（动力机械及工程专业论文）汽车玻璃升降器性能仿真分析.pdf

摘要 汽车车门玻璃升降器是驾乘人员使用频率比较高的一种功能件，该功能件 的方便操作及可靠使用直接影响着人们在车内各种活动的质量，与车门玻璃升 降器相配合的零部件比较多，其设计质量直接影响玻璃升降器的性能。通过数 值仿真方法对汽车电动玻璃升降器的性能进行研究，可以有效降低产品开发成 本、缩短产品丌发周期，本文的研究具有一定的理论意义和工程应用价值。 论文借助三维造型软件，分别建立前后门玻璃升降器三维实体模型。运用 动力学仿真软件对前门的绳轮式玻璃升降器进行全刚性体的运动学仿真，得到 其关键部件在运动过程中的载荷时问历程。对后门的单臂式玻璃升降器采用刚 柔耦合分析方法进行运动学仿真计算。由于单臂式玻璃升降器的主动臂在运动 过程中会有较大的形变，所以不能作为全刚性体假设，需要将主动臂作为柔性 部件来处理。运用有限元方法，将主动臂几何模型进行网格离散，得到其模态 中性文件，并将此文件导入到运动模型中替换刚性体的主动臂，在此过程中主 要解决了界面点的设置，刚柔模型耦合计算的问题。同时分析了模型的干涉情 况，并输出了关键机构的载荷时间历程。 最后在运动学计算的基础之上，将得到的绳轮式玻璃升降器中上下支架的 载荷谱以及单臂式玻璃升降器中小滑块和主动臂的载荷谱，应用在有限元分析 软件中，对这几个部件进行疲劳寿命的预测。通过疲劳寿命预测，确定了绳轮 式玻璃升降器中上下支架以及单臂式玻璃升降器中小滑块和主动臂的使用寿命 以及易出现损伤的部位。 关键词：汽车：玻璃升降器：数值仿真：刚柔耦合：疲劳寿命 a b s t r a c t v e h i c l ed o o rg l a s sl i f t e ri so n eo ft h eh i g h e rf r e q u e n c yf u n c t i o nw h i c ho c c u p a n t s u s e e a s yo p e r a t i o na n dr e l i a b l eu s eo ft h eg l a s sl i f t e rd i r e c t l ya f f e c t st h eq u a l i t yo f t h e v a n o u sa c t i v i t i e so ft h ep e o p l ei nt h ec a r t h e r e a r em a n yp a r t sc o o p e r a t i n gw i t h w l n d o wl i f t e r t h e i rd e s i g n q u a l i t yd i r e c t l ya f f e c t i n gt h ep e r f 0 瑚a n c eo f9 1 a s sl i f t e r b e c a u s eo f d e s i g nm e t h o d si nc h i n ai sr e l a t i v e l yb a c k w a r d ，l e a d i n gt ot h e i r1 i f ea 1 1 d t h ep e r f b r m a n c ed o e sn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t s t h i sa r t i c l eo nf o rn u m e c a l s l m u l a t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo fv e h i c l ee l e c t r i c a l w i n d o wl i f t e r ，c a i le 仃e “v e l v r e d u c ep r o d u c td e v e l o p m e n tc o s t s ，s h o r t e np r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e s ，s t u d i e sh a v e i m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n p a p e ru s em o d e l i n gs o f t w a r e ，b u i l dac a rd o o rw i n d o wl i f t e r i n c l u d eb e f o r e 觚 a f t e rw i n d o w u s i n gm u l t i b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r eo nt h er o p et o 丘o m d o o rr e s p e c t i v e l yw h e e l e dg l a s sl i f t e rf o r k i n e m a t i c so fr i g i db o d ys i m u l a t i o no f n g i d - f l e x i b l ec o u p l i n g i nt h ec o u r s eo f s t u d y , m a i n l yt h ed i g i t a lt r a n s i t i o nb e t w e e n m o d e la n dm o t i o nm o d e l ，a tt h es a m et i m e i n t e r f e r e n c ea n a l y s i sm o d e la n do u t d u t l o a d t i m eh i s t o r yo ft h ek e yi n s t i t u t i o n s b a c kd o o ra i m t y p ew i n d o wr e g u l a t o ro f d u et o l t s i a r g ed e f o r m a t i o ni na c t i v ea r mm o v e m e n t ，i ti sn o tp o s s i b l ea st h er i g i d b o d ys y s t e mt oc a l c u l a t e ，a c t i v ea r mn e e d st ob et r e a t e da sf l e x i b l ep a r t s n e r e 南r e r e q m r et h eu s eo ff i n i t ee l e m e n t st h e o r ya n dm e t h o d s ，w i l la c t i v ea r mm o d e lf o r d l s c r e t e g c ti t sm o d e 。n e u t r a lf i l e ，a n di m p o r tt h i sf i l ei n t ot h ea c t i v e 锄no f t h e m o t i o nm o d e lr e p l a c e di nr i g i db o d y , i nt h ep r o c e s s ，m a i n l yt h ei n t e r f a c ep o i n t s e t m o d e lo fr i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gp r o b l e m s a tl a s t ，o nt h eb a s i so fk i n e m a t i c sc a l c u l a t i o n ，g e tt h er o p er o u n d g l a s s l i n su p a i l dd o w ni ns u p p o r to fl o a ds p e c t r u ma n dt h e g l a s sl i f t si nt h es i n g l e a n n 锄a 1 1 s j l d 盯锄da c t i v ea n l ll o a ds p e c t r u m ，i n a p p l i c a t i o nt of i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f h v a r e o nt h ep r e d i c t i o no fs e r v i c el i f eo ft h e s e p a r t s k e yw o r d s ：v i h c l eg l a s sl if t e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；r i g i d f l e x i b l ec o u p l i n g ；f a t i g u e 玎 武汉理。：人学硕十学1 1 ：) ：论文 1 1 研究目的及意义 第1 章绪论 在全球产业结构转移以及我国经济快速发展的背景下，我国汽车工业得到 了迅猛发展，汽车产量和保有量持续增长，早在2 0 1 0 年已成为全球汽车生产及 消费最大国。据数据统计，2 0 11 年我国汽车产量已达到1 8 4 1 8 9 万辆，销量为 1 8 5 0 5 1 万辆，位居世界第一。截止到2 0 11 年8 月国内汽车保有量已超过一亿 辆，预计到2 0 2 0 年，将超过2 亿辆。整车数量突飞猛进的增加，带动了汽车零 部件厂商的竞争。 玻璃升降器是车门系统中非常重要的车门附件，其主要功能是实现玻璃的 升降，但还有许多关系到人机工程学的附属功能，给驾驶者提供方便和安全的 使用，与日常的驾驶不可分离。国内玻璃升降器的设计起步比较晚，在设计和 使用中出现了诸多的问题需要解决，而国内的设计方法比较落后，很多都是临 摹国外的产品，设计方法都是采用传统的设计流程，首先是临摹国外玻璃升降 器的外形和结构，然后生产样件进行试验，在试验中发现产品的不足之处，再 回头对设计进行修改，不断的重复该过程，从而使其性能接近国外产品，导致 设计的周期很漫长，对其运动机理和理论研究并不是很深入。往往在出现问题 后并不能彻底的了解其发生的原因和制定有效的解决方案，比如产品在使用过 程中经常会发生升降不平稳、抖动、零部件失效、偏离玻璃滑槽等情况。这些 问题的出现实际上常常意味着在升降器运行的过程中某些位置出现了静态或动 态力学状况恶略。反应在使用和试验过程当中，就会出现零件的失效。导致寿 命和方便度达不到预期的效果。 电动玻璃升降器是整车中故障率最高的部件之一，据国内几家大的汽车厂 售后索赔统计，电动玻璃升降器基本上都居前2 0 位。在国外，电动玻璃升降器 也是故障率较高的部件之一。究其原因，主要是电动玻璃升降器设涉及零部件 较多，包括开关、线束、控制系统及电动玻璃升降器本身，这些零部件均为串 联关系，从而导致整个电动玻璃升降器的可靠性降低。再者电动玻璃升降器与 其它系统的接口众多，包括车门系统、车门玻璃及车门密封条，当电动玻璃升 降器与这些系统配合不良时，导致电动玻璃升降器不正常工作。最后，电动玻 武汉理j 大学硕十学位论文 璃升降器的工作环境较为恶劣，从而使整个电动玻璃升降器的可靠性降低。同 时电动玻璃升降器是使用最为频繁的，而且不进行任何保养的部件之一。 为了能从根本上有效的解决这些问题，需要建立一套完整的从设计到分析 的预评估平台，从设计之初就对玻璃升降器进行全面的动力学分析，有限元数 值仿真计算。随着计算机仿真技术的成熟，通过整合多种仿真软件，使得该系 统的搭建成为可能。 本文依据厂家的要求，根据实际的工程需要，通过使用多种先进的数值仿 真分析软件，包括c a t i a 、a d a m s 、a n s y s 、f a t i g u e 等构件集成的系统 平台，对两款玻璃升降器进行了整体的仿真分析，对两款电动玻璃升降器的性 能进行预评估，研究具有一定的理论意义和工程应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 汽车玻璃升降器的研究现状 国外玻璃升降器的发展经历了几个阶段，最早的玻璃升降器出现在6 0 年代， 当时还是比较简单的手摇式玻璃升降器，相比现在的玻璃升降器，其体积大、 结构复杂。最初也只是使用在一些相对高档的乘用车上。之后的第二代产品， 有效的减小了体积，并增加了防水的功能。现在还有很多车型上继续使用着其 改良后的产品。9 0 年代的车型上多安装这种玻璃升降器。第三代产品产生于9 0 年代末，第三代产品使用了先进的透气膜技术，有着优良的防水性能，整体性 能稳定。目前还有很多车型在延续着使用该代的产品。第四代产品出现在9 0 年 代末，当时由于科技的进步，工艺加工技术的突飞猛进，其构件的体积越做越 小，重量也相应的大大降低。并且增加了许多的电子控制模块。目前第五代的 电动玻璃升降器也正在研发和试验中，预计不久的将来将会投放市场。 近年来，基本上电动玻璃升降器已经取代了手动玻璃升降器，并且其有了 更多的功能，更人性化，使用更为方便。根据数据统计，各大车厂在中高档车 型上已经百分之百实现了使用电动玻璃升降器，还有少部分的低端车会配备手 动玻璃升降器。例如美国通用公司，中等车接近百分之百，小型车的百分之八 十左右，卡车的百分之七十都装了电动玻璃升降器。 国外汽车工业比较的发达，尤其是欧美国家和日本。他们对汽车的各个部 件研究要深入的多，对各个部件都总结了一套行之有效的设计及生产方法。对 2 武汉理i ：大学硕+ 学位论文 于玻璃升降器的研究也已经非常的深入，已经达到了通过试验验证的结果，来 指导理论的研究，从而指导实际生产。目前，电动玻璃升降器已经成为车辆的 基本配置，手动玻璃升降器基本上已经被淘汰。由于竞争的f 1 益激烈，很多汽 车制造商已经将精力和财力集中到了对其运动机理的研究上，为的是能更好的 指导更可靠，性能更加优越玻璃升降器的设计。目前国外对玻璃升降器电学性 能和机械性能的研究已经得到了一定的成果，通过研究总结，形成了一整套的 科学体系，包括设计、制造、检验以及使用等。并且制定了相关的标准和技术 流程。同时，研究已经由定性研究发展到了定量研究，很多都实现了标准的参 数化。例如，玻璃和导槽| 日j 的摩擦力，电动机的功率峰值等等。 我国的汽车工业起步比较晚，在建国初期，由于经济上和技术上也没有对 外开放，同时欧美和同本等汽车工业发达的国家对我国也实行了技术封锁，只 将产品在国内进行销售，并没有输入技术。而当时国内的汽车工业也只处于起 步阶段，导致汽车技术在我国没有得到充分的研究。历史的原因导致了我国汽 车设计和开发方面的欠缺。目f ； ，国内的新兴汽车企业和国外的老牌汽车公司 在车身设计和开发方面还是存在着不可忽视的差距，加上对遇到的问题研究不 深入，目前很多厂家都是通过对国外设计好的玻璃升降器进行仿制，对其运动 过程的参数和机理都没有清楚的认识，导致对该件在装车后产生的综合效果及 车辆在行驶中产生的问题缺乏系统的分析研究。本课题的主要研究内容就是要 对车门电动玻璃升降器进行动力学仿真，对得到的运动参数探讨、总结、研究， 将这些参数提供给有限元仿真分析，来解决车辆在运营中，所遇到的车门玻璃 升降不畅，卡滞，甚至失效等问题。 1 2 2 联合仿真国内外研究现状 a d a m s 是当今业界使用最为广泛的系统运动学仿真软件。a n s y s 是目前 拥有最大用户群的有限元仿真软件，这两种软件在各自的仿真领域都具有非常 出色的表现。通过使用a n s y s 可以生成a d a m s 中使用的柔性体文件，相反 a d a m s 中计算得到的载荷时间历程又可以通过a n s y s 计算部件的应力应变， 两种软件的相辅相成，提高了设计的效率，确保了计算的准确性。而f a t i g u e 和a d a m s 的联合仿真现在也有很不错的发展，其主要的思想就是通过a d a m s 生成的载荷谱导入到f a t i g u e 中进行疲劳寿命的预测和计算。 武汉理r 大学硕十学位论文 早在六十年代，对机械系统的动力学仿真就已经丌始了。不过那时的仿真 程序通常是研究者用非结构化的语言如b a s i c ，f o r t r a n 等的早期版本编写 的，这类程序的编写量巨大。上个世纪七八十年代，随着计算机技术的发展， 软件行业得到了巨大的发展，丌始出现大量的工程分析商用计算软件，如 a d i n a 、m a r k 、s a p 5 。这时有一些研究者丌始利用通用软件进行动力学分析。 o r l a n d e a 和b e r e n y i t l j 利用机械系统动力学仿真软件的早期版本，对一个六自由 度工业机器人进行了连续路径的动力学综合。他们只是对刚体机器人进行了三 维空间运动学进行了仿真，对刚体机器人的各动力学参数没有涉及，更没有柔 性机构的相关内容。 目前a n s y s 、a d a m s 、f a t i g u e 的联合仿真已经运用在很多机械领域， 但是涉及到玻璃升降器的论文几乎没有。z y a n g 和j p s a d l e r 在文献 2 】、【3 】和 4 】中采用了有限元软件a n s y s 的瞬念动力学分析功能对某一弹性机构进行了 仿真。他们根据顺势结构假设，借用结构分析的方法进行机构分析。在仿真中， 杆件的外力被作为静载荷通过多步分别加载的方式，刚体惯性力用惯性载荷形 式的条件下，将获得的结果与传统的弹性动力学分析进行比较。但这些方案都 未从根本上解决问题，用有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f e a ) 软件进行动力 学仿真的编程工作量仍较大，效率很低。而这时单纯用a d a m s 建模与分析则 只能获得一部分动力学指标，无法得出柔性体的变形、应力、应变等动力学指 标。文献 5 将a n s y s 和a d a m s 软件结合使用，第一次开发了柔性机器人动 力学仿真系统，该系统能初步完成柔性杆的动力学分析和仿真。文献 6 】介绍了 c a t i a 公司开发了c a t i a 和a d a m s 之间的接口，用以在两款软件之问传递 模型信息。使得两款软件间实现无缝的连接。文献 7 】通过使用p r o e 、a d a m s 、 a n s y s 三者联合，创新的使用平台式的仿真系统，并详细的介绍了该系统软件 问的数据传递。通过活塞装配运动为实例，详细阐述了整个仿真流程。虽然本 文的数字模型使用的建立软件为c a t i a ，和文献中的不同，但是却可以从文献 中借鉴其主要思路。文献i s a d a m s 和a n s y s 结合使用，主要对一柔性体部 件进行了运动学的仿真，提出了通过使用有限元软件生成柔性体的方法。文献 f 9 1 提出了a n s y s 和a d a m s 的联合仿真，通过实例将起竖臂的柔性化，并对 升降机构进行了刚柔耦合的动力学仿真计算，并和实验结果对比分析，得出了 较刚性系统而言，根据实际情况将零部件进行柔性化的计算更加接近实际的数 据。本文也进行了全刚性体的计算，通过参照此文献的方法和刚柔耦合模型对 比数据，发现刚柔耦合模型的结果数据更加真实可靠。文献 11 】以曲轴为实例， 4 武汉理1 j 大学硕十学位论文 通过a d a m s 和a n s y s 联合仿真，提出了根据a d a m s 得到的载荷时间历程， 计算曲轴在工作过程中的应力应变。通过结果的对比分析，准确的找到了曲轴 在工作时容易出现断裂的位置，为曲轴的准确设计提供了数据支持。本文对玻 璃升降器中的关键部件进行了有限元分析，参考该文献，为疲劳设计提供了支 持。文献 1 3 】通过p r o e 、a n s y s 、a d a m s 的联合仿真，对曲柄滑块机构进行 了动力学分析。本文的联合仿真从这篇文献中吸取了不少的经验和设计方法。 文献f 1 4 1 介绍了a d a m s 和f a t i g u e 的联合计算，提出了通过a d a m s 生成 的载荷谱文件，导入到f a t i g u e 中进行寿命的计算和预测。文献 1 5 】介绍了 f a t i g u e 疲劳计算的基本理论以及运用f a t u g u e 进行疲劳计算的基本流程。 文献 1 6 i n 述了各种疲劳分析的理论，通过比较和选择，确定了本文所选用的 疲劳计算的模型和理论。 联合仿真近年来在国内外都得到了广泛的应用，但是涉及到一整套的计算 包括模型的建立，刚柔耦合的运动学的仿真，疲劳寿命的预测等所涉及的文献 却非常的少，本文的重点就是这一整套的仿真模拟分析方法的建立。 1 3 本文研究内容 本文以绳轮式和单臂式玻璃升降器为研究对象，使用三维建模软件c a t i a ， 动力学分析软件a d a m s ，有限元分析软件a n s y s 和f a t i g u e 构建联合仿真 平台，探索使用该平台对两款玻璃升降器的性能进行预评估。 本课题主要工作内容： ( 1 ) 使用三维建模软件c a t i a 根据玻璃升降器的尺寸参数建立玻璃升降器 的三维实体模型。 ( 2 ) 通过多体动力学软件a d a m s 获得玻璃升降器的实际运动过程中的载 荷变化。对绳轮式玻璃升降器主要采用全刚性体的运动学分析方法，对单臂式 玻璃升降器采用刚柔耦合的运动学分析方法。 ( 3 在进行对单臂式玻璃升降器刚柔耦合的运动学分析时，通过在a n s y s 中获得主动臂的模态中性文件，并导入a d a m s 中建立刚柔耦合的数值模型。 ( 4 将动力学仿真获得的载荷时间历程曲线导入到f a t i g u e 中进行玻璃升 降器主要零部件的疲劳寿命预测。 本文以多体动力学理论为基础，以电动玻璃升降器为具体研究对象，借助 先进的计算机数值仿真技术，首次尝试将三维建模、动力学仿真和有限元分析 武汉理t ：人学硕十学位论文 软件结合在一起，建立起一个完整的设计平台，对产品进行有效的预评估。为 今后实际的工程问题提供了解决途径。 6 武汉理r 人学硕十学位论文 第2 章汽车玻璃升降器的结构及特点 2 1 汽车玻璃升降器的定义和类型 汽车玻璃升降器是将汽车玻璃沿着玻璃导槽，通过驱动力实现玻璃升起或 下降的装置。还有一些特殊的玻璃调整装置，比如天窗等等。所以玻璃升降器 准确的定义应叫做玻璃调整装置。但本文涉及的是车门玻璃的上下运动，所以 称之为玻璃升降器。玻璃升降器对玻璃上下的调整是通过一定的驱动方式来实 现的。当需要玻璃进行上升的运动时，通过升降器对其进行提升并且可以停止 在任意需要的位置。当需要玻璃进行下降的运动时，通过玻璃自身的重力和升 降器提供部分的动力，克服与其它接触部件间的摩擦力，起到一定的限位和减 缓的作用。所以在整个上升和下降的过程中，玻璃升降器即起到提供动力的作 用，也在某种程度上起到阻碍的作用。在上升的过程中主要是作为动力源，推 动玻璃的上升。在下降过程中即起动力的作用也提供阻力来稳定玻璃的下降过 程。通过以上的方式来保证车窗的稳定运动。汽车玻璃升降器通常有如下分类： 按传动结构分 臂式玻璃升降 柔式玻璃升降 ，单臂式升降器 刮r 交叉臂式升降器 l 双臂式升降器l r 绳轮式升降器。平行臂式升降器 刮带式升降器 l 软轴式升降器 丝杠式玻璃升降器 r 手动式玻璃升降器 按传动结构分j 电动式玻璃升降器 液动式玻璃升降器 图2 1 玻璃升降器分类 7 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 根据机械升降机构工作原理的不同，电动玻璃升降器分为3 种形式：绳轮 式、叉臂式、软轴式。一般而论，绳轮式电动玻璃升降器可用于各种圆弧玻璃 的车型中，但由于安装空问要求较大，目前主要用于玻璃圆弧较小的中高档轿 车和高档面包车中。叉臂式电动玻璃升降器主要用于玻璃圆弧较大的载货汽车、 面包车及中低档轿车中软轴式电动玻璃升降器可用于各种玻璃圆弧的车型中， 但不足之处是在升降过程中运行噪声较大，目前主要用于玻璃圆弧适中的面包 车及中低档轿车中。从技术成熟程度、工艺成热程度、运行噪声、可靠性、通 用性和经济性来分析这几种结构，一般广为接受的结论如表2 1 所示。 通过表2 1 可见，几种玻璃升降器都有其优点和缺点。综合比较，绳轮式 玻璃升降器的各方面性能相比其它两种升降器都较优越，但其在安装空间上的 要求较高。对于安装空间不满足要求的车门可能不能加装。叉臂式玻璃升降器 运行噪声较大，通用性不如其它两种。软轴式、绳轮式与叉臂式相比整体性能 差，但可靠性高，有着良好的使用耐久性，一般使用在较低档的乘用车和大货 车中。通过对几种玻璃升降器的比较发现，每种玻璃升降器都有其特点，符合 各种档次车型的需要。 表2 1 玻璃升降器比较 比较项目 绳轮式义臂式软轴式 技术成熟度 - 工艺成熟度 _ - 运行噪声 0 可靠性_00 通片j 性0- 安装空间要求0 - 经济性 0 2 2 电动玻璃升降器 目前电动玻璃升降器已经非常的普及，在绝大多数的乘用车上，电动玻璃 武汉理i ：大学硕十学位论文 升降器已经成为了标准配置。本文涉及的两款玻璃升降器也为电动玻璃升降器， 故在此对电动玻璃升降器进行简略的介绍。 电动玻璃升降器和手动玻璃升降器相比，是以直流电机代替了手动摇把。 安装电动玻璃升降器的车辆，其玻璃的升降是通过驾驶员来操纵按键来实现的。 可同时调整，也可以分组或单独调整，操作非常的方便准确，大大提高了操纵 的可靠性和驾驶员工作的舒适性，而且有利于操作自动化( 例如有些中高档次 的乘用车，在变速杆换至驻车位置时，所有车门玻璃会自动关闭) 。 电动玻璃升降器系统主要由电机、机械升降机构和控制系统三大部分组成。 ( 1 ) 电机 电机是一种永磁直流电动机，内部装有蜗轮蜗杆减速装置，转矩由电机转 轴一端的蜗杆部分经蜗轮后减速输出。电机一般具有双向旋转、低噪声、高扭 矩、小体积等特点，并且具有很好的密封性能。电机内部还有过电流保护装置， 当电机运动受阻时切断电源，避免电机因过热而烧毁。 ( 2 ) 机械升降机构 机械升降机构根据电动玻璃升降器系统的结构形式不同而不同，相应的电 机的输出部分也有所不同。对于软轴式结构的电动玻璃升降器系统，软轴装在 轴套内且与滑动支架相连接，电机驱动软轴在装配后自然成形的轴套内移动， 从而使滑动支架上下运动达到升降玻璃的目的。电动软轴式升降器装有缓冲装 置，在实际运动中，电动玻璃升降器停止工作基本是靠电机堵转来实现的，此 时电动玻璃升降器的运动部件受到较大的冲击，缓冲装置的作用就在于尽可能 地吸收冲击能量，减少系统零部件的机械损伤。 ( 3 ) 控制系统 控制装置是整个电动玻璃升降器系统必不可少的一部分，其控制形式有简 单的手动操作，也有通过开关自动控$ o l - j 窗玻璃的升降。自9 0 年代后期，电动 玻璃升降器的控制形式和控制内容发展迅速，电子模块控制形式大量地应用， 相应地使电动玻璃升降器的功能大大增加，具体表现在以下几方面：驱动安全 控制、开关快速控制、车窗防盗监控等。 9 武汉理_ ：大学硕十学位论文 2 2 1 交叉臂式电动玻璃升降器 l 电机2 减速器3 主动臂4 从动臂5 玻璃安装板 图2 - 2 交叉臂式玻璃升降器 图2 - 2 为交叉臂式电动玻璃升降器的结构，其特点为：电动机驱动小齿轮 带动齿扇转动，通过交叉臂的杠杆带动玻璃托架上下运动，完成玻璃在导轨中 的上下移动。交叉臂式电动玻璃升降器由电机、减速器和交叉臂三个部件构成。 交叉臂部件与手动交叉臂式玻璃升降器相同，均为1 - 3 m m 厚度的钢板冲压件。 这种升降器的优点是强度高，加工方便，玻璃升降运动时平稳性好。缺点是较 其他型的玻璃升降器重量大。应用范围在各种四轮汽车上均得到广泛地应用， 但是在豪华型和高速轿车上很少使用。 2 2 2 绳轮式电动玻璃升降器 图2 3 为绳轮式电动玻璃升降器的结构，其特点为：绳轮式电动玻璃升降 器是由电动机、减速器、钢丝绳、导向板和玻璃安装托架等零部件组成，钢丝 绳部件与手动钢丝绳式玻璃升降器相同。安装时门窗玻璃固定在玻璃安装托架 上，玻璃导向槽与钢丝绳导向板平行。开启电视机，由电动机带动减速器输出 动力，拉动钢丝绳移动玻璃安装托架，迫使门窗玻璃作上升或下降的直线运动。 1 0 武汉理1 ：人学硕十学何论文 这种升降器的优点是：零件少、重量轻，结构简单，安装位置可调整。缺点是： 安装时必须调整钢丝绳导向板的位置，使其与窗上得玻璃导向槽平行。否则， 玻璃运动时，易产生玻璃与导向槽卡住现象。应用范围：主要用于轿车，其它汽 车很少使用。 2 1 电机2 减速器3 钢丝绳导向板4 钢丝安装托架5 钢丝绳 图2 3 绳轮式电动玻璃升降器 2 2 3 软轴式电动玻璃升降器 3 4 5 、一q _ r h 躞l 式j7 1 软轴2 减速器3 电机4 软轴导向套5 玻璃安装托架 图2 4 软轴式电动玻璃升降器 武汉理：i ：大学硕十学位论文 图2 4 为软轴式电动玻璃升降器的结构，其特点为：电动机驱动小齿轮旋转， 并带动软轴在轴套内滑动，从而使玻璃托架在导轨上下运动，完成玻璃升降之 目的。软轴式电动玻璃升降器由电机、减速器和软轴部件组成，软轴部件与手 动软轴式玻璃升降器相同。这种升降器的优点：是零件少，结构简单，工作平稳， 无噪音，安装位置可调整。缺点是：软轴系由多股钢丝绳外套螺旋弹簧组成，在 多股钢丝绳上夹有的绒毛，制造工艺较复杂。应用范围：各种汽车均可采用。 2 。3 汽车玻璃升降器的结构选择 玻璃升降器的选择方面，不仅要考虑成本的问题，还要根据具体车型玻璃 的弧度，及升降轨迹来确定。其中玻璃的弧度是确定选用何种玻璃升降器的重 要参考指标。对于弧度大的玻璃，玻璃在升降的过程中，玻璃上的点在车身侧 向的位移较大。而弧度小的玻璃，玻璃升降过程中，玻璃上的点在车身侧向位 移较小，这些都是影响玻璃升降器选择的因素。再者，车门厚度以及内饰表面 等等也是需要考虑的。 2 4 本章小结 汽车玻璃升降种类繁多，目前电动玻璃升降器已经基本上替代了手摇式的 玻璃升降器。电动玻璃升降器主要有三部分组成：电机、机械升降机构和控制 系统。组装在一起的电动机和减速器是其关键的机构，本文中厂家提供了电动 机的参数，故并没有对其进行深入的研究。 1 2 武汉理i ：人学硕十学位论文 第3 章绳轮式电动玻璃升降器刚性体运动学分析 本章主要研究对象为- 自；f f - j 的绳轮式玻璃升降器，对其进行运动学的仿真分 析。使用三维建模软件c a t i a 建立其数字模型，采用刚性体数值仿真方法，使 用多体动力学仿真软件，获得整个玻璃升降器在运动过程中重要零部件的载荷 时间历程，为后面的疲劳寿命预测提供数据支持。 3 1 刚性体运动学数值分析理论及方法 3 1 1 刚性体运动学数值分析方法 多个相互运动的物体通过运动副相联构成的系统被称为多体系统。一般而 言，按照构成系统物体性质的不同将多体系统分为多刚体系统和多柔体系统。 法国数学家朗格朗日建立了能运用在完整系统中的方程。具体而言，它是以广 义坐标作为自变量，通过拉格朗同函数来实现对系统各方面性能的计算与分析， 而现在多体动力学由于计算的复杂性，通常都是用计算机虚拟软件来计算。 本文采用的a d a m s 多体动力学仿真软件是目前国际上应用最为广泛的多 体动力学分析软件。a d a m s 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范 围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。使用a d a m s 进行比 较复杂的多体系统动力学仿真分析时，由于其本身建模功能所限，通常需要与 其他建模功能强大的c a d 软件进行数据交换( 例如c a t i a 、p r o e 、u g 等) ， 通过先在其他软件中建模再通过相应的专业接口或对应的文件格式导入到 a d a m s 中进行分析计算。通常在分析时会对相关参数的模型输出曲线和物理 样机中所得的曲线进行对比，以确定模型的正确性并决定是否要修改模型。本 文的目的是对玻璃升降器的性能进行预评估，所以并没有对物理样机进行试验 数据的采集，性能曲线的对比就没有再赘述。对于较为简单的多刚体系统，使 用a d a m s 进行仿真分析一般有以下几个步骤：建立多刚体系统的三维c a d 模 型一对模型进行运动仿真并输出曲线一输入物理样机的实验数据，验证模型的 正确性一设计参数点，定义设计变量一进行试验设计或优化设计，输出最终结 果。 1 3 武汉理l ：大学硕十学位论文 3 1 2 刚性体运动学数值分析方程的建立 a d a m s 中用刚体的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐 标，即q = b ，y ，z ，妒，0 ，缈】r ，争啊= x ，y ，z 】r ，r = 妒，0 ，妒】丁，q = 【r t , 7 丁】7 。构 件质心参考坐标系与地面坐标系间的坐标变换矩阵为： a g i c o s 妒s i n 币一s i n 妒c 0 sp c o s 巾 一s i n 砂s i n 圣+ c o s l f ，c o spc o s 9 s i n 臼c o s 咖 定义一个欧拉转轴坐标系，该坐标系的三个单位矢量分别为上面三个欧拉 转动的轴，因而三个轴并不相互垂直。该坐标系到构件质心坐标系的坐标变换 矩阵为： 构件的角速度可以表达为： = 0c o sp1 0 一s i n 0 i ( 3 2 ) 10j a d a m s 中引入变量p 为角速度在欧拉转轴坐标系分量： 2 r 这样a d a m s 中每个构件具有如下1 5 个变量和1 5 个方程。变量： 1 4 ( 3 。3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 汛对9 啪如舢， 灿叫；d伽c 咖币孔n豇豇口p s s d d 如如冲黧一+ n咖痧。乳 唧| 兰 够啦 船mk = 2 一 = 咖 m 日 s c s 口p m n n c s s _-l_。-_。-_l r ，4 r 订扩训卯一 哆” 归 岣氅篇 叫叫ll-= 产 武汉理一i ：人学硕十学位论文 协 集成约束方程a d a m s 可自动建立系统的动力学方程微分代数方程 ( 3 - 6 ) 厂p 一面o t + 嚼a + 7 f = o ip = 薏 ( 3 - 7 ) l u = q 。 l咖( q ，c ) = 0 lf = f ( u ，q ，幻 其中，p 为系统的广义动量；h 为外力的坐标转换矩阵。 3 2 绳轮式玻璃升降器设计与三维建模 本文在进行电动玻璃升降器的计算机辅助设计时，选择了造型软件c a t i a 作为工具。c a t i a 是汽车工业没计中运用较普遍的建模软件，许多欧洲，北美 和日本的顶尖汽车企业都将其作为了核心的软件。c a t i a 在造型风格、车身及 引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端的解 决方案。 3 2 1 绳轮式玻璃升降器设计与三维建模 建立模型的过程中通过查阅资料，总结了几点车门玻璃升降系统的设计要 点：车门玻璃升降系统必须要保证车门玻璃升降平稳，并且当停止转动手摇柄 或操作按钮时，玻璃能随意停位，不因汽车的颠簸而上下跳动；锁止车门后， 能防止人用外力非法将玻璃降下而进入车内；玻璃与玻璃槽之间要具备良好的 密封性。为了实现以上功能，设计中系统各零部件之间的尺寸匹配是非常重要 的。 武汉理t 大学硕士学位论文 在设计过程中需要充分考虑以下条件：1 ) 车门弧度、玻璃导槽弧度、玻璃 弧度、玻璃升降器的运动弧度要求一定的统一。任一弧度不同都会增加玻璃的 上升阻力，导致玻璃升降不顺畅，甚至影响整个玻璃的运动轨迹；2 ) 玻璃泥槽 摩擦系数，导槽结构与玻璃贴合处间隙是否合理。玻璃与泥槽根部间隙一般保 持在2 m m 左右：3 ) p q ； b 切水条植绒质量。质量差的水条植绒面会增大玻璃与植 绒面的摩擦系数，从而加大玻璃升降过程中的阻力；4 ) 考虑车门内外护板对玻 璃作用力问题。车门内外护板对玻璃的作用力不能太大，不然会影响活动顺畅 性，导致阻滞；5 ) 设计过程中注意了进行干涉检查。利用c a t i a 三维软件对玻 璃升降机构及其相关装配零件进行安装检查，并使用模拟运动分析模块进行动 态分析，从而发现问题并进行修改。 通过厂家提供的参数，通过c a t i a 软件建立绳轮式玻璃升降器三维模型如 图3 1 所示。 1 上支架2 下支架3 钢丝绳总成4 滑块总成5 电机6 坐板总成 图3 1 绳轮式玻璃升降器三维模型 绳轮式玻璃升降器的实际模型比较复杂，包括了电机，导绳等部件，在实 际的仿真过程中，厂家提供了其具体运动过程中的动力，升降的时间等，因此 武汉理一f ：人学硕十学位论文 电机的影响不予考虑，为了计算简便对其进行了简化，这些简化不但没有影响 仿真过程，反而增加了仿真的准确度和节省了计算时i 、日j 。 简化的部件包括，支架上的电机，和绳索，绳索的简化是由于a d a m s 没 有提供绳索的建模功能，只能依靠将其分段成无限多的刚性小节，导致绳索模 型的建立非常的复杂，整个模型的运算量过大，计算无法进行，由于本文的重 点并不在绳索的部分，顾对其进行了简化，并且实际证明，通过使用简化后的 模型，很好的保证了计算的顺利完成。 3 3a d a m s 三维数模导入 3 3 1 a d a m s 与c a t i a 数据交换 将前面通过c a t i a 建立的三维数模导入到a d a m s 中进行多体动力学的 仿真，由于c a i t a 没有提供a d a m s 支持的数据格式，故尝试了多种a d a m s 和c a t i a 的接口文件，包括常用的s t p 格式和i g s 格式，但是都不太理想，数 据间的导入和导出很容易出现问题，影响模型的准确和计算的进行。而a d a m s 能比较好准确连接的p a r a s o l i d 格式，c a t i a 却无法生成。为了解决这个第一步 的问题，保证下面计算的顺利进行，通过查阅多种资料和论文的阅读，最终确 定了使用s i m d e s i g n e r 作为两款软件的中间数据转换方法。此软件是面向工程师 开发的仿真平台，它将诸多仿真功能( 包括：线性、非线性、热、多体动力学、 疲劳与耐久性等) 结合在一起，集成在三维机械设计软件c a t i a 中，为设计工 程师提供一个完整、快速、高效的仿真环境，使设计人员可以边设计边仿真， 将仿真融入设计的整个流程。 首先，对c a t i a 软件安装了其专门为a d a m s 接口设计的s i m d e s i g n e r 模 块，在进入s i m d e s i g n e rm o t i o n 前需要在c a t i a 的a s s e m b l yd e s i g n e r 中对模型 进行装配，装配之后进入到s i m d e s i g n e rm o t i o n 模块中。 进入模块之后，在模块中可以定义约束副，包括齿轮副，旋转副，固定副 等多种常用的约束。s i m d e s i g n e r 在运行的时候并不能像a d a m s 中那样可以同 时看到运动状态，只能在运算结束之后，通过r e p l a y 查看。由于本文中的模型 将在a d a m s 中进行运动仿真，故在这里不在赘述在s i m d e s i g n e r 中的模拟运动， 本文将采用更简洁，更精确的方法。 1 7 武汉理1 ：人学硕十学位论文 根据绳轮式玻璃升降器的工作特点，在模型上施加的约束有固定副，滑移 副，接触等。约束完毕后，选择输出文件，输出的文件在c a t i a 的工作目录下， 为e m d 文件和一些s h l 文件。 3 4 绳轮式玻璃升降器刚性体运动学数值仿真模型的建立 3 4 1 绳轮式电动玻璃升降器刚性体运动学仿真模型的建立 将之前生成的c m d 文件导入到a d a m s 中，并进行进一步的约束，载荷以 及动力的施加。 绳轮式玻璃升降器的运动过程大概为t 电机带动绕线轮转动，收缩绳索， 拉动滑块在导轨上上下运动。 。 根据其运动过程施加的约束驱动力和阻力为：支座和地面之间施加固定副， 支座和导轨间施加固定副，滑块在导轨上施加滑移副，并且设置接触。电机支 座施加固定副。 在a d a m s 中接触的施加是十分重要的，本文最初在模型建立时候没有考 虑其摩擦和零件的变形因素，采用了一种近似的、理想的模型，导致在精度上 较大的偏差，尤其进行刚柔耦合模型计算时，误差会更大。因此本文采用一种 接触力模型，这种接触力模型可专门用于模拟实体问的接触与碰撞，提高计算 精度。 在a d a m s 中接触分为两类：二维接触和三维接触，其中二维接触用于模 拟平面几何体单元之间的相互作用。三维接触用于模拟实体之间的相互作用。 本章中绳轮式玻璃升降器采用的是三维接触。该接触力模型采用两种截然不同 的算法，一种是基于恢复的接触，一种是基于i m p a c t 的函数接触，本文所定 义的接触力都是基于i m p a c t 函数的接触模型，在该模型中需要定义材料的刚 度，阻尼，传入深度，力指数等等。 在滑块两端施加载荷，载荷是随着滑块的上下移动而变化的，其过程主要 分为两个部分，即玻璃的下降和上升。在下降的过程中，玻璃出槽，时间为0 1 2 s ， 此时力由0 逐渐变为4 5 n 。出槽过后，瞬间阻力减4 , n1 0 n 并且一直持续到其 快要到达最下端，时间为2 8 s 。到达最底端后由于电机的堵转，阻力迅速的增 大到19 0 n 。堵转过后，阻力反向，并且大小变为4 0 n ，一直保持到玻璃快要运 动到最上端，时间为3 2 s 。在快要进入到最上端的玻璃槽时阻力增加到9 0 n ， 1 8 武汉理i ：大学硕+ 学何论文 进入之后又增加到1 9 0 n ，并保持到玻璃完全进入到玻璃槽内。其总的过程，通 过段s t e p 函数来实现。函数表达的图形如图3 2 所示。 s t e p ( t i m e ，0 ，0 ，0 1 2 ，4 5 ) + s t e p ( t i m e ，0 1 2 ，0 ，0 1 3 ，- 3 5 ) + s t e p ( t i m e ，0 1 3 ，0 ，2 9 ，0 ) + s t e p ( t i m e ，2 9 ，0 ，3 ，1