1 汽车尾门气弹簧的工作原理及安装要求

1.1 汽车尾门一般气弹簧的工作原理

气弹簧的结构示意如图1所示。一般在开启状态下，将气弹簧缸筒端球钉安装在尾门上，另一端球钉安装在后备箱流水槽上。气弹簧缸筒内充满高压氮气，气弹簧处于伸展状态。当关闭尾门时，用手向下按压尾门推动活塞杆及活塞向缸筒内移动，气体通过活塞的两边导流孔流通，这时活塞两边的压力相等，由于活塞左边缸筒端截面大于活塞右边杆端截面，故活塞左边缸筒端的作用力大于活塞右边杆端的作用力(储存能量)，当尾门到达底部被锁扣锁住时尾门被关闭。当开启尾门时，用手按下尾门开关按钮并拉动尾门时，尾门在活塞两边作用力之差的作用下(释放能量)推动活塞杆将尾门打开。

1.2 汽车尾门气弹簧一般的安装部置

图2为尾门关闭状态，点O固定在后备箱上的旋转轴上，点A为气弹簧在尾门上的支点，点B为气弹簧在后备箱流水槽上的支点，支点B固定不动，气弹簧点A绕点O旋转。当尾门关闭时，一般点A应在OB连线的内侧，这样点A就越过OB连线的死点，尾门不会自动打开。

图1 气弹簧的结构示意

图2 尾门气弹簧关闭示意

2 汽车尾门电动撑杆的结构和工作原理及安装位置

2.1 某车型尾门电动撑杆的结构图

图3中，球钉1安装球头座2上，螺套管组件5通过螺纹固定在球头座2上，弹簧4安装在大护套3内被预压缩在衬管8内，丝杆组件6一端通过螺纹安装在螺套管组件5内，另一端安装在轴承座9的轴承上通过花键连接到减速箱11的输出端，小电机12通过减速箱11输出动力，轴承座9及电机端接头组件14在圆周上被压铆在衬管8内并夹紧电机和减速箱，从而限制其在轴向和圆周方向上的运动。

图3 尾门电动撑杆的结构示意

2.2 汽车尾门电动撑杆一般工作原理

一般在尾门开启状态下，将电动撑杆电机端接头球钉安装在后备箱流水槽上，另一端球钉安装在尾门上。当尾门关闭时，按下车钥匙遥控开关或尾门上开关，控制单元(ECU)得到信号同时开启电机工作，这时电机通过减速机构带动丝杆轴旋转，丝杆轴通过螺套管组件向筒内作收缩直线运动并压缩弹簧(储存能量)带动大护套及球头运动，尾门受到球头螺钉的拉力和重力矩，尾门关闭并被电吸锁具锁住。当尾门开启时，按下车钥匙遥控开关，控制单元(ECU)得到信号将尾门电吸锁打开，同时电动撑杆电机反方向旋转，电机通过减速机构带动丝杆轴将螺套管组件和弹簧同时作伸展直线运动(释放能量)并带动大护套及球头运动，尾门受到弹簧和电动丝杆的推力矩并克服尾门重力矩，这时尾门被打开。

某车型尾门电动撑杆开启不同位置示意如图4所示。

图4 尾门电动撑杆开启不同位置示意

3 某电动撑杆的基本参数及计算

电动撑杆总长520 mm，******行程150 mm，尾门******力矩时行程50 mm。电机电压V=12 V，电机额定工作参数如下：n2=5 100 r/min；P2=46 W；T2=86 (mN·m)。丝杆为六头梯形螺纹，外螺纹直径9.8 mm，内螺纹直径8.2 mm，螺纹中径D=9 mm，单头螺距s=8 mm。减速箱传动比i=22；机械传动效率η∑≈0.5；输出转速n=5 100/22=231.8 r/min,尾门开启速度v=s×n/60=8×231.8/60=30.9 mm/s；电动撑杆总行程150 mm，所需时间为t=150/30.9=4.85 s。丝杆轴输出扭矩T=T2×i×η∑=86×22×0.5=0.95 N·m。下面计算丝杆轴向推力。

根据螺旋传动公式有：

Q=F丝杆tan(ψ+ρ)

则有：F丝杆=Q/tan(ψ+ρ)

又：T=Q×D/2Q=2T/D

则有：F丝杆=2T/[D×tan(ψ+ρ)] tanρ=f/cosβ

式中：F丝杆为作用丝杆轴向力；Q为作用螺纹中径D圆周上的切向力；D为螺纹中径；ψ为螺纹升角；ρ为螺纹当量摩擦角；f为螺纹摩擦因数，当螺纹润滑良好时，选取f=0.1；β为螺纹牙形半角，当螺纹为梯形螺纹时，β=15°。

tanψ=s/πD

式中：s为螺距；D为螺纹中径。由上式s=8 mm、D=9 mm，则：

ψ=arctan[s/(πD)]=arctan[8/(π9)]=arctan(0.283)=15.8°

由tanρ=f/cosβ=0.1/cos15°=0.103 5，则：

ρ= arctan(0.103 5)=5.91°

由于ψ>ρ，螺纹副不自锁。也就是说当电动撑杆不通电时，可以手动推动尾门。

tan(ψ+ρ)= tan(15.8°+5.91°)=tan(21.71°) ≈0.4

所以：F丝杆=2T/[D×tan(ψ+ρ)]=2×0.95/[9×10-3×0.4]≈528 N

4 弹簧的工作行程和参数及弹力计算

图5中，设弹簧弹性系数K1=3, 当电动撑杆******行程150 mm时，即弹簧******压缩行程为350 mm时，也就是尾门关闭时弹簧所受的力，根据弹簧计算公式有：F1=350×3=1 050 N。当电动撑杆行程50 mm时，弹簧压缩行程为250 mm时，也就是尾门******力矩时弹簧所受的力，即F2=250×3=750 N。当尾门开启******时,也就是弹簧预压缩安装所受的力，即F3=200×3=600 N。

图5 弹簧的行程和弹力关系示意

5 电动撑杆不同状态下所受合力F合的计算

电动撑杆所受合力F合由两部分组成，一部分为弹簧的弹力，另一部分为电动丝杆的推力，F合=F丝杆+F弹。

当尾门关闭时，由上面计算可知：F弹=1 050 N，F丝杆=528 N。由于尾门关闭时，电动撑杆作收缩运动，电动丝杆要克服弹簧力将尾门关闭，F闭合=-528+1 050=522 N。

当尾门刚开启时，电机反转，由：F弹=1 050 N、F丝杆=528 N，则F开门=1 050+528=1 578 N。

当尾门开启为******力矩时，由：F弹=750 N、F丝杆=528 N，则F******力矩=750+528=1 278 N。

当尾门开启为******行程时，由：F弹=600 N、F丝杆=528 N，则F******行程=600+528=1 128 N。

6 尾门在开启不同状态下受力分析计算及校核

6.1 尾门关闭和刚开启状态下受力分析计算及校核

图6中：点O为尾门旋转轴固定在后备箱上；点A为电动撑杆在后备箱流水槽上的支点固定不动；点B为电动撑杆在尾门上的支点，点B绕点O旋转；点W为尾门重心，其重力约为300 N,考虑雪的覆盖重力为50 N，故尾门总重力为350 N，它与点O的力臂长度为421.5 mm。设电动撑杆AB的闭合力为F，它与点O的力臂长度为51.5 mm。考虑双杆电动撑杆安装形式，当尾门关闭时，根据力矩平衡关系有：W×L2=2F×L1×K；考虑安全系数K，取K=1.1，则F=350×421.5/(2×51.5×1.1)=1 302 N。校核闭合力应为：F闭合≤F，由F闭合=522 N可知：522 N≤1 302 N，故满足尾门关闭要求。

图6 尾门关闭状态下受力

当尾门刚开启时，电机反转，根据力矩平衡关系有：W×L2×K=2F×L1，则F=350×421.5×1.1/(2×51.5)=1 575.5 N。校核开启力应为：F******开门≥F。由F******开门=1 578 N可知1 578 N≥1 575.5 N，故满足尾门开启要求。

6.2 尾门开启******力矩状态受力分析计算及校核

图7中，当尾门开启时，此时电机反转，当尾门开启到******力矩状态，点W为尾门重心，它与点O的力臂长度为480 mm,电动撑杆AB开启力为F，它与点O旋转轴的力臂长度为134 mm，尾门重力约为350 N。根据力矩平衡关系有：W×L2×K=2F×L1；考虑安全系数K，取K=1.1，则F=350×480×1.1/(2×134)=698.6 N。校核******力矩时应为：F******力矩≥F，由F******力矩=1 278 N可知：1 278 N≥698.6 N，故满足尾门开启要求。当F******力矩=F时，尾门处于动态平衡，又F=F弹+F丝杆，实际丝杆的推力F丝杆=F-F弹=698.6-750=-51.4 N，即此时弹簧力就可以把尾门推开。

图7 尾门开启******力矩状态受力

6.3 尾门在******行程开启状态受力分析计算及校核

图8中，当尾门开启到******行程状态时，点W为尾门重心，它与点O的力臂长度为168.4 mm,电动撑杆AB开启力为F，其与点O旋转轴的力臂长度为408.7 mm，尾门重力约为350 N。根据力矩平衡关系有：W×L2×K=2F×L1，考虑安全系数K，取K=1.1，则F=350×376.3×1.1/(2×160)=452.7 N。校核******力矩时应为：F******行程≥F，由F******行程=1 128 N可知：1 128 N≥452.7 N，故满足尾门开启要求。当F******行程=F时，尾门处于动态平衡，又F=F弹+F丝杆，实际丝杆的推力F丝杆=F-F弹=467.2-600=-147.3 N，即此时弹簧力足可以把尾门推开，当电机不工作时尾门不会往下关门。

图8 尾门在******开启状态受力图

7 总结

通过计算可知：当尾门关闭时，电动撑杆作收缩运动，这时电动丝杆拉力克服弹簧力做功，从而储存能量，则有F闭合≤F；当尾门刚开启时，电机反转弹簧释放能量，则有F******开门≥F；当尾门开启到******行程状态时，此时电机不工作，则有F弹≥F******开门。正确选择弹簧和电机的功率主要与电动撑杆的安装支点和尾门重心位置及尾门重力有关。