王明波，趙新民，屠清智

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基于Matlab的玻璃升降系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)平臺開發(fā)

王明波，趙新民，屠清智

（海馬汽車有限公司，河南 鄭州 450000）

文章首先建立了玻璃升降系統(tǒng)運(yùn)動模型，對升降過程中的前后呢槽阻力、水切阻力、重力、推力及相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩推導(dǎo)全行程計(jì)算方程，并基于Matlab開發(fā)仿真模型和可視化平臺，最后采用該平臺輔助校核和設(shè)計(jì)實(shí)車玻璃升降系統(tǒng)，驗(yàn)證了該平臺的可靠性。

推力；轉(zhuǎn)矩；可視化平臺；輔助校核和設(shè)計(jì)；可靠性

前言

在乘用車車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，玻璃升降系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，但也是難點(diǎn)。因?yàn)椴Ａ迪到y(tǒng)包括玻璃、導(dǎo)軌、膠條、水切、升降器等，其涉及到汽車的密封性、耐久性、功能性、安全性等性能，直接影響乘客使用的舒適性、安全性和便利性。

玻璃升降系統(tǒng)涉及的參數(shù)多，且某些參數(shù)之間存在矛盾之處，如果相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇不當(dāng)，非常容易造成玻璃升不到頂、升降過程偏斜、升降速度慢等[1,2]，進(jìn)而可能影響汽車的密封性，出現(xiàn)漏雨、風(fēng)噪大等問題，嚴(yán)重者會存在車內(nèi)人身財(cái)物被盜的風(fēng)險(xiǎn)。玻璃升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜繁瑣的過程，往往需要反復(fù)調(diào)整參數(shù)，多參數(shù)聯(lián)調(diào)，進(jìn)行大量計(jì)算，以得到較為合適的值[3,4]。

本文基于Matlab軟件，開發(fā)交互式設(shè)計(jì)平臺，輔助玻璃升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過計(jì)算過程的自動化和界面可視化，能夠方便實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)選擇，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期。同時(shí)可用于校核量產(chǎn)車型的玻璃升降系統(tǒng)，幫助發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理之處，輔助分析玻璃升降異常原因。

1 建立方程

1.1 玻璃升降系統(tǒng)

乘用車車窗玻璃通常為雙曲率，考慮在XY平面的曲率較小，為簡化分析，將玻璃和導(dǎo)軌形狀均假設(shè)為單曲率圓弧，其正面視圖和側(cè)面視圖及上升過程受力情況見圖1所示。以導(dǎo)軌圓心為原點(diǎn)，建立玻璃升降系統(tǒng)的模型：

式中：R為導(dǎo)軌和玻璃圓弧半徑。

1.2 升降力分析

玻璃上升過程中，主要受到前呢槽的摩擦力、后呢槽的摩擦力、水切的摩擦力、玻璃自身的重力以及玻璃升降器的推力。為簡化分析，假設(shè)玻璃在整個(gè)升降運(yùn)行過程中速度恒定。

1.2.1前呢槽摩擦力

首先計(jì)算前呢槽摩擦力1在XZ面的投影值：

式中：0為前導(dǎo)軌底端位置角；1為玻璃前沿頂端初始位置角；2為玻璃前沿底端初始位置角；3為前導(dǎo)軌頂端位置角；為上升角速度；1為前導(dǎo)軌呢槽每毫米阻抗值。

后呢槽的摩擦力計(jì)算2與1相似，不再做具體分析。

1.2.2水切摩擦力

下面計(jì)算水切對玻璃上升的阻力：

式中：為玻璃進(jìn)入水切初始長度值；為前后導(dǎo)軌間距；為水切位置角；3為水切每毫米阻抗值。

1.2.3重力

重力在推力方向的分力為：

式中，為玻璃重力；為導(dǎo)軌的后傾角。

1.2.4推力

因假定上升過程中速度恒定，因此玻璃受力平衡，可得推力為：

式中：為推力點(diǎn)的位置角。下降過程分析計(jì)算方法與上升過程相同，不再做具體分析。

1.3 轉(zhuǎn)矩分析

玻璃上升過程中，受到的力均會產(chǎn)生力矩，從而導(dǎo)致玻璃產(chǎn)生一定的翻轉(zhuǎn)，假定順時(shí)針轉(zhuǎn)矩為正，逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩為負(fù)，計(jì)算各個(gè)力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

1.3.1前后呢槽的摩擦力矩

前呢槽的摩擦力矩：

式中：為前導(dǎo)軌與推力基準(zhǔn)線距離；

后呢槽的摩擦力矩：

1.3.2水切的摩擦力矩

上升過程分為三個(gè)階段：1）玻璃與水切的交叉點(diǎn)在推力線后，2）玻璃與水切交叉點(diǎn)在推力線前，3）玻璃與水切完全接觸。每個(gè)階段水切摩擦力產(chǎn)生的力矩不同。

（12）

1.3.3重力矩

重力產(chǎn)生的力矩為：

式中：d為玻璃重心至前呢槽的距離。

1.3.4轉(zhuǎn)矩

玻璃受到的總力矩為：

2 仿真計(jì)算

2.1 仿真模型

基于Matlab-Simulink模塊，對玻璃升降系統(tǒng)建立仿真模型，如圖5所示：

圖5 仿真模型

2.2 可視化平臺

圖6 可視化仿真平臺

基于GUI可視化平臺如圖6，通過GUI模塊與Simulink聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出的可視化。

3 輔助校核和設(shè)計(jì)

3.1 校核量產(chǎn)車型

3.1.1玻璃升降系統(tǒng)

某車型在量產(chǎn)初期，玻璃升降異常問題市場反饋較多，該車型前門玻璃升降系統(tǒng)數(shù)模如圖7所示。

圖7 某量產(chǎn)車前門玻璃升降系統(tǒng)

某月份該前門升降系統(tǒng)的售后理賠數(shù)據(jù)如下圖8所示：

圖8 某月售后反饋問題

通過對大量實(shí)車觀察分析，前門確實(shí)存在較多問題。上降困難主要表現(xiàn)在上升無力、上升慢、升不到頂?shù)?。上升偏斜主要表現(xiàn)為上升過程中前傾、偏擺，甚至出現(xiàn)上升一半時(shí)，玻璃從B柱呢槽脫出，見下圖9。

圖9 玻璃從呢槽脫出

3.1.2升降系統(tǒng)校核

采用輔助設(shè)計(jì)平臺對該玻璃升降系統(tǒng)進(jìn)行校核，將相關(guān)參數(shù)輸入可視化平臺中，如圖10所示。

圖10 玻璃升降系統(tǒng)校核

3.1.3結(jié)果分析

推力隨時(shí)間變化如下圖11所示。

圖11 推力隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)推力值對電機(jī)選型進(jìn)行校核，升降器的內(nèi)阻設(shè)計(jì)值最大為60N，則電機(jī)理論上額定扭矩值應(yīng)為：

式中，為升降器線輪直徑。該車型升降器電機(jī)的選定額定扭矩值為2.94N.m。因此，電機(jī)的選定扭矩值小于理論扭矩值，會導(dǎo)致升降無力、升降慢等問題。

玻璃上升過程中，所受轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化如下圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線

從圖中可以看出，玻璃上升過程中，初始階段合力矩為正，不會發(fā)生前傾，當(dāng)上升到大約一半時(shí)，轉(zhuǎn)矩值開始由正變負(fù)，玻璃整體會出現(xiàn)前傾。理論校核結(jié)果與實(shí)際情況相符合。

3.2 新車型設(shè)計(jì)

3.2.1設(shè)計(jì)參數(shù)

在公司某車型玻璃升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求書，通過該平臺進(jìn)行輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖13所示：

圖13 輔助設(shè)計(jì)過程

優(yōu)化選擇的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1-表3所示：

表1 玻璃和導(dǎo)軌位置角參數(shù)

表2 玻璃升降系統(tǒng)尺寸參數(shù)

表3 阻抗和推力線等其它參數(shù)

得到的玻璃升降系統(tǒng)數(shù)模如圖14所示。

3.2.2結(jié)果分析

該組參數(shù)計(jì)算得到的上升推力值如圖15所示，可以看出，上升推力曲線較平滑，無明顯波動，上升過程平穩(wěn)，推力最大值為72.5N，滿足設(shè)計(jì)要求值，在此基礎(chǔ)上選擇電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩值。

圖15 推力隨時(shí)間變化曲線

上升轉(zhuǎn)矩如圖16所示，整個(gè)上升過程，玻璃始終受到一個(gè)向后的翻轉(zhuǎn)力矩，理論上玻璃不會出現(xiàn)前傾的現(xiàn)象，并且該力值大小適中，玻璃也不會明顯后傾，不會造成B柱膠條磨損嚴(yán)重。

圖16 轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線

該車型自上市以來，市場反饋的玻璃升降異常問題較少，實(shí)際表現(xiàn)情況令人滿意，達(dá)到設(shè)計(jì)和開發(fā)目標(biāo)。

3.3 驗(yàn)證結(jié)果

采用該輔助設(shè)計(jì)平臺對某量產(chǎn)車型玻璃升降系統(tǒng)進(jìn)行理論校核，發(fā)現(xiàn)電機(jī)扭矩選型偏小以及玻璃上升轉(zhuǎn)矩先正后負(fù)，與市場反饋的升降異常問題（如上升緩慢、上升無力、升不到頂和上升偏斜等）相吻合。同時(shí)采用該平臺輔助新車型開發(fā)，優(yōu)化選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，理論計(jì)算結(jié)果和上市后的實(shí)際表現(xiàn)均表明此平臺輔助選擇的玻璃升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)值較優(yōu)。

4 結(jié)論

本文建立了玻璃升降升降系統(tǒng)運(yùn)動模型，對升降過程中的前后呢槽阻力、水切阻力、推力及相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩推導(dǎo)全過程計(jì)算方程，并基于Matlab建立Simulink仿真模型和GUI可視化平臺。通過校核量產(chǎn)車型和輔助設(shè)計(jì)新車玻璃升降系統(tǒng)，證明該玻璃升降輔助設(shè)計(jì)平臺有較高的準(zhǔn)確性和可靠度，可以用于實(shí)際升降系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)和校核。

[1] 張建偉,唐淳,俞燕.車門玻璃升降平順行性研究及應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù),2015（4）:57-59.

[2] 佟炳勇,余坤.影響車門玻璃升降的原因分析[J].汽車工程師,2013（5）:46-49.

[3] 姚晨,劉建國,詹濤.基于matlab/simulink的玻璃升降器推力中心點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017（1）:86-89.

[4] 周奇才,費(fèi)紅偉,熊肖磊.乘用轎車電動玻璃升降器的系列化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2011（6）:95-98.

The Development of Aided Design Platform of Glass Lifting System Based on Matlab

Wang Mingbo, Zhao Xinmin, Tu Qingzhi

（Haima Car Co., Ltd., Henan Zhengzhou 450000 )

The motion model of the glass lifting system is established firstly,and then the formula of resistance and rotation of front guide sealing strip,rear guide sealing strip and weather strip is obtained respectively during the whole lifting and dropping process of glass,at the same time the thrust and the total rotation are also get.Then the simulation model and visual platform are developed based on Matlab,the platform is used to aid check and design real glass lifting system to demonstrate the reliability of if Finally.

Thrust; Rotation; Visual Platform; Aided Check and Design; Reliability

A

1671-7988(2019)05-143-05

U463

A

1671-7988(2019)05-143-05

U463

王明波，就職于海馬汽車有限公司，碩士。研究方向：汽車開閉件設(shè)計(jì)；趙新民，就職于海馬汽車有限公司，高級工程師。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.044