CN105243189A - 一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法，包括以下步骤：1)根据初步设计的密封条二维截面进行压缩负荷的有限元分析，获取密封条内外唇边的CLD曲线；2)将车窗密封系统等效为离散的非线性刚度弹簧单元，建立密封条等效动力学模型；3)建立车窗钣金以及车窗升降器的三维模型，并结合密封条等效动力学模型，建立完整车窗升降动力学模型；4)通过对完整车窗升降动力学模型的动力学分析，获取车窗升降过程密封条对于车窗玻璃的支撑力变化曲线，以及车窗玻璃在密封条约束下的平衡系数，最终结合密封条内外唇边的CLD曲线输出密封条设计的快速评估结果。与现有技术相比，本发明具有快速全面评估、简单有效、降低成本等优点。

Description

一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法

技术领域

本发明涉及轿车车窗密封系统数字化设计与制造技术领域，尤其是涉及一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法。

背景技术

车窗密封系统包含金属类的升降机构和车窗钣金，以及非金属类的车窗玻璃和密封胶条。它通过车窗频繁升降以实现视野调节和通风换热，是重要的动态密封系统。车速的快速提高以及车型升级对车窗升降顺畅平稳性及高速静音性等汽车品质的直观感知有更高设计要求，对于车窗密封系统的设计也提出了更高的要求。

车窗密封条对于车窗玻璃的支撑力，是密封条设计的重要指标之一。如果压缩负荷过小，则密封条不能起到很好的密封作用，致使灰尘、车外噪声进入车内，影响汽车乘坐舒适性；如果压缩负荷过大，则会引起车窗玻璃升降的阻滞，同时加剧密封条的磨损，降低密封条寿命。因此，如何获取升降过程中车窗密封条对车窗玻璃的支撑力，是实现车窗密封条设计快速评估的重要因素。

由于车窗密封条的非规则几何特征及其非线性的粘弹性材料特征，目前在密封条设计前期，仅仅对密封条二维截面进行有限元分析获取唇边的压缩负荷变形(CLD，CompressionLoadDeflection)曲线，并以此作为密封条设计评估指标，进而生产出密封条样品进行装车试验，最终确定密封条截面设计。该传统方法由于只对二维截面进行了设计验证，往往需要经过多次截面分析—装车试验的循环才能最终确定密封条设计，存在周期过长，成本高等不足。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法，具有快速全面评估、简单有效、降低成本等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法包括以下步骤：

1)根据初步设计的密封条二维截面进行压缩负荷的有限元分析，根据有线元分析的仿真结果进行数据拟合，获取密封条内外唇边的CLD曲线；

2)基于功能等效原理和密封条内外唇边的CLD曲线，将车窗密封系统等效为离散的非线性刚度弹簧单元，建立密封条等效动力学模型；

3)建立车窗钣金以及车窗升降器的三维模型，并结合密封条等效动力学模型，建立包含车窗密封系统的完整车窗升降动力学模型；

4)通过对完整车窗升降动力学模型的动力学分析，获取车窗升降过程密封条对于车窗玻璃的支撑力变化曲线，以及车窗玻璃在密封条约束下的平衡系数，最终结合密封条内外唇边的CLD曲线输出密封条设计的快速评估结果。

所述有限元分析采用Marc有限元分析方法，具体包括：模拟真实情况下玻璃与密封条的装配过程，车窗玻璃在-Y方向插入密封条中至装配深度，分别向+X方向和-X方向平移，从密封条外唇边和内唇边的未压状态至压死状态，提取车窗玻璃在X方向上每一分析步的位移x以及两侧唇边压缩负荷F₁数据，采用多项式函数拟合离散的CLD仿真数据，获取密封条内外唇边的非线性拟合曲线，即CLD曲线F₁＝f(x)。

所述步骤2)具体为：

密封条内外唇边的CLD曲线与单自由度弹簧质量模型对比，将密封条唇边对玻璃的夹持约束作用等效为具有非线性刚度系数的有限弹簧对，建立设定曲率的半圆简化等效的实体模型，模拟密封条唇边与车窗玻璃的接触作用，将实体模型与若干有限弹簧对构成密封条等效动力学模型。

所述车窗玻璃在密封条约束下的平衡系数C满足以下公式：

$C=\frac{\left|C_1-C_2\right|}{C_1+C_2}\×100\%$

式中，C₁、C₂分别为支撑力变化曲线中密封条内外唇边的压缩负荷。

当快速评估结果为合格时，车窗玻璃在密封条约束下的平衡系数小于等于设定百分比。

所述设定百分比为10％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)基于功能等效原理，将车窗密封系统等效为离散的非线性刚度弹簧单元，建立导槽密封条等效动力学模型元，解决了密封条非规则几何特征带来的建模困难。

2)建立车窗钣金、车窗玻璃以及车窗升降器的三维模型，通过模型装配和动力学设置，建立包含密封系统的完整车窗升降动力学模型，再通过动力学分析，获取车窗玻璃升降过程导槽密封条对于车窗玻璃的支撑力和摩擦力，并计算出车窗玻璃在密封条约束下的平衡系数，将平衡系数作为密封条设计的快速评估依据，简单有效。

3)本发明方法在传统二维截面的有限元分析基础上，结合有限元分析和动力学分析技术，形成了车窗密封设计快速评估新方法，实现在密封条设计前期对密封条设计快速而全面的评估，进而为有针对性的进行截面优化设计提供可行性的建议，克服传统密封条设计方法存在的周期过长、成本高等不足。

附图说明

图1为本发明等效建模及快速评价方法流程图；

图2为密封条唇边压缩仿真示意图；

其中，(2a)为初始位置时密封条唇边压缩仿真示意图，(2b)为向-X方向平移时密封条唇边压缩仿真示意图，(2c)为向+X方向平移时密封条唇边压缩仿真示意图；

图3为密封条唇边压缩负荷变形曲线；

图4为密封条约束作用示意图；

图5为密封条唇边等效约束模型示意图；

图6为完整车窗升降动力学模型示意图；

图7为密封条—车窗玻璃摩擦力变化曲线；

图8为车窗玻璃在密封条约束下的平衡系数变化曲线。

图中，1、密封条，2、车窗玻璃，3、车窗钣金，4、导轨，5、滑块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法可分为两个阶段，车窗非线性约束等效建模阶段和建立车窗密封动力学整体模型阶段。

车窗受周边密封胶条约束形成动密封系统。由于采用超弹性橡胶材料，而且具有非规则几何截面，密封系统与车窗存在复杂的非线性约束接触作用。为实现密封条的等效建模，首先需获取密封条唇边的CLD曲线，其次建立等效非线性刚度弹簧单元模型。车窗非线性约束等效建模阶段包括以下步骤：

1)导槽密封条唇边CLD特性的非线性拟合：根据初步设计的密封条二维截面进行压缩负荷的有限元分析，根据有线元分析的仿真结果进行数据拟合，获取密封条内外唇边的CLD曲线。具体为：

由于密封条的非线性特征，在密封条设计前期，多借助Marc有限元分析方法进行密封条唇边的压缩仿真分析。同时，本方法中的仿真过程要求模拟真实情况下玻璃与密封条的装配过程，如图2所示，XY为直角坐标系，车窗玻璃在-Y方向插入密封条中至装配深度，分别向+X方向和-X方向平移，从密封条外唇边和内唇边的未压状态至压死状态，提取车窗玻璃在X方向上每一分析步的位移x以及两侧唇边压缩负荷F₁数据，采用多项式函数拟合离散的CLD仿真数据，获取密封条内外唇边的非线性拟合曲线，即CLD曲线F₁＝f(x)，如图3所示。

2)基于非线性弹簧的等效约束建模：车窗升降时，受机构推动，玻璃插入密封胶条的内外唇边中而受到夹持约束。内外唇边对玻璃接触面形成法向压缩载荷，在运行中产生切向滑动摩擦力。法向压缩载荷影响车窗升降平稳性，切向滑动摩擦力决定车窗升降顺畅性。因此，基于功能等效原理和密封条内外唇边的CLD曲线，将车窗密封系统等效为离散的非线性刚度弹簧单元，建立密封条等效动力学模型。具体为：

如图4、图5所示，密封条内外唇边的CLD曲线与单自由度弹簧质量模型对比，将密封条唇边对玻璃的夹持约束作用等效为具有非线性刚度系数的有限弹簧对，建立设定曲率的半圆简化等效的实体模型，模拟密封条唇边与车窗玻璃的接触作用，将实体模型与若干有限弹簧对构成密封条等效动力学模型。

其中，定刚度弹簧的力—位移关系为：F＝kx；密封条CLD曲线的意义是密封条位移与作用力的关系曲线，在Adams软件中只需要输入拟合出的CLD曲线数据，然后软件会利用插值计算法，计算出相应位移对于的作用力。CLD曲线的作用是定义弹簧的刚度，图4中密封条受力的距离D1、D2等效到图5中有限弹簧对的距离D1、D2，k₁、k₂为有限弹簧对的弹簧系数。

如图6所示，车窗升降动力学的整体模型主要由车门钣金、车窗玻璃、导轨、滑块、密封系统等效模型以及电机驱动函数组成。建立车窗密封动力学整体模型阶段需要基于功能等效的驱动电机建模和进行导槽密封条唇边支撑力及玻璃平衡系数分析，具体为：

3)建立车窗钣金、车窗玻璃以及车窗升降器的三维模型，并结合密封条等效动力学模型，建立包含车窗密封系统的完整车窗升降动力学模型，并在动力学分析软件Adams中进行动力学分析设置，三维建模是在CAD软件CATIA中进行。

基于功能等效的驱动电机建模是指：目前车窗玻璃升降器大多采用电机驱动，本方法为实现车窗玻璃升降的动力学分析，构建了基于电机的固有机械特性以及绳轮系统力的传递关系，推导出驱动力F₂和玻璃运动速度V的函数关系如下式：

$F_2=\frac{2U_N{C}_T{\mathrm{\Φ}}_{N}i\mathrm{\μ}}{{\mathrm{DR}}_a}-\frac{120i^2{C}_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T{\mathrm{\Φ}}_N^2}{{\mathrm{\πD}}^2{R}_a}V$

其中，

$R_a=(\frac{1}{2}~\frac{2}{3})\frac{U_N{I}_N-P_N}{I_N^2}$

$C_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\Φ}}_N=\frac{U_N-I_N{R}_a}{n_{N}i}\mathrm{\η}$

上述公式为后续的动力学仿真提供驱动力定义，式中所示的参数含义如表1所示：

表1驱动力方程参数

参数	含义	单位
			F2	驱动力	N
V	玻璃运行速度	mms
			UN	车窗电机额定电压	V
IN	车窗电机额定电流	A
			PN	车窗电机额定功率	W
nN	车窗电机额定转速	rpm
			η	车窗电机效率	无量纲
CT	转矩常数	无量纲
			Cε	电动势常数	无量纲
ΦN	励磁通量	Wb

Ra	电枢电阻	Ω
			D	车窗升降器绕丝盒直径	m
i	车窗电机减速齿轮传动比	无量纲
			μ	摩擦系数	无量纲

4)通过对完整车窗升降动力学模型的动力学分析，即在动力学分析软件Adams的后处理中获取车窗玻璃在三维约束条件下的升降速度、车窗升降过程密封条内外唇边对于车窗玻璃的支撑力动态变化曲线、摩擦力动态变化曲线，以及车窗玻璃在密封条约束下的平衡系数，如图8所示，最终结合密封条内外唇边的CLD曲线输出密封条设计的快速评估结果，即升降速度、支撑力、摩擦力以及平衡系数等作为密封条设计是否合格的评价指标。上述模型都是利用软件建立的模型，图7为前端导槽摩擦力动态变化曲线。

由所获得的支撑力，根据下式可以计算得出升降过程中车窗玻璃平衡系数的变化：

$C=\frac{\left|C_1-C_2\right|}{C_1+C_2}\×100\%$

式中，C为平衡系数，C₁、C₂分别为支撑力变化曲线中密封条内外唇边的压缩负荷。该快速评估结果为合格时，导槽密封条内唇边与外唇边的压缩负荷应尽量保持平衡，即平衡系数小于等于设定百分比，从而确保车门玻璃的内外表面受到较为均衡的支撑力，不会产生跑偏。本实施例中设定百分比为10％。

综上，本发明在传统二维截面的有限元分析基础上，运用功能等效原理，将密封条等效为离散的非线性刚度弹簧单元，解决了密封条非规则几何特征带来的建模困难，建立包含密封系统的双曲率车窗升降动力学模型，通过动力学分析，获取车窗升降过程导槽密封条对于车窗玻璃的支撑力及摩擦力，并计算出车窗玻璃在密封条约束下的平衡系数，以此在密封条设计前期，实现对密封条设计快速而全面的评估，进而为有针对性的进行截面优化设计提供可行性的建议。

Claims (6)

1.一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据初步设计的密封条二维截面进行压缩负荷的有限元分析，根据有线元分析的仿真结果进行数据拟合，获取密封条内外唇边的CLD曲线；

2)基于功能等效原理和密封条内外唇边的CLD曲线，将车窗密封系统等效为离散的非线性刚度弹簧单元，建立密封条等效动力学模型；

3)建立车窗钣金以及车窗升降器的三维模型，并结合密封条等效动力学模型，建立包含车窗密封系统的完整车窗升降动力学模型；

4)通过对完整车窗升降动力学模型的动力学分析，获取车窗升降过程密封条对于车窗玻璃的支撑力变化曲线，以及车窗玻璃在密封条约束下的平衡系数，最终结合密封条内外唇边的CLD曲线输出密封条设计的快速评估结果。

2.根据权利要求1所述的一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法，其特征在于，所述有限元分析采用Marc有限元分析方法，具体包括：模拟真实情况下玻璃与密封条的装配过程，车窗玻璃在-Y方向插入密封条中至装配深度，分别向+X方向和-X方向平移，从密封条外唇边和内唇边的未压状态至压死状态，提取车窗玻璃在X方向上每一分析步的位移x以及两侧唇边压缩负荷F₁数据，采用多项式函数拟合离散的CLD仿真数据，获取密封条内外唇边的非线性拟合曲线，即CLD曲线F₁＝f(x)。

3.根据权利要求1所述的一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：

密封条内外唇边的CLD曲线与单自由度弹簧质量模型对比，将密封条唇边对玻璃的夹持约束作用等效为具有非线性刚度系数的有限弹簧对，建立设定曲率的半圆简化等效的实体模型，模拟密封条唇边与车窗玻璃的接触作用，将实体模型与若干有限弹簧对构成密封条等效动力学模型。

4.根据权利要求1所述的一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法，其特征在于，所述车窗玻璃在密封条约束下的平衡系数C满足以下公式：

$C=\frac{|C_1-C_2|}{C_1+C_2}\×100\%$

式中，C₁、C₂分别为支撑力变化曲线中密封条内外唇边的压缩负荷。

5.根据权利要求1所述的一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法，其特征在于，当快速评估结果为合格时，车窗玻璃在密封条约束下的平衡系数小于等于设定百分比。

6.根据权利要求5所述的一种车窗密封系统的等效建模及快速评价方法，其特征在于，所述设定百分比为10％。