CN101054881B - 汽车车门电动齿扇式交叉臂结构玻璃升降器快速设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车车门电动齿扇式交叉臂结构玻璃升降器快速设计方法，作为基于UG平台而自主开发的车身部件参数化设计的专用工具，本发明系统通过交互性强的Wizard UI设计向导用户界面，从实际工业应用上已经完全实现了车身部件设计的自动化和智能化，可以帮助设计人员进行车门附件的参数化设计、布置、干涉检验、受力分析、性能计算等一系列以往需要有经验的设计人员花费大量时间和精力才能解决的设计问题，从而提高汽车车身设计质量，加快设计速度，并大大减少了开发费用。

Description

汽车车门电动齿扇式交叉臂结构玻璃升降器快速设计方法 

技术领域

本发明涉及汽车设计领域，尤其涉及一种汽车车门电动齿扇式交叉臂结构玻璃升降器快速设计方法。 

背景技术

汽车车身的产品开发设计与制造是极其复杂的系统工程，随着汽车工业的不断发展，需要采用新技术以优化汽车车身开发过程，提高车身开发能力，加快设计进程以缩短整车开发周期，满足不断变化的市场需求。在以往的车身布置、确定车身结构方案、设计参数及工程设计的过程中，具有丰富专业知识和经验的设计人员起着举足轻重的作用。这就需要以计算机技术为基础，利用参数化建模设计方法和理论，开发智能化的基于专家知识和经验的、集成优化的设计思路和方法的CAD专用设计系统，实现可以支持设计人员顺利完成由知识驱动的专业自动化设计，达到提高设计效率和设计质量的目的。 

如果能够开发出结合知识工程理论将汽车车门及附件设计的相关的专业知识、专家经验、设计方法、相关设计标准，利用C语言及UG的多种二次开发技术，按照软件工程的开发规范和流程而编制完成的智能化车门玻璃升降器设计系统，将会缩短开发周期。它可以实现玻璃升降器和车门主体结构的并行设计和参数化关联，帮助车门设计人员快速高效率地完成车门玻璃升降器的参数化设计、布置、干涉检验、受力分析等一系列以往需要有经验的设计人员花费大量时间和精力才能解决的设计问题，并能够方便地进行快速更新和再验证。 

原来按照传统的3D建模方式需要几周才能完成的玻璃升降器系统的设计与校核工作，通过使用参数化、智能化设计模块，可以将设计周期缩短到30分钟。近两年UG公司的KDA部门按照汽车用户的要求，为GM等汽车公司开发了一些用于汽车布置设计的专用设计模块，如总体布置中的眼椭圆、人体模板、H点布置、手伸及界面等模块及车身设计中B柱、门口线、铰链布置等模块。 

发明内容

本发明所述的汽车车门玻璃升降器快速设计系统是集成在UG软件平台上的二次开发的专业化设计工具，用于汽车车身设计开发过程中车门玻璃升降器在车门系统中的CAD设计，方便用户快速准确的完成车门玻璃升降器及车门系统的布置、设计、校核等开发工作的智能化系统。 

本发明所述的汽车车门玻璃升降器快速设计系统，包括四个玻璃升降器设计子模块：绳轮式单滑道玻璃升降器、绳轮式双滑道玻璃升降器、齿扇式单臂玻璃升降器、齿扇式交叉臂玻璃升降器； 

进行设计时，系统输入包括：车窗玻璃上边界、前边界、后边界，玻璃曲面、车窗下窗口线、车门内板工作平面、玻璃上、下止点位置及玻璃行程、电机性能参数； 

完成设计时，系统输出包括： 

1)修裁后的车窗玻璃曲面和边界； 

2)各种安装支架的3D模型，包括导轨支架、升降器安装支架、玻璃托架、电机或手柄安装支架，并确定所述支架的安装位置； 

3)电机或手柄的形式及安装位置； 

4)玻璃安装点的位置； 

5)对于绳轮式升降器，建立导轨、托块、滑轮、钢丝绳、电机毂及罩的3D模型，并确定设计位置及其相互关系； 

6)对于齿扇式玻璃升降器，建立主动臂、从动臂、齿扇、滑动滑槽、固定滑槽的3D模型，并确定设计位置及其相互关系；

7)玻璃升降运动模拟及干涉分析，机构运动分析及间隙校核； 

8)玻璃升降器设计性能，包括玻璃重量、玻璃重心、导轨行程、从上止点到下止点的运行时间及速度、驱动力及扭矩、电机或手柄转动圈数； 

设计步骤包括： 

步骤1.确定结构形式为绳轮式或齿扇式，确定驱动方式为电动式或手动式； 

步骤2.根据用户输入的参数求得中间过程的点、线、基准面的参考物体，构造出回转体的玻璃曲面，计算玻璃导轨曲率，得到修裁后的玻璃曲面和边界； 

步骤3.结构设计： 

a)对于绳轮式升降器，建立导轨、托架、滑轮、钢丝绳、安装支架、电机毂及罩的3D模型，并确定设计位置及其相互关系； 

b)对于齿扇式升降器，建立主动臂、从动臂、齿扇、滑动滑槽固定滑槽、安装支架的3D模型，并确定设计位置及其相互关系； 

步骤4.电机或手柄设计确定。对于电动结构，进行电机的选取及安装位置确定； 

步骤5.计算玻璃升降器性能参数； 

步骤6.运动模拟，进行玻璃升降运动干涉分析及间隙校核； 

所述设计步骤中，步骤5后还包括进行相关设计间隙分析、受力分析、运动分析。 

所述导轨曲线的类型可以是螺旋线或者圆弧线。 

所述固定支架包括车窗玻璃与升降器安装支架、导轨安装支架、电机或手柄安装支架，升降器安装支架。 

所述绳轮式单滑道玻璃升降器或绳轮式双滑道玻璃升降器设计部件包括玻璃、电机或手柄、滑道、托块、滑轮、钢丝绳、玻璃安装 点、滑道安装支架、电机毂及罩、电机安装板，确定各部件的设计位置、形状、尺寸及其相互关系。 

所述齿扇式单臂玻璃升降器设计部件包括玻璃、电机或手柄、滑道、主动臂、齿扇、滑动滑槽、玻璃安装点和升降器安装座板，确定各部件的设计位置、形状、尺寸及其相互关系。 

所述齿扇式交叉臂玻璃升降器设计部件包括玻璃、电机或手柄、滑道、主动臂、从动臂、齿扇、滑动滑槽、固定滑槽、玻璃安装点、升降器安装座板，确定各部件的设计位置、形状、尺寸及其相互关系。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一套集成在UG软件平台上的二次开发的专业化设计系统，用于汽车车身设计开发过程中车门玻璃升降器在车门系统中的CAD设计，可以帮助用户快速完成汽车玻璃升降器的布置、参数化设计、主要性能参数计算及运动分析校核，结合了知识工程的理论和方法以及车门系统开发中的设计经验、设计流程和专业知识，使得本发明具有很高的实际应用价值。 

附图说明

图1是设计参数输入示意图； 

图2是绳轮式单滑道玻璃升降器主要部件示意图； 

图3是绳轮式双滑道玻璃升降器主要部件示意图； 

图4是齿扇式单臂玻璃升降器主要部件示意图； 

图5是齿扇式交叉臂玻璃升降器主要部件示意图； 

图6是完成的绳轮式单滑道玻璃升降器总成3D模型； 

图7是完成的绳轮式双滑道玻璃升降器总成3D模型； 

图8是完成的齿扇式单臂玻璃升降器总成3D模型； 

图9是完成的齿扇式交叉臂玻璃升降器总成3D模型； 

图10是应用本发明系统进行设计的主要流程图；

图11是齿扇式交叉臂玻璃升降器的建模流程图； 

图12(A)～图12(T)及图13是以齿扇式交叉臂结构玻璃升降器为例的设计过程示意图。 

具体实施方式

现结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。 

本发明所述的汽车车门玻璃升降器快速设计系统，设计过程中，首先确定升降器的结构形式为绳轮式或齿扇式，确定其驱动方式为电动式或手动式，然后根据实际需要选择玻璃升降器设计子模块：即绳轮式单滑道玻璃升降器、绳轮式双滑道玻璃升降器、齿扇式单臂玻璃升降器、齿扇式交叉臂玻璃升降器； 

设计开始时，系统提示用户进行相应参数的输入(参考图1)，包括车窗玻璃上边界1、玻璃前边界2、玻璃后边界3、玻璃曲面4、车窗下窗口线5、车门内板工作平面6，以及玻璃上、下止点位置及玻璃行程、电机性能参数； 

图2是绳轮式单滑道玻璃升降器主要部件示意图。参考图2，绳轮式单滑道玻璃升降器主要设计部件包括电机或手柄20、玻璃前滑道21、电机毂及罩22、钢丝绳23、导轨24、玻璃重心25、玻璃26、玻璃下窗口27、玻璃后滑道28、玻璃托架29。 

图3是绳轮式双滑道玻璃升降器主要部件示意图。参考图3，绳轮式双滑道玻璃升降器主要设计部件电机或手柄31、玻璃前滑道32、电机毂及罩33、钢丝绳34、导轨35、玻璃重心36、玻璃37、玻璃下窗口38、玻璃后滑道39、玻璃托架30。 

图4是齿扇式单臂玻璃升降器主要部件示意图。参考图4，齿扇式单臂玻璃升降器主要设计部件包括电机或手柄40、齿扇41、滑动滑槽42、主动臂43。 

图5是齿扇式交叉臂玻璃升降器主要部件示意图。参考图5，齿扇式交叉臂玻璃升降器主要设计部件包括滑动滑槽50，主动臂51，玻璃前滑道52、电机或手柄53、齿扇54、玻璃重心55、玻璃56、玻璃下窗口57、从动臂58、玻璃后滑道59、固定滑槽500。 

下面以绳轮式双滑道玻璃升降器结构为例，说明本发明系统的主要输出： 

1)修裁后的玻璃，建立导轨3D Model并确定尺寸、曲率及其在车门内板的安装位置； 

2)建立固定支架的3D Model并确定它们的尺寸及安装位置，包括玻璃与升降器安装支架、导轨支架安装支架、电机安装支架等； 

3)建立电机、电机毂及罩、滑轮、托块的3D Model并确定其尺寸及安装位置； 

4)确定钢丝绳，玻璃安装点的位置； 

5)玻璃升降运动模拟及干涉分析，完成机构运动分析及间隙校核； 

6)计算并得出玻璃升降器设计性能，如玻璃重量、玻璃重心、导轨行程、从上止点到下止点的运行时间及速度、驱动力及扭矩、电机或手柄转动圈数等。 

图6、图7、图8和图9分别是用本发明系统设计完成的绳轮式单滑道、绳轮式双滑道、齿扇式单臂和齿扇式交叉臂四种结构的玻璃升降器总成的3D模型； 

下面以绳轮式双滑道玻璃升降器为例，说明应用本发明系统进行设计的主要流程图。参考图10，首先用户按照系统提示进行设计参数的输入101，然后根据输入的参数求得若干个中间过程的点、线、基准面等，得到中间物体102，再构造出回转体的玻璃曲面103；求出玻璃导轨曲率104，根据设计要求的不同，导轨曲线的类型可以是螺旋线或者圆弧线；再根据导轨曲线确定升降器系统中其它零件的安 装点105，包括导轨支架安装点106、电机安装点107、玻璃安装点108、滑轮安装点109等；再得出前后导轨110；完成零部件的几何设计和模型建立，进行详细设计111；然后进行相关部件分析112、受力分析113和运动分析114，这几项都为可选项，用户也可根据实际需要跳过这些过程直接生成玻璃升降器几何特征115。 

图11是齿扇式交叉臂玻璃升降器的建模流程图。参考图11，齿扇式交叉臂玻璃升降器的建模遵循的是从点到线再到特征的原则，根据输入参数确定一些关键位置(如安装点)，根据安装点和上、下止点线201确定工作坐标系202，在工作坐标系内利用相对坐标，由输入参数203确定移动滑槽、固定滑槽、主动臂、从动臂等的控制点204，根据控制点确定引导线205和截面线206，最后用截面线沿引导线扫略，生成扫略特征207，许多扫略特征构成了交叉臂式玻璃升降器结构。 

下面以设计齿扇式交叉臂结构玻璃升降器为实际设计应用为例，介绍本发明设计系统的设计过程： 

步骤1.参考图12(A)，进入系统的简要介绍界面，按“Next”进入玻璃升降器设计软件进行设计； 

步骤2.参考图12(B)，结构形式选择界面——选择单臂式或交叉臂式结构；选择电动或手动驱动方式，一旦结构类型确定后就不能再更改，即用户点击“Next”之后，结构类型选择功能会变灰色，不允许更改； 

步骤3.参考图12(C)，确认输入条件——标明执行本系统所必需的设计输入：车门内板工作平面，玻璃的三个边界(前边界、上边界和后边界)和车窗下开口线，然后在此界面选择车门内板工作平面(只支持基准面类型)； 

步骤4.参考图12(D)，输入玻璃边界线——点击界面上的四个 按钮，并分别选取已有的玻璃的前、上、后边界和车窗下开口线，系统将通过所选择的玻璃后边界计算玻璃与竖直方向的夹角用于计算其他相关尺寸；输入A值(车窗下开口线与玻璃下边界的距离)，系统根据车窗下开口线及A值自动生成玻璃的下边界线(过开口线最高点的水平直线向下平移A值)； 

步骤5.参考图12(E)，输入a值得到玻璃行程——输入玻璃下降到最低点时玻璃上顶点到车窗下开口线的距离a，系统根据玻璃在最高点时上顶点到下开口线的距离和a值来计算玻璃的行程H，b是前一个界面计算得到的玻璃与竖直方向的夹角，H为玻璃的总行程；其中a的建议在(-3～200)之间，如果输入值超出此范围，会弹出错误提示对话框，可按照提示重新输入； 

步骤6.参考图12(F)，确定玻璃重量和重心位置——选取已知的玻璃造型曲面，并输入玻璃的厚度(2.0～4.5mm)，系统利用选择的曲面自动生成新的玻璃曲面(旋转面)，再利用已经得到的玻璃的四条边界裁剪旋转面，得到拟和生成的新的有边界的玻璃面；系统根据输入的玻璃厚度和裁减后的玻璃面自动计算玻璃的重力并显示重心位置和坐标； 

步骤7.参考图12(G)，确定玻璃升降器的安装点(主轴)位置——选择主动臂的安装点(Pt-M)，系统自动生成上、下行止线(滑动滑槽在两个极限位置的中心线)：上行止线和玻璃的下边界重合，下行止线是由玻璃的上行止线沿着车门内板平面向下偏移，再根据Pt-M点和行止线的位置自动计算玻璃的上下行程，用户可以通过界面输入Pt-M的X和Z坐标来进一步原整点的坐标值，也可以直接手工选择已存在的点，但是点Pt-M的选择范围是有限定的，X坐标应该在距玻璃前边界的1/3(玻璃前后宽度的1/3)处和5/6处(玻璃前后宽度的5/6)之间，Z坐标应在上下行止线的中间1/3段，B值表示 的是玻璃的下行程，改变B值，系统将根据上、下行止线的位置重新计算并生成主动臂的安装点；B的输入范围要满足Pt-M的Z坐标限制，即保证Pt-M的Z坐标在限制范围内，如果B的输入值使得Pt-M的Z坐标超出限制，将弹出错误提示对话框，提示用户Pt-M点的坐标值超出建议范围，可重新输入； 

步骤8.参考图12(H)，确定臂的尺寸——输入主动臂的上摆角c1，系统会根据上下行程自动计算主动臂的长度L以及下摆角的度数c2，其中上摆角的角度推荐值在45～50之间，当前程序默认两个从动臂的长度d为主动臂长度L的1/2；如果c1超出建议范围，将会弹出错误提示对话框，可按照提示重新输入；如果上行程相对下行程过小，或者上摆角过大导致主动臂长小于下行程从而无法计算下摆角c2(如上行程50，下行程350，摆角45，此时可得主动臂长50*21/2，即主动臂长小于下行程)，则弹出提示框，用户可根据提示修改c1或B，如果不修改，不允许用户进入下一个步骤，只有在主动臂长和c2值经计算得到可行的数值之后，才允许用户进入下一步骤； 

步骤9.参考图12(I)，确定固定滑槽尺寸——系统根据行程和摆角计算固定滑槽的长度和位置，用户输入固定滑槽的截面尺寸e、f、g及材料厚度值Thickness of fixed channel。e、f、g的定义见图12(I)中圈起的部分；这里要求所有输入值均为是正值，否则报错，提示重新输入； 

步骤10.参考图12(J)，确定滑动滑槽尺寸——系统根据行程和摆角可计算滑动滑槽的长度和位置，用户由界面输入滑动滑槽的截面尺寸h、i、j及材料厚度值Thickness ofroller channel，其中h、i、j的定义见图参考图12(J)中圈起的部分； 

步骤11.参考图12(K)，确定臂的间距——用户输入I值和k值来确定臂之间的间距，其中I值是玻璃面到滑动滑槽的距离，k值 是从动臂在贴近车门内板一侧的落差值；所有输入要求是正值，否则报错并提示重现输入； 

步骤12.参考图12(L)，确定系统总阻力——输入系统总的阻力值，其值不包括玻璃的重力；用户也可以点击界面上的点选框，通过输入分力得到总阻力，点击点选框后，界面变成如图12(M)所示，然后分别输入Fa、Fb、Fc、Fd值，P值会自动根据输入进行计算得出，P＝Fa+Fb+Fc+Fd；要求所有输入是正值，如果输入零或负值，报错并提示重新输入； 

步骤13.参考图12(N)，选取电机并确定位置——用户在电机类型库中选取电机类型，现在包括四种电机类型，为西门子电机左、右两种；杰迪高电机左、右两种，系统根据选定的电机类型给出已知的电机参数(界面的最后两行的参数r，n，Ts，T)，输入F值和aa值，F值为电机的工作平面到车门内板的距离，aa为电机中心线与竖直方向的夹角，其中F为正值，电机安装平面在车门内板内侧(远离玻璃)，F为负值，电机安装平面在车门内板与玻璃面之间，对aa的值没有限定； 

步骤14.参考图12(O)，确定齿扇尺寸——系统根据经验公式计算得出齿扇半径R和齿扇的角度p，用户输入Percent值(代表电机的安装点在以主动臂的安装点为圆心，齿扇半径与电机小齿轮半径的和为半径的圆周上的位置比例参数，数值限定在0～1之间)，系统会自动计算出在主动臂靠近齿扇端的摆角为零(q＝0)的情况下的Percent值作为默认值；输入齿扇材料厚度值Th4，对Th4的输入要求是正值，否则报错提示重新输入； 

步骤15.参考图12(P)，确定玻璃安装点的位置——系统可自动生成默认的玻璃的安装点的位置，此处的玻璃安装点一般是指把玻璃定位在长滑槽上的两个安装孔的中心位置，是软件根据长滑槽的位 置自动计算得到的，即由长滑槽内的滑块在玻璃升降过程中在长滑槽内的两个极限位置点Pt-s和Pt-t分别向外平移10个单位长度得到，两个安装点在玻璃面上并于长滑槽的中心线保持相平；同时用户也可以点击界面上的点选框，通过分别输入两个安装点的X和Z坐标自定义玻璃安装点的位置，在此，按下“Next”按钮后可生成用户所需的齿扇式交叉玻璃升降器的3D设计模型，如图12(Q)所示； 

步骤17.参考图12(R)，调入进行干涉分析所需的相关部件——用户在此步骤点击“>>Add>>”，可以调进其他的车身和车门零部件，用于下一个步骤的运动干涉分析，也可以点击“<<Remove<<”删除被调进来的相应的零部件； 

步骤18.参考图12(S)，运动分析和干涉校核——用户可对玻璃升降器与其它的部件进行运动分析和间隙校核，拉动拖动条，玻璃升降器系统将模拟真实运动，并显示在相应比例的运动位置的状态；或者点击“Generate Motion”，观看玻璃升降器系统的整体运动状况；Minimum表示所显示的玻璃的运动的起始位置(以玻璃在最高点为0起点)；Maximum表示所显示的玻璃运动的终结位置(以玻璃在最低点的位置为最终的100％点)；Number of Steps表示在整个行程内设定的运动步骤的步数；当任选以上两种方式中的一种显示玻璃的状态同时，点击“Check for Interference”，系统会显示一个描述在升降器系统和上一个步骤所调进来的其他零部件之间的干涉状况的文本文件，或点击“Clearance Browser”利用UG的间隙分析功能来进行分析； 

步骤19.参考图12(T)，结束界面——此时设计已经完成，按“Finish”按钮结束此次升降器设计工作。 

由于按此模块完成设计的玻璃升降器是UG的Feature特征，因此用户可对其进行编辑、复制、删除、改名、消隐、释放和信息等操作，参见图13。可编辑功能实现了在生成设计模型结果后仍然可以 调出记录着设计过程的设计过程界面，此时的设计向导界面已包含所有已输入的参数及完成的设计步骤，并能对已有模型的所有参数实现更新和再设计。 

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，本发明不限于上述实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都属于本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种汽车车门电动齿扇式交叉臂结构玻璃升降器快速设计方法，其特征在于：包括以下设计步骤：

步骤1：输入车门内板工作平面、玻璃的前边界、上边界、后边界和车窗下开口线，通过玻璃后边界计算玻璃与竖直方向的夹角；输入车窗下开口线与玻璃下边界的距离，根据车窗下开口线及所述距离生成玻璃的下边界线；

步骤2：输入玻璃下降到最低点时玻璃上顶点到车窗下开口线的距离，根据玻璃在最高点时上顶点到车窗下开口线的距离和玻璃下降到最低点时玻璃上顶点到车窗下开口线的距离计算玻璃的总行程；

步骤3：选取已知的玻璃造型曲面，并输入玻璃的厚度，生成新的玻璃旋转曲面，再利用已经得到的玻璃的上下前后边界裁剪所述玻璃旋转曲面，得到拟和生成的新的有边界的玻璃面；根据输入的玻璃厚度和裁减后的玻璃面计算确定玻璃的重力并显示重心位置和坐标；

步骤4：选择主动臂的安装点，生成上、下行止线即滑动滑槽在两个极限位置的中心线，上行止线和玻璃的下边界重合，下行止线是由玻璃的上行止线沿着车门内板平面向下偏移，再根据主动臂的安装点和上、下行止线的位置计算玻璃的上、下行程；

步骤5：输入主动臂的上摆角，根据上、下行程计算主动臂的长度以及下摆角的度数，两个从动臂的长度为主动臂长度的1/2；输入固定滑槽的截面尺寸及材料厚度值，根据上、下行程和上、下摆角计算固定滑槽的长度和位置，确定固定滑槽尺寸；输入滑动滑槽的截面尺寸及材料厚度值，根据上、下行程和上、下摆角计算滑动滑槽的长度和位置，确定滑动滑槽尺寸；输入玻璃面到滑动滑槽的距离和从动臂在贴近车门内板一侧的落差值，确定臂之间的间距；

步骤6：输入总的阻力值，其值不包括玻璃的重力；在电机类型库中选取电机类型，根据选定的电机类型给出已知的电机参数，输入电机的工作平面到车门内板的距离和电机中心线与竖直方向的夹角；

步骤7：根据经验公式计算得出齿扇半径和齿扇的角度，输入比值，所述比值代表电机的安装点在以主动臂的安装点为圆心，齿扇半径与电机小齿轮半径的和为半径的圆周上的位置比例参数，数值限定在0～1之间；输入齿扇材料厚度值，确定齿扇尺寸；

步骤8：由滑动滑槽内的滑块在玻璃升降过程中在滑动滑槽内的两个极限位置点分别向外平移10个单位长度得到两个玻璃安装点，所述两个玻璃安装点在玻璃面上并与滑动滑槽的中心线保持相平；生成电动齿扇式交叉臂玻璃升降器的3D设计模型；

步骤9：对玻璃升降器与其它的部件进行运动分析、间隙校核和干涉分析。

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