□ 姚 鑫 □ 高云凱

同濟大學(xué) 汽車學(xué)院 上海 201814

1 優(yōu)化背景

根據(jù)市場調(diào)查,目前帶有天窗的轎車的市場占有率約為70%,用戶再次購車時對天窗的配置意愿高于95%。可見,終端市場對轎車天窗的認(rèn)可度較高。德國偉巴斯特公司生產(chǎn)的天窗占據(jù)我國國內(nèi)轎車天窗市場50%以上的份額。雖然我國許多企業(yè)也從事相關(guān)生產(chǎn)工作,但主要為國內(nèi)自主轎車品牌供應(yīng)天窗,鮮有打入高端轎車品牌市場[1-2]。國內(nèi)轎車天窗生產(chǎn)企業(yè)自主研發(fā)實力較弱,尤其是轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計能力薄弱。采用現(xiàn)代化設(shè)計方法建立轎車天窗平臺[3-4],使大部分零部件實現(xiàn)共用,通過參數(shù)化設(shè)計,結(jié)合ADAMS虛擬樣機技術(shù),對特定零部件進行設(shè)計優(yōu)化,匹配整車廠需求,可以縮短轎車天窗的開發(fā)周期,降低開發(fā)成本,保證轎車天窗的設(shè)計質(zhì)量。

筆者對轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)的起翹高度進行優(yōu)化,增大8 mm。為了使轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度更高,一般需要加長導(dǎo)軌,使轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)的運動距離更遠。但是導(dǎo)軌前端空間有限,加長導(dǎo)軌會導(dǎo)致轎車天窗與轎車不匹配。對此,通過對轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)進行優(yōu)化,來達到優(yōu)化轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度的目的。

2 轎車天窗結(jié)構(gòu)

筆者研究的是市場中典型的內(nèi)藏式轎車天窗,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。轎車天窗由天窗玻璃、運動執(zhí)行機構(gòu)、前橫梁、中橫梁、導(dǎo)軌、驅(qū)動控制機構(gòu)、拉索、遮陽板等構(gòu)成[5]。

運動執(zhí)行機構(gòu)是轎車天窗的核心部分,是實現(xiàn)天窗玻璃起翹、下落、打開、關(guān)閉的關(guān)鍵。轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)主要由導(dǎo)向桿、滑動桿、連桿、滑塊、拉索等組成[6],如圖2所示。

3 轎車天窗運動原理

轎車天窗玻璃有四種運動——起翹、下落、打開、關(guān)閉,這些運動由驅(qū)動控制機構(gòu)、運動執(zhí)行機構(gòu)、框架總成共同配合完成。驅(qū)動控制機構(gòu)中的電控單元接收操作指令,轉(zhuǎn)換為小型電機的動力。小型電機通過齒輪將動力傳遞至拉索,拉索通過軟軸帶動滑塊及滑動桿沿導(dǎo)軌方向運動。在滑動桿的作用下,導(dǎo)向桿沿導(dǎo)向槽移動。通過滑塊與連桿、滑動桿、導(dǎo)向桿的配合,導(dǎo)向桿呈現(xiàn)為向上或向下的運動狀態(tài),同時帶動天窗玻璃實現(xiàn)相應(yīng)的起翹、下落動作。

轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)簡化模型如圖3所示[7]。圖3中,AB對應(yīng)導(dǎo)向桿,CDF對應(yīng)滑動桿,AEG對應(yīng)滑塊,G對應(yīng)拉索,DE對應(yīng)連桿。

4 建模與仿真分析

對轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)分析后發(fā)現(xiàn),轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)的運動形式可以表示為二維平面運動。為便于分析,對轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)進行簡化,得到導(dǎo)向桿、滑動桿、連桿、滑塊、拉索?；瑒訔U和連桿在天窗玻璃起翹和下落過程中起固定與限位的作用,與導(dǎo)軌之間并未產(chǎn)生相對移動。天窗玻璃起翹和下落過程中,拉索在馬達的作用下相對連桿做平移運動,滑塊在拉索運動的作用下移動,與滑動桿及導(dǎo)向桿產(chǎn)生相對滑動,同時相對于拉索轉(zhuǎn)動。導(dǎo)向桿在滑塊相對滑動作用下升起或下落。天窗玻璃高度的變化可以簡化為導(dǎo)向桿高度的變化。取導(dǎo)向桿尾部頂點到導(dǎo)軌內(nèi)平面的垂直距離,作為天窗玻璃的測量高度,對應(yīng)轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度,如圖4所示。

在優(yōu)化中,應(yīng)用ADMAS軟件Solver命令來創(chuàng)建轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)的仿真程序[8]。轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)從天窗玻璃起翹到下落之間的總行程是202 mm,為方便觀察天窗玻璃起翹、下落過程中轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度的變化,拉索速度設(shè)置為100 mm/s,整個行程時間設(shè)置為2 s。

轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度變化曲線如圖5所示,可以看出轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)在天窗玻璃起翹和下落的過程中運動比較有規(guī)律。0～1 s為天窗玻璃起翹過程,1～2 s為天窗玻璃下落過程。轎車天窗運動開始時起翹高度為38 mm,拉索運行1 s,位移為101 mm,此時轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度最大約為67.5 mm。

5 轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)化

應(yīng)用ADMAS軟件對轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度進行優(yōu)化。設(shè)定轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度增大8 mm,通過ADMAS軟件View模塊的參數(shù)化分析功能,在相關(guān)零件上選擇若干個點,作為進行優(yōu)化的參數(shù)[9-12]。當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時,對設(shè)計目標(biāo)產(chǎn)生影響,經(jīng)過分析可以得出最佳參數(shù)。

在三維空間狀態(tài)下,在CATIA軟件中創(chuàng)建轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)關(guān)鍵點,并測量關(guān)鍵點坐標(biāo),作為轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度優(yōu)化的參考點[13]。共創(chuàng)建19個參考點,如圖6所示,導(dǎo)向桿導(dǎo)向槽的節(jié)點對應(yīng)參考點1～4,導(dǎo)向桿的節(jié)點對應(yīng)參考點5、6,滑動桿導(dǎo)向槽的節(jié)點對應(yīng)參考點7～10,滑動桿導(dǎo)向柱的節(jié)點對應(yīng)參考點11、12,滑塊的節(jié)點對應(yīng)參考點13～15,拉索的節(jié)點對應(yīng)參考點16～18,連桿的節(jié)點對應(yīng)參考點19。

轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)主要在整車坐標(biāo)系XZ平面內(nèi)運動,可以選擇轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)參考點的X軸、Z軸坐標(biāo)作為設(shè)計變量,Y軸坐標(biāo)均為0。選取轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)部分參考點作為關(guān)鍵點,坐標(biāo)見表1。

表1 轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)關(guān)鍵點坐標(biāo)

將轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)關(guān)鍵點的X軸、Z軸坐標(biāo)作為設(shè)計變量,共得到12個設(shè)計變量。根據(jù)轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)的特點,考慮產(chǎn)品平臺化需求,設(shè)置設(shè)計變量相對變化范圍為-2～2 mm。

通過對不同設(shè)計變量的分析,獲得設(shè)計變量的敏感度,即設(shè)計變量的變化對轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度變化的影響。設(shè)計變量敏感度見表2。

表2 設(shè)計變量敏感度

由表2可知,設(shè)計變量2和8的敏感度較大,對應(yīng)參考點1Z軸坐標(biāo)、參考點7Z軸坐標(biāo)。根據(jù)分析結(jié)果可以得出,當(dāng)天窗玻璃處于起翹狀態(tài)時,若要使轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度增大8 mm,可以將導(dǎo)向桿導(dǎo)向槽底端位置沿Z軸方向向下移動2 mm,同時將滑動桿導(dǎo)向槽頂端位置沿Z軸方向向上移動2 mm,分別如圖7、圖8所示。

優(yōu)化后轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度變化曲線如圖9所示。由圖9可以看到,優(yōu)化后轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)在1 s時的起翹高度最大約為75.5 mm。

優(yōu)化后轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)參考點1Z軸坐標(biāo)為17.208 mm,對應(yīng)設(shè)計變量2,參考點7Z軸坐標(biāo)為27.201 mm,對應(yīng)設(shè)計變量8。優(yōu)化后轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度增大了8 mm,達到了優(yōu)化目標(biāo)。

6 結(jié)束語

筆者應(yīng)用ADMAS軟件對轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)進行仿真,分析對轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度有影響的各設(shè)計變量的敏感度,確認(rèn)敏感度最大,即對轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度影響最大的設(shè)計變量。通過對設(shè)計變量優(yōu)化,實現(xiàn)對轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度的優(yōu)化,使轎車天窗運動執(zhí)行機構(gòu)起翹高度由67.5 mm增大至75.5 mm,實現(xiàn)增大8 mm的優(yōu)化目標(biāo)。

筆者所采用的這種優(yōu)化方法成本低,時間短,可以在計算機中重復(fù)進行,為解決不同轎車車型模塊化天窗總成開啟高度的匹配問題,實現(xiàn)轎車天窗平臺化設(shè)計提供了參考。