姚晨，劉建國，詹濤

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

基于matlab/simulink的玻璃升降器推力中心點優(yōu)化設計

姚晨，劉建國，詹濤

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

文章研究了玻璃升降器電機推力中心點位置的變化對車窗玻璃上升和下降階段力的變化的影響，并以此找出對于某款玻璃最優(yōu)的推力中心點。首先，對車窗玻璃運動過程中，正面投影和側面投影進行力的平衡分析和力矩的平衡分析；其次，通過matlab/simulink建立數(shù)學模型計算出某款玻璃在電機3個不同的推力中心點位置時的運動過程中電機推力的變化和車窗偏轉力矩的變化；最后，分別比較得到的圖形數(shù)據(jù)，找到對于某款玻璃而言的最優(yōu)推力中心點。

玻璃升降器；推力中心點；數(shù)學模型；simulink

CLC NO.:U467.4Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-86-04

前言

玻璃升降器是車門系統(tǒng)中非常重要的車門附件，它的主要功能是實現(xiàn)玻璃的升降，方便駕駛者和乘客的使用，對駕駛體驗有著重要的影響。但是，由于我國玻璃升降器起步晚，設計方法落后，基本處于臨摹國外玻璃升降器結構和外形的階段，所以還有諸多的問題需要解決，其中，一個非常重要的方面就是玻璃升降器推力中心點的確定，如果設計不合理，玻璃在運動中就會產生大的偏轉力矩，使其與橡膠導槽產生干涉，甚至發(fā)生卡滯。合適的推力中心點可以有效的減小玻璃運行過程中的阻力和偏轉力矩，降低噪音。

現(xiàn)在對于推力中心點具體設計的數(shù)值都是憑借國外的經驗數(shù)據(jù)以及自己的實驗數(shù)據(jù)，并不能說布置點一定準確。如果要找到推力中心點的最佳位置，使玻璃在運動時偏轉力矩最小，就要清楚玻璃在運動時的偏轉力矩隨推力中心點在玻璃上的位置變化的情況，這樣就要建立整體的玻璃升降器數(shù)學模型。本文基于matlab/simulink對玻璃的運動過程進行數(shù)學模型的建模仿真，根據(jù)各個過程的受力變化推導出推力中心點的最優(yōu)位置。

1、受力分析的基本思想及假設條件

1.1 基本思想

車窗玻璃的運動分為上升和下降兩個方面，每個方面大致可分為3個階段，分別為啟動、勻速和到達上下止點，起動階段，電機輸出大轉矩，并伴隨初始阻力（包括加速阻力）；勻速階段占據(jù)運動的大部分，包括玻璃進入水切導槽；停止階段從玻璃進入上下導槽開始，到電機堵轉。由于啟動和到達上下止點的兩個階段時間較短，本文僅對勻速運動階段做出計算分析。車窗玻璃運動過程的正面投影如圖1所示。

圖1 車窗玻璃運動過程正面投影

1.2 假設條件

由于影響其受力的因素過多，故需要對其進行簡化及假設。

假設一：玻璃的運動應該與車門的橡膠導槽完全吻合，沒有額外的干涉；

假設二： 玻璃的正壓力均勻分布于支撐其的導槽；

假設三：不計滑塊與導軌間的接觸阻力；

假設四：橡膠導槽的預緊力與摩擦系數(shù)不變，即不考慮橡膠的老化變性與門框的變形。

2、玻璃運動過程中的受力分析

玻璃在運動過程中，玻璃前部入槽長度、后部入槽長度以及水切槽重合長度都在不斷的變化，電機受到的阻力也跟著不斷的變化，同時由于推力中心點位置的選取原因，在前部導槽或者后部導槽處會產生偏轉力矩（前部導槽和后部導槽的偏轉力矩不會同時存在），偏轉力矩的變化會進一步影響阻力的變化，所以，對推力中心點的合理選擇對車窗玻璃運動過程中的阻力和偏轉力矩有重要的影響。

2.1 玻璃上升過程受力分析

玻璃在上升過程中的正面和側面的受力及力矩的示意圖分別如圖2和圖3。

圖2 玻璃上升階段正面受力及力矩示意圖

圖3 玻璃上升階段側面受力及力矩示意圖

如前面所述，圖中前、后導槽支反力在任意位置有且只會存在一種，相應的前、后導槽支反摩擦力以及力矩也只能存在其一。

由于僅對勻速運動作出分析，所以此時玻璃的加速度為0，力矩和也為0，根據(jù)這些關系，構造平衡方程：

正面投影沿豎直方向，可得到力的平衡方程：

正面投影對電機推力點取矩，可得到力矩的平衡方程：

玻璃側面的受力分析，僅考慮推力對玻璃與導槽的壓力變化，并且簡化模型，使導槽對玻璃壓力方向垂直于玻璃上下止點的連線，且摩擦力方向沿此連線。

側面投影沿水平方向，可得到力的平衡方程：

側面投影對曲率中心取矩，可得到力矩的平衡方程：

其中：m：重力作用點到玻璃曲率半徑中心點；

?N：橡膠導槽作用在玻璃上的均布載荷大小；

r：玻璃曲率半徑；

T：電機推力側面投影大小；

Lt：玻璃入槽長度總和。

2.2 玻璃下降過程受力分析

玻璃在下降過程中的正面和側面的受力及力矩的示意圖分別如圖4和圖5，玻璃在下降的過程中受力種類與上升時相似，部分力的方向與上升階段相反。

圖4 玻璃下降階段正面受力及力矩示意圖

圖5 玻璃下降階段側面受力及力矩示意圖

與上升階段相似，僅對勻速階段作出分析，同樣可以得出4個平衡方程（2.5）～（2.8）。

正面投影沿豎直方向，可得到力的平衡方程：

正面投影對電機推力點取矩，可得到力矩的平衡方程：

側面投影沿水平方向，可得到力的平衡方程：

側面投影對曲率中心取矩，可得到力矩的平衡方程：

3、基于simulink的建模仿真

基于公式（2.1）～（2.4）和（2.5）～（2.8）分別建立車窗玻璃在上升和下降階段的simulink模型，如圖6和圖7。

圖6 車窗玻璃上升階段simulink模型

圖7 車窗玻璃下降階段simulink模型

輸入相應的數(shù)據(jù)即可得到當推力中心點位于某一位置時，阻力和偏轉力矩的變化情況。

4、結果分析

以某公司某款玻璃升降器為例，探討推力中心點對玻璃運行過程中的阻力和偏轉力矩的影響。分別考慮推力中心點距離后導槽距離100mm、400mm和700mm三種情況中，電機推力和玻璃偏轉力矩隨時間變化的曲線，其中，取玻璃運行時間為3S，用玻璃的運行時間的變化代替玻璃行程的變化,把所得數(shù)據(jù)導入到simulink中后得出圖8～圖11，分析不同推力中心點位置而導致的力矩和力的不同即可對推力點的位置進行優(yōu)化。

4.1 上升階段結果分析

圖8 上升階段推力隨時間的變化

圖9 上升階段偏轉力矩隨時間的變化

觀察圖8～圖9可知，無論是電機推力還是偏轉力矩，當推力中心點距離后導槽 400mm所得的數(shù)據(jù)均優(yōu)于推力中心店距后導槽100mm和700mm兩個位置，其中，電機推力在 3個位置中的任何階段都小于其他兩個位置，偏轉力矩保持在0附近。

4.2 下降階段結果分析

圖10 下降階段推力隨時間的變化

圖11 下降階段偏轉力矩隨時間的變化

觀察圖10～圖11可知，推力中心點的位置對下降階段的電機推力沒太大的影響，這主要是玻璃下降時，玻璃重力提供了大部分的推力，電機甚至有時候會反轉，而偏轉力矩方面，推力中心點距后導槽 400mm 時，偏轉力矩明顯要小于其他兩個階段，要注意的是圖中的負號僅表示方向，不表示大小。

綜上分析，當推力中心點距離后導槽400mm 時從電機推力和偏轉力矩方面考慮，在上升和下降階段均優(yōu)于其他階段，當然，要找到最優(yōu)位置，還需要不斷地通過取不同的位置進行計算測試。

5、小結

以往玻璃升降器的產品設計中，由于試驗條件的限制以及計算量巨大，所測得數(shù)據(jù)往往是幾個關鍵點或者是極限點，這樣往往會造成很大的試驗誤差，而工程師在進行設計時也會放大其安全系數(shù)，這就造成了載荷的不準確，甚至錯誤，對于產品的最終設計會產生極大影響。

本文基于matlab/simulink建立玻璃升降器的受力數(shù)學模型分析模擬，可以得到足夠多的數(shù)據(jù)，保證了試驗數(shù)據(jù)的精確性，同時得到以下結論：

（1）matlab/simulink模塊在汽車上的應用，使得分析問題時更加直觀形象；

（2）在該仿真模型中，上升階段和下降階段由于受力方向的不同，所得的結果可能不會一致。

[1]周瑜瑾.汽車玻璃升降器設計研究[D].長沙：湖南大學,2011.9.

[2]劉彬.汽車玻璃升降器性能仿真分析[D].武漢：武漢理工大學,2012.5.

[3]陳會霞.汽車玻璃升降機的發(fā)展趨勢探究[J].企業(yè)導報,2013(11)：269-269.

[4]蔣斌.淺論汽車玻璃升降器的結構與發(fā)展[J].汽車技術.1996(10)：1-6.

Optimization of the thrust center point of glass elevator based on matlab/simulink

Yao Chen, Liu Jianguo, Zhan Tao
( Wuhan university of technology School of automotive engineering, Hubei Wuhan 430070 )

In this paper,the influence of the change of the position of the thrust center point of the glass elevator motor on the force of the glass rising and falling stage is studied, and to find out the optimal thrust center point to one kind of glass.First of all, in the process of window glass movement,positive projection and lateral projection of force balance analysis and moment equilibrium analysis are carried out;Second,through the matlab/simulink to establish a mathematical model to calculate the changes of the motor thrust and window deflection torque in three different motor thrust center position in the process of the movement for some glass;Finally,compare the graphics data respectively,to find the optimal thrust center point for a certain type of glass.

Glass elevator; thrust center point; mathematical model; simulink

U467.4

A

1671-7988 (2017)02-86-04

姚晨，碩士研究生，就讀于武漢理工大學汽車工程學院。

劉建國，副教授，博士，碩士研究生導師，就職于武漢理工大學汽車工程學院，主要研究領域為汽車電子。詹濤，就職于武漢理工大學汽車工程學院，主要研究領域為汽車電子。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.028