型；其中，所述运动学模型为计算尾门以给定开度悬停时弹簧的松弛率；所述动力学模型为计算以给定开度悬停时手动操作力；模型约束条件为在当弹簧的松弛率最小时，使得手动操作力最小；

参数输出：输出满足模型约束条件的机械属性参数。

2.如权利要求1所述的汽车电动尾门的仿真方法，其特征在于，所述机械属性参数为尾门参数、电机参数、螺杆参数、和/或减速机参数。

3.如权利要求1所述的汽车电动尾门的仿真方法，其特征在于，所述外部负载参数为手动操作力和防夹力。

4.如权利要求1所述的汽车电动尾门的仿真方法，其特征在于，所述弹簧的松弛率的计算表达式为：

<mrow> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>F</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> </mrow>

其中F₀为试验前测得的弹簧载荷；F_i为试验后测得的弹簧载荷。

5.如权利要求1所述的汽车电动尾门的仿真方法，其特征在于，所述手动操作力的计算表达式为：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>M</mi> <mi>h</mi> </msub> <mrow> <mi>H</mi> <mi>X</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中M_h为手动操作力矩，HX为手动操作力臂。

6.一种汽车电动尾门的仿真系统，其特征在于，包括：参数输入模块、模型计算模块、参数输出模块：

所述参数输入模块用于采集机械属性参数和外部负载参数，并将参数信息提供给所述模型计算模块；

所述模型计算模块包括运动学模型计算子模块和动力学模型计算子模块：其中，所述运动学模型计算子模块用于模拟计算尾门以给定开度悬停时弹簧的松弛率；所述动力学模型计算子模块用于模拟计算尾门以给定开度悬停时手动操作力大小；所述模拟计算约束条件为在当弹簧的松弛率最小时，使得手动操作力最小；

所述参数输出模块用于输出满足所述模型计算约束条件的机械属性参数。

7.如权利要求6所述的汽车电动尾门的仿真系统，其特征在于，所述机械属性参数为尾门参数、电机参数、螺杆参数、和/或减速机参数。

8.如权利要求6所述的汽车电动尾门的仿真系统，其特征在于，所述外部负载参数为手动操作力和防夹力。

9.如权利要求6所述的汽车电动尾门的仿真系统，其特征在于，所述弹簧的松弛率的计算表达式为：

<mrow> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>F</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> </mrow>

其中F₀为试验前测得的弹簧载荷；F_i为试验后测得的弹簧载荷。

10.如权利要求6所述的汽车电动尾门的仿真系统，其特征在于，所述手动操作力的计算表达式为：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>M</mi> <mi>h</mi> </msub> <mrow> <mi>H</mi> <mi>X</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中M_h为手动操作力矩，HX为手动操作力臂。