CN105844015A - 一种汽车玻璃升降器优化布置设计方法 - Google Patents

一种汽车玻璃升降器优化布置设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车玻璃升降器优化布置设计方法，包括步骤：(a)通过力和力矩的平衡计算大致确定玻璃升降器举升点在门系统中的安装位置；(b)在CATIA中完成玻璃升降器和车门系统部件的三维建模和装配；(c)基于Hypermesh和ABAQUS建立玻璃升降器刚柔耦合有限元模型，进行动力学仿真分析；(d)获取xoz面内玻璃举升过程玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统所受合力和合力矩大小变化，根据外力和外力矩结果指导玻璃升降器在门系统中优化布置。本发明根据实际的玻璃升降器、玻璃和门系统呢槽水切的尺寸和玻璃升降运行参数来修改模型、载荷及边界条件，极大的缩短了玻璃升降器设计周期，提高了玻璃升降器优化布置设计效率和精度，降低了试验成本。

Description

一种汽车玻璃升降器优化布置设计方法
技术领域
本发明涉及汽车工程中的车门系统设计领域，具体涉及一种汽车玻璃升降器优化布置设计方法。
背景技术
目前，绳轮式玻璃升降器因其结构紧凑、重量轻、运动时噪音小、并且传动机构为滑轮与钢丝绳绕合传动，具有“柔式”的特点，从而被广泛应用于汽车车门系统。常用的绳轮式玻璃升降器又包括：双导轨玻璃升降器和单导轨玻璃升降器。双导轨玻璃升降器相对于单导轨玻璃升降器最大的优点就是玻璃升降的稳定性好。在汽车车门中，由于汽车前门玻璃前后跨距较大，所以汽车前门大部分选择使用双导轨玻璃升降器。而汽车后门玻璃前后跨距较小，所以后门一般选用单导轨玻璃升降器。然而现在，由于单导轨玻璃升降器具有质量轻、空间需求少和价格低等优势，使得单导轨玻璃升降器开始大量运用于中低端车的前门中。
然而传统的玻璃升降器在门系统中的布置设计的方法大多数通过参照标杆车，在以往车辆的设计经验标准上布置升降器，易出现升降器卡滞和翻转。或者通过力矩的简化数学计算和试验手段共同确定玻璃升降器在门内板上的安装位置，但此方法不仅只能粗略确定玻璃升降器在门系统中的布置位置，而且耗时、成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，为弥补现有玻璃升降器在门系统中的布置存在的上述不足，提供一种汽车玻璃升降器优化布置设计方法，根据实际的玻璃升降器、玻璃和门系统呢槽水切的尺寸和玻璃升降运行参数来修改模型、载荷及边界条件，极大的缩短了玻璃升降器设计周期，提高了玻璃升降器优化布置设计效率和精度，降低了试验成本。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种汽车玻璃升降器优化布置设计的方法，该方法的步骤如下：
(a)根据车门系统的玻璃实际工作环境，对玻璃在门系统中的受力进行简化分析，通过力和力矩的平衡计算大致确定玻璃升降器举升点在门系统中的安装位置；
(b)根据玻璃升降器设计要求，在CATIA中建立各零部件包括滑块、玻璃安装架、导轨、玻璃连接螺栓、玻璃、呢槽水切三维模型，最后根据力学计算初步确定的玻璃升降器在门系统的安装位置，在CATIA中完成玻璃升降器各零部件和玻璃及呢槽水切的装配；
(c)基于Hypermesh和ABAQUS建立玻璃升降器刚柔耦合有限元模型，对玻璃升降器刚柔耦合多体系统各个部件建立接触、连接和运动约束关系，进行动力学仿真分析，定义滑块与弧线导轨间的接触、滑块与玻璃安装架连接、玻璃安装架与玻璃连接、玻璃与呢槽和水切间的接触；上下钢丝绳和滑块间的牵引通过建立轴连接器，并定义轴连接器的速度和拉力来实现获取滑块与导轨接触力和接触力矩、玻璃与呢槽接触力和力矩、上下钢丝绳拉力和拉力矩、玻璃重力矩；
(d)根据动力学仿真分析结果，获取xoz面内滑块与导轨接触力和接触力矩、玻璃与呢槽接触力和力矩、上下钢丝绳拉力和拉力矩、玻璃重力矩，并计算xoz面玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统所受合力和合力矩大小变化，综合以上结果判断玻璃升降器在车门系统中布置是否合理并对玻璃升降器在车门系统中的优化布置提供理论依据。
按上述方案，步骤(a)中对玻璃在门系统中的受力进行简化分析，具体为分析xoz面内玻璃受力分析，包括：玻璃升降器对玻璃的举升力和举升力力矩；呢槽水切对玻璃的阻力和阻力矩；玻璃重力和重力产生的力矩。
按上述方案，步骤(c)中玻璃升降器刚柔耦合有限元模型包括钢丝绳刚体模型，滑块、导轨、玻璃安装架、玻璃、呢槽水切的柔体模型。
按上述方案，步骤(c)中玻璃升降器刚柔耦合多体系统，是由滑块与弧线导轨接触运动系统、玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统、玻璃与呢槽及水切接触运动系统、钢丝绳牵引滑块系统组合而成的复杂系统，其中钢丝绳牵引滑块系统用于提供滑块变向牵引力，钢丝绳通过ABAQUS中的轴单元建立轴连接器刚性模型。
按上述方案，在Hypermesh中对关键零部件进行几何清理和分块处理及网格划分，其中对滑块与弧线导轨接触运动系统分块划分六面体实体网格，导轨抽取中面划分四边形面网格；在ABAQUS中进行刚柔性体有限元建模，对各个部件赋予材料属性和单元属性。
按上述方案，步骤(d)中计算玻璃升降器举升过程所受合力和合力矩，从而判断玻璃升降器在车门系统中布置是否合理，主要通过有限元动力学模型精确分析玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统在车身坐标系xoz面内所受合力和合力矩大小变化曲线，判断初始设计的玻璃举升点在车身坐标系x轴方向的安装位置是否合理；当玻璃升降器的玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统所受外力的合力矩不为0时，左右微调玻璃升降器举升点到A柱的距离L的大小，从而对玻璃升降器在车门系统中的优化布置提供指导，并确定微调量ΔL＝M合力矩/fL′cosθ，其中，M合力矩为玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统所受外力的合力矩，满足 其中，MG分别为B柱侧呢槽阻力、水切阻力和玻璃重力产生的转矩，fL′为玻璃升降器在举升点施加给玻璃平行于玻璃升降方向的分力，θ为玻璃运行轨迹切线方向和车身坐标系z方向的夹角，fL′满足f′L＝f1+f2+f3+G′，其中f1、f2、f3分别是两侧呢槽、水切对玻璃的摩擦阻力，摩擦阻力方向与玻璃升降方向平行，G′是玻璃重力G平行于玻璃升降方向的分力。
本发明的有益效果：
1、本发明根据车门系统的玻璃实际工作环境，对玻璃在门系统中的受力进行简化分析，先大致确定了举升点在车身坐标系x方向的距离L，然后在ABAQUS中完成有限元动力学分析，计算初步举升点下玻璃举升过程所受力矩的变化，并根据合力矩变化值来确定升降器举升点车身坐标系x方向微调量；综合分析玻璃升降器在车门系统中布置是否满足要求，指导玻璃升降器在车门系统中优化布置，减少了试验工作量，缩短了玻璃升降器的开发周期，提高了玻璃升降器设计效率；
2、本发明通过有限元模拟分析还可得到导轨、滑块等关键零部件在玻璃升降器举升过程中的应力应变情况，对滑块、导轨优化设计具有指导意义；
附图说明
图1是本发明实施例绳轮式玻璃升降器有限元仿真流程图；
图2是xoz面内玻璃受力分析示意图；
图3是玻璃升降器刚柔耦合多体系统的CATIA三维模型装配图；
图4是玻璃升降器刚柔耦合多体系统的ABAQUS中装配总成网格模型；
图5是上下钢丝绳轴连接器刚性模型；
图6是导轨、呢槽及水切固定约束；
图7是玻璃升降系统受力随时间变化曲线；
图8是玻璃升降系统力矩随时间变化曲线；
图9是玻璃在车身坐标系中投影示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明技术方案进行详细的描述。
为了清晰阐述玻璃升降器有限元仿真方法，选取实际生产中已广泛应用的一款单导轨电动绳轮式玻璃升降器进行仿真分析，参照图1所示，绳轮式玻璃升降器优化布置设计方法具体包括如下步骤：
(a)分析应用该款升降器的门系统中xoz面内玻璃的受力和力矩，如图2所示，假设玻璃上升过程受力和力矩平衡，与汽车A、B柱无接触，得到玻璃上升过程受力和力矩平衡方程如下：
其中f1、f2、f3分别是两侧呢槽、水切对玻璃的摩擦阻力，摩擦阻力方向与玻璃升降方向平行，G′和G〞分别是玻璃重力G平行于玻璃升降方向和平行于玻璃下切边方向的分力，fL′和fL〞分别是玻璃升降器在举升点施加给玻璃平行于玻璃升降方向和平行于玻璃下切边方向的分力，MG分别为B柱侧呢槽阻力、水切阻力和玻璃重力产生的转矩，L为玻璃升降器举升点到A柱的距离，θ为玻璃运行轨迹切线方向和车身坐标系z方向的夹角，根据上述简化平衡方程求得L粗略值；
(b)根据初步数学计算出的门系统中玻璃、呢槽水切和玻璃升降器的相对位置关系，在CATIA中完成该升降器及附属门系统部件的三维模型的建立和装配，如图3所示；
(c)由于玻璃升降器几何零部件的几何结构复杂性，为提高后期ABAQUS有限元计算精度和效率，在Hypermesh中对关键零部件进行几何清理和分块处理，将所有画好网格的零部件，再装配成一个组件，最后导入ABAQUS，如图4所示；
(d)在ABAQUS定义各零部件的材料属性和单元属性，材料属性包括材料密度ρ、材料弹性模量E以及材料泊松比ν，其中呢槽水切为橡胶材料还必须定义其超弹性，橡胶超弹性模型选择Mooney-Rivlin模型，其中滑块单元类型为C3D8R和C3D4，玻璃安装架单元类型为C3D8R和C3D6、玻璃单元类型为C3D8R和C3D4、呢槽及水切单元类型为C3D8R和C3D6，导轨单元类型为S4R和S3；
(e)滑块与导轨间接触对和玻璃与呢槽及水切间接触对的建立选择面面接触；
(f)玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统中滑块与玻璃安装架的连接为玻璃安装架镶嵌面和滑块内部空腔镶嵌面绑定在一起，玻璃安装架与玻璃的连接为玻璃安装架与玻璃螺栓孔面分别与连接螺栓相应圆柱面相互绑定；
(g)钢丝绳牵引滑块系统建立通过如下方式实现：
建立轴连接器来模拟拉伸方向一直变化的滑轮拉绳机构，定义钢丝绳的拉伸速度200mm/s，通过定义connector velocity幅值曲线来实现，钢丝绳恒定拉力80N，方向时刻变化，通过定义behavior option(连接器行为)的elasticity(弹性)nonlinear(非线性)来实现，并且轴连接器一端固定、一端与滑块调整弹簧连接的圆面耦合，上下两个钢丝绳建立两个轴连接器，轴连接器刚性模型如图5所示(本发明单导轨绳轮式玻璃升降器，滑块上下牵引钢丝绳变方向速度载荷和拉力载荷建模是关键步骤)；
(h)导轨与车门内板连接的螺栓孔周围节点所有自由度固定，呢槽水切与车窗框槽连接的面上节点所有自由度固定，玻璃通过施加重力加载重力载荷，导轨、呢槽及水切固定约束如图6所示；
(i)读取各个接触面的接触力和力矩的结果以及上下钢丝绳轴连接器的力和力矩的结果，导出各个接触力和钢丝绳轴连接器拉力在车身坐标系z方向的变化曲线，以及各个接触力和钢丝绳轴连接器拉力绕车身坐标系y轴的转矩，根据玻璃综合受力和力矩结果判断玻璃升降器举升点在坐标系x轴方向上初始布置位置是否合理，并提出优化布置设计方案。其中玻璃升降系统受力随时间变化曲线如图7所示，玻璃升降系统力矩随时间变化曲线如图8所示，具体判断和设计过程如下：玻璃在未进入上呢槽前，玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统各外力和外力矩基本稳定，只是在玻璃举升起步时刻快速增加，并且玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统外力合力和合力矩几乎为0，并无明显突变，因此可以判断初始设计的玻璃举升点在车身坐标系x轴方向的安装位置合理，如若玻璃升降器M合力矩不为0，需左右微调L大小，微调量为ΔL＝M合力矩/fL′cosθ。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是本发明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种汽车玻璃升降器优化布置设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)根据车门系统的玻璃实际工作环境，对玻璃在门系统中的受力进行简化分析，通过力和力矩的平衡计算大致确定玻璃升降器举升点在门系统中的安装位置；
(b)根据玻璃升降器设计要求，在CATIA中建立各零部件包括滑块、玻璃安装架、导轨、玻璃连接螺栓、玻璃、呢槽水切三维模型，最后根据力学计算初步确定的玻璃升降器在门系统的安装位置，在CATIA中完成玻璃升降器各零部件和玻璃及呢槽水切的装配；
(c)基于Hypermesh和ABAQUS建立玻璃升降器刚柔耦合有限元模型，对玻璃升降器刚柔耦合多体系统各个部件建立接触、连接和运动约束关系，进行动力学仿真分析，定义滑块与弧线导轨间的接触、滑块与玻璃安装架连接、玻璃安装架与玻璃连接、玻璃与呢槽和水切间的接触；上下钢丝绳和滑块间的牵引通过建立轴连接器，并定义轴连接器的速度和拉力来实现获取滑块与导轨接触力和接触力矩、玻璃与呢槽接触力和力矩、上下钢丝绳拉力和拉力矩、玻璃重力矩；
(d)根据动力学仿真分析结果，获取xoz面内滑块与导轨接触力和接触力矩、玻璃与呢槽接触力和力矩、上下钢丝绳拉力和拉力矩、玻璃重力矩，并计算xoz面玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统所受合力和合力矩大小变化，综合以上结果判断玻璃升降器在车门系统中布置是否合理并对玻璃升降器在车门系统中的优化布置提供理论依据。
2.根据权利要求1所述的汽车玻璃升降器优化布置设计方法，其特征在于：步骤(a)中对玻璃在门系统中的受力进行简化分析，具体为分析xoz面内玻璃受力分析，包括：玻璃升降器对玻璃的举升力和举升力力矩；呢槽水切对玻璃的阻力和阻力矩；玻璃重力和重力产生的力矩。
3.根据权利要求1所述的汽车玻璃升降器优化布置设计方法，其特征在于：步骤(c)中玻璃升降器刚柔耦合有限元模型包括钢丝绳刚体模型，滑块、导轨、玻璃安装架、玻璃、呢槽水切的柔体模型。
4.根据权利要求1所述的汽车玻璃升降器优化布置设计方法，其特征在于：步骤(c)中玻璃升降器刚柔耦合多体系统，是由滑块与弧线导轨接触运动系统、玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统、玻璃与呢槽及水切接触运动系统、钢丝绳牵引滑块系统组合而成的复杂系统，其中钢丝绳牵引滑块系统用于提供滑块变向牵引力，钢丝绳通过ABAQUS中的轴单元建立轴连接器刚性模型。
5.根据权利要求4所述的汽车玻璃升降器优化布置设计方法，其特征在于：在Hypermesh中对关键零部件进行几何清理和分块处理及网格划分，其中对滑块与弧线导轨接触运动系统分块划分六面体实体网格，导轨抽取中面划分四边形面网格；在ABAQUS中进行刚柔性体有限元建模，对各个部件赋予材料属性和单元属性。
6.根据权利要求1所述的汽车玻璃升降器优化布置设计方法，其特征在于：步骤(d)中计算玻璃升降器举升过程所受合力和合力矩，从而判断玻璃升降器在车门系统中布置是否合理，主要通过有限元动力学模型精确分析玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统在车身坐标系xoz面内所受合力和合力矩大小变化曲线，判断初始设计的玻璃举升点在车身坐标系x轴方向的安装位置是否合理；当玻璃升降器的玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统所受外力的合力矩不为0时，左右微调玻璃升降器举升点到A柱的距离L的大小，从而对玻璃升降器在车门系统中的优化布置提供指导，并确定微调量△L＝M合力矩/fL′cosθ，其中，M合力矩为玻璃安装架与滑块及玻璃连接系统所受外力的合力矩，满足其中，MG分别为B柱侧呢槽阻力、水切阻力和玻璃重力产生的转矩，fL′为玻璃升降器在举升点施加给玻璃平行于玻璃升降方向的分力，θ为玻璃运行轨迹切线方向和车身坐标系z方向的夹角，fL′满足fL′＝f1+f2+f3+G′，其中f1、f2、f3分别是两侧呢槽、水切对玻璃的摩擦阻力，摩擦阻力方向与玻璃升降方向平行，G′是玻璃重力G平行于玻璃升降方向的分力。
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