CN105352740A - 一种电动车窗升降器寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动车窗升降器寿命预测方法，包括步骤：S1：建立电动车窗升降器仿真模型；S2：设定仿真时间，运行仿真模型，获取钢丝绳张力，并采用三点雨流计数法及Goodman法则得到钢丝绳对称循环载荷谱；S3：根据钢丝绳对称循环载荷谱，采用Miner疲劳损伤累积理论预测电动车窗升降器的寿命。与现有技术相比，本发明采用建模测试的方式，可以降低成本，提高效率。

Description

一种电动车窗升降器寿命预测方法

技术领域

本发明涉及汽车配件测试领域，尤其是涉及一种电动车窗升降器寿命预测方法。

背景技术

轿车车窗动密封系统包括电动升降器、大曲率玻璃和车窗密封胶条。车窗密封条包含前后导槽密封条、水切密封条和顶端密封条，车窗密封系统广泛采用EPDM(三元乙丙橡胶)或TPV类热塑弹性体材料。由于该类橡胶具有典型的超弹性材料特性及其非规则几何截面，使得密封导槽唇边与玻璃之间存在复杂的非线性接触状态，由此导致复杂的滑动摩擦作用。其次当前车窗普遍采用大曲率玻璃，在升降过程中，车窗与水切密封条的接触长度随车窗升程而动态变化，使其摩擦阻力也具有非线性变化的特性。

车窗升降器主要由车窗电机、卷丝桶、钢丝绳、滑轮、导轨、滑动支架等组成。钢丝绳是电动升降器的关键零部件，当电机顺时针或逆时针旋转时，电机输出轴通过蜗轮蜗杆减速装置带动卷丝桶正、反转，从而带动与钢丝绳相连的滑动支架，使滑动支架沿导轨上下运动，从而实现车窗玻璃的上升或下降。因此，钢丝绳在工作过程中，在承受拉伸的同时，在卷丝桶上的弯曲将导致在钢丝绳中出现周期性的弯曲应力，从而导致钢丝绳的疲劳破坏，因此钢丝绳疲劳对电动车窗失效有重要的影响。因为结构复杂原因，其寿命预测通常采用实物测试的方法，不仅成本高而且效率低。

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电动车窗升降器寿命预测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种电动车窗升降器寿命预测方法，包括步骤：

S1：建立电动车窗升降器仿真模型；

S2：设定仿真时间，运行仿真模型，获取钢丝绳张力，并采用三点雨流计数法及Goodman法则得到钢丝绳对称循环载荷谱；

S3：根据钢丝绳对称循环载荷谱，采用Miner疲劳损伤累积理论预测电动车窗升降器的寿命。

所述步骤S1具体包括步骤：

S11：根据电动车窗升降器实际结构建立升降器传动系统子模型；

S12：建立水切摩擦力与接触长度的关系子模型；

S13：建立等效电机的转速与扭矩的关系子模型；

S14：采用约束副将子模型中涉及的实体连接起来，并定义实体之间的相对运动，完成电动车窗升降器仿真模型的建立。

所述步骤S11具体包括步骤：

S111：根据实物，获取上导轮、下导轮和卷丝桶三者圆心的相对位置，以及各自的半径，并以此为依据，建立升降器传动系统子模型中的上导轮、下导轮和卷丝桶部分；

S112：采集滑块支架的位置及尺寸信息，建立升降器传动系统子模型中的滑块支架部分；

S113：分别在滑块支架以及卷丝桶上添加用于连接钢丝绳的锚固点，并基于添加的锚固点以及上导轮和下导轮建立升降器传动系统子模型中的钢丝绳部分；

S114：在滑块支架与钢丝绳连接处添加弹簧单元。

所述步骤S12具体包括步骤：

S121：载入车窗玻璃和水切密封条的属性信息，其中，所述车窗玻璃包括由上自下分布的水平长度变化部和水平长度固定部，且水平长度变化部由上自下的水平长度逐渐缩短；

S122：根据载入的车窗玻璃的属性信息，采用复合型指数函数拟合得到水平长度变化部下，接触长度与车窗玻璃行程之间的变化关系；

S123：根据载入的车窗玻璃和水切密封条的属性信息，建立水切摩擦力与接触长度的关系子模型：

f_D＝2C_fC₁d(h)0≤h≤H

其中：f_D为水切摩擦力，C_f为水切密封条摩擦系数，C₁为密封条压缩载荷量，h为车窗玻璃的行程，H为车窗玻璃的总行程，d(h)为车窗玻璃与水切密封条之间的接触长度，具体为：

$d\left(h\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{ae}}^{0.00225h}+{\mathrm{ce}}^{-0.046h}& 0\&le;h<H-H_0\\ d_{max}& H-H_0\&le;h\&le;H\end{array}\right.$

其中：H-H₀为车窗玻璃水平长度变化部的高度，d_max为车窗玻璃的水平长度固定部对应的接触长度，a、c为拟合系数。

所述步骤S122中具体包括步骤：

S1221：将水平长度变化部纵向等分为十份，并测量每一份的水平长度，以及距离车窗玻璃顶部的距离；

S1222：采用复合型指数函数拟合得到水平长度变化部下，接触长度与车窗玻璃行程之间的变化关系。

所述等效电机的转速与扭矩的关系子模型具体如下：

其中：N′为等效电机的转速，为电机的磁通量，n为蜗轮蜗杆减速比，Z为电枢绕组线圈匝数，E_s为电机工作电压，R_a为电枢电阻，T′为扭矩，K为电机常数，η为蜗轮蜗杆传动效率。

所述步骤S2具体包括步骤：

S21：运行仿真模型，获取钢丝绳张力，并将钢丝绳的张力转化为应力；

S22：定义车窗升降一次为一个工作循环，根据钢丝绳的盈利，采用“三点雨流计数法”建立钢丝绳载荷谱；

S23：修正钢丝绳S—N曲线，取钢丝绳临界疲劳损伤系数为1。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)采用建模测试的方式，可以降低成本，提高效率。

2)基于车窗玻璃的属性信息，针对车窗与水切密封条接触的非线性的变化特性，建立非线性约束阻力分段函数，相比忽略了车窗与水切密封条之间摩擦阻力非线性的特性的方式，得到的水切摩擦力更加准确，更接近实物。

3)等效电机的转速与扭矩的关系子模型的建立过程结合了蜗轮蜗杆输入与输出的关系，其次对电机—蜗轮蜗杆驱动系统进行简化，相比于采用线性step函数表示升降器驱动力的方式，与实际升降器中蜗轮输出扭矩的变化规律更加接近，仿真效果更佳。

附图说明

图1为本发明的主要步骤流程示意图；

图2为升降器传动系统子模型的示意图；

图3为连接螺栓8的结构示意图；

图4为锚固点C的位置示意图；

图5为车窗玻璃的结构示意图；

图6为电动车窗升降器仿真模型可视化部分的示意图；

其中：1、上导轮，2、下导轮，3、卷丝桶，4、锚固点C，5、弹簧单元，6、钢丝绳A，7、钢丝绳B，8、连接螺栓，9、水平长度变化部，10、水平长度固定部。

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。

一种电动车窗升降器寿命预测方法，如图1所示，包括步骤：

S1：建立如图6所示电动车窗升降器仿真模型，具体包括步骤：

S11：针对钢丝绳建模的困难性，以Adams/cable为基础，构建钢丝绳模型，最终建立了包含钢丝绳、导轮、卷丝桶3的升降器传动系统子模型，即根据电动车窗升降器实际结构建立如图2所示升降器传动系统子模型，具体包括步骤：

S111：根据实物，获取上导轮1、下导轮2和卷丝桶3三者圆心的相对位置，以及各自的半径，并以此为依据，通过Adams/cable模块交互界面，设定三者的半径大小，选取三个位置点，完成上导轮1、下导轮2及卷丝桶3模型的建立，即建立升降器传动系统子模型中的上导轮1、下导轮2和卷丝桶3部分；

S112：采集滑块支架的位置及尺寸信息，建立升降器传动系统子模型中的滑块支架部分；

S113：分别在滑块支架以及卷丝桶3上添加用于连接钢丝绳的锚固点，并基于添加的锚固点以及上导轮1和下导轮2建立升降器传动系统子模型中的钢丝绳部分，具体的，在滑块支架与钢丝绳的两个连接螺栓8上建立锚固点A、B，在卷丝桶3上建立锚固点C，通过Adams/cable模块交互界面，依次选取锚固点A、上导轮1、卷丝桶3及锚固点C4建立钢丝绳A，同样的方法，选取锚固点B、下导轮2、卷丝桶3及锚固点C4建立钢丝绳B，其中连接螺栓8的结构如图3所示，锚固点C4的布局如图4所示；

S114：在滑块支架与钢丝绳连接处添加弹簧单元5，具体的，在滑块支架与连接螺栓8之间添加弹簧单元5，从而实现升降器传动系统子模型的建立。

S12：建立水切摩擦力与接触长度的关系子模型，一般的关系子模型未考虑车窗玻璃与水切密封条接触的非线性变化的特性，也就是忽略了车窗与水切密封条之间摩擦阻力非线性的特性，但是在本申请中将这一特性考虑了进去，

车窗升降时，车窗玻璃在导槽内的运动轨迹并不在理想轨迹线上。如果将玻璃划分成无数小段，则每个截面中，玻璃与导槽的装配接触情况都不一样，即玻璃对内外唇边的压缩负荷Nin和Nout不是定值，定义前后缘导槽摩擦阻力F1、F2。在某时刻的它们的大小如下所示：，

$F_1=u\underset{0}{\overset{L_1}{\&Integral;}}{N}_{1in}+N_{1out}dl$

$F_2=u\underset{0}{\overset{L_2}{\&Integral;}}{N}_{2in}+N_{2out}dl$

其中：N_1in为玻璃前导槽密封条内唇边对玻璃的压缩负荷；N_1out为玻璃前导槽密封条外唇边对玻璃的压缩负荷；N_2in为玻璃后导槽密封条内唇边对玻璃的压缩负荷；N_2out为玻璃后导槽密封条外唇边对玻璃的压缩负荷；L₁为玻璃前缘长度；L₂为玻璃后缘长度；u为密封条摩擦系数。玻璃在其理想轨迹上运动时，N_1in、N_1out、N_2in、N_2out为定值。

通过实验数据的分析，可以把该摩擦力作为恒力处理，即玻璃总在其理性轨迹上运动。

因此步骤S12具体包括步骤：

S121：载入车窗玻璃和水切密封条的属性信息，其中，如图5所示，车窗玻璃包括由上自下分布的水平长度变化部9和水平长度固定部10，且水平长度变化部9由上自下的水平长度逐渐缩短；

S122：根据载入的车窗玻璃的属性信息，采用复合型指数函数拟合得到水平长度变化部9下，接触长度与车窗玻璃行程之间的变化关系，具体包括步骤：

S1221：将水平长度变化部9纵向等分为十份，并测量每一份的水平长度，以及距离车窗玻璃顶部的距离；

S1222：采用复合型指数函数拟合得到水平长度变化部9下，接触长度与车窗玻璃行程之间的变化关系。

等效电机的转速与扭矩的关系子模型具体如下：

其中：N′为等效电机的转速，为电机的磁通量，n为蜗轮蜗杆减速比，Z为电枢绕组线圈匝数，E_s为电机工作电压，R_a为电枢电阻，T′为扭矩，K为电机常数，η为蜗轮蜗杆传动效率。

S123：根据载入的车窗玻璃和水切密封条的属性信息，建立水切摩擦力与接触长度的关系子模型：

f_D＝2C_fC₁d(h)0≤h≤H

其中：f_D为水切摩擦力，C_f为水切密封条摩擦系数，C₁为密封条压缩载荷量，h为车窗玻璃的行程，H为车窗玻璃的总行程，d(h)为车窗玻璃与水切密封条之间的接触长度，具体为：

$d\left(h\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{ae}}^{0.00225h}+{\mathrm{ce}}^{-0.046h}& 0\&le;h<H-H_0\\ d_{max}& H-H_0\&le;h\&le;H\end{array}\right.$

其中：H-H₀为车窗玻璃水平长度变化部9的高度，d_max为车窗玻璃的水平长度固定部10对应的接触长度，a、c为拟合系数。

S13：建立等效电机的转速与扭矩的关系子模型；

S14：采用约束副将子模型中涉及的实体连接起来，并定义实体之间的相对运动，完成电动车窗升降器仿真模型的建立。

具体的，通过使用约束副将各实体连接起来，以定义实体之间的相对运动。卡扣与导轨之间添加平行约束及接触约束，连接螺栓与卡扣之间添加平行约束及接触约束，卡扣与上下止挡板之间添加接触约束，卷丝桶3与电机转子添加固定约束，导轨、上下止挡板通过固定副与地面固结。通过力学分析，玻璃前后导槽摩擦力及水切摩擦力，即F1、F2、F3可以简化为三个集中力。在玻璃实体前侧边线中点，施加F1，其方向与玻璃外侧表面相切，在玻璃实体后侧边线中点，施加F1，其方向与玻璃外侧表面相切，在玻璃实体重心位置施加F3其方向也与玻璃外侧表面相切。

S2：设定仿真时间，运行仿真模型，获取钢丝绳张力，并采用三点雨流计数法及Goodman法则得到钢丝绳对称循环载荷谱，具体包括步骤：

S21：运行仿真模型，获取钢丝绳张力，并将钢丝绳的张力转化为应力；

S22：定义车窗升降一次为一个工作循环，根据钢丝绳的盈利，采用“三点雨流计数法”建立钢丝绳载荷谱；

S23：修正钢丝绳S—N曲线，取钢丝绳临界疲劳损伤系数为1

S3：根据钢丝绳对称循环载荷谱，采用Miner疲劳损伤累积理论预测电动车窗升降器的寿命。

Claims (7)

1.一种电动车窗升降器寿命预测方法，其特征在于，包括步骤：

S1：建立电动车窗升降器仿真模型；

S2：设定仿真时间，运行仿真模型，获取钢丝绳张力，并采用三点雨流计数法及Goodman法则得到钢丝绳对称循环载荷谱；

S3：根据钢丝绳对称循环载荷谱，采用Miner疲劳损伤累积理论预测电动车窗升降器的寿命。

2.根据权利要求1所述的一种电动车窗升降器寿命预测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括步骤：

S11：根据电动车窗升降器实际结构建立升降器传动系统子模型；

S12：建立水切摩擦力与接触长度的关系子模型；

S13：建立等效电机的转速与扭矩的关系子模型；

S14：采用约束副将子模型中涉及的实体连接起来，并定义实体之间的相对运动，完成电动车窗升降器仿真模型的建立。

3.根据权利要求2所述的一种电动车窗升降器寿命预测方法，其特征在于，所述步骤S11具体包括步骤：

S111：根据实物，获取上导轮、下导轮和卷丝桶三者圆心的相对位置，以及各自的半径，并以此为依据，建立升降器传动系统子模型中的上导轮、下导轮和卷丝桶部分；

S112：采集滑块支架的位置及尺寸信息，建立升降器传动系统子模型中的滑块支架部分；

S113：分别在滑块支架以及卷丝桶上添加用于连接钢丝绳的锚固点，并基于添加的锚固点以及上导轮和下导轮建立升降器传动系统子模型中的钢丝绳部分；

S114：在滑块支架与钢丝绳连接处添加弹簧单元。

4.根据权利要求2所述的一种电动车窗升降器寿命预测方法，其特征在于，所述步骤S12具体包括步骤：

S121：载入车窗玻璃和水切密封条的属性信息，其中，所述车窗玻璃包括由上自下分布的水平长度变化部和水平长度固定部，且水平长度变化部由上自下的水平长度逐渐缩短；

S122：根据载入的车窗玻璃的属性信息，采用复合型指数函数拟合得到水平长度变化部下，接触长度与车窗玻璃行程之间的变化关系；

S123：根据载入的车窗玻璃和水切密封条的属性信息，建立水切摩擦力与接触长度的关系子模型：

f_D＝2C_fC₁d(h)0≤h≤H

其中：f_D为水切摩擦力，C_f为水切密封条摩擦系数，C₁为密封条压缩载荷量，h为车窗玻璃的行程，H为车窗玻璃的总行程，d(h)为车窗玻璃与水切密封条之间的接触长度，具体为：

$d\left(h\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{ae}}^{0.00225h}+{\mathrm{ce}}^{-0.046h}& 0\&le;h<H-H_0\\ d_{max}& H-H_0\&le;h\&le;H\end{array}\right.$

其中：H-H₀为车窗玻璃水平长度变化部的高度，d_max为车窗玻璃的水平长度固定部对应的接触长度，a、c为拟合系数。

5.根据权利要求4所述的一种电动车窗升降器寿命预测方法，其特征在于，所述步骤S122中具体包括步骤：

S1221：将水平长度变化部纵向等分为十份，并测量每一份的水平长度，以及距离车窗玻璃顶部的距离；

S1222：采用复合型指数函数拟合得到水平长度变化部下，接触长度与车窗玻璃行程之间的变化关系。

6.根据权利要求2所述的一种电动车窗升降器寿命预测方法，其特征在于，所述等效电机的转速与扭矩的关系子模型具体如下：

其中：N'为等效电机的转速，为电机的磁通量，n为蜗轮蜗杆减速比，Z为电枢绕组线圈匝数，E_s为电机工作电压，R_a为电枢电阻，T'为扭矩，K为电机常数，η为蜗轮蜗杆传动效率。

7.根据权利要求1所述的一种电动车窗升降器寿命预测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括步骤：

S21：运行仿真模型，获取钢丝绳张力，并将钢丝绳的张力转化为应力；

S22：定义车窗升降一次为一个工作循环，根据钢丝绳的盈利，采用“三点雨流计数法”建立钢丝绳载荷谱；

S23：修正钢丝绳S—N曲线，取钢丝绳临界疲劳损伤系数为1。