吳浩鑫,聶曉根,林鴻穎,吳寧鈺

(福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院,福建 福州 350108)

0 引 言

汽車車身是整車的重要組成部分,而車門又是車身的一個重要功能部件。車門設(shè)計成為汽車車身設(shè)計的重要組成部分。

作為車門的主要附件,車窗玻璃升降系統(tǒng)是汽車使用頻率最高的部件之一,車窗玻璃的運動是汽車玻璃沿著玻璃導(dǎo)槽,通過驅(qū)動力實現(xiàn)玻璃升起或下降的過程[1]。就車窗玻璃的設(shè)計而言,當(dāng)今的乘用車設(shè)計,追求以曲為美,車窗玻璃外形越來越多地被設(shè)計成雙曲率曲面,除與車身外形匹配和安全需要的美觀性、密封性以外,還要保證在整個升降過程中車窗玻璃運動的平順性、可靠性以及許多關(guān)系到人機工程學(xué)的附屬功能[2]。因此,對車窗玻璃運動系統(tǒng)開展測試和分析很有必要。

當(dāng)今對車窗玻璃運動性能參數(shù)的分析主要是通過仿真方法進行,通過計算出在理想環(huán)境下的數(shù)據(jù),得出相關(guān)參數(shù)。例如:劉建國等學(xué)者[3]利用Simulink建立了系統(tǒng)模型,對防夾控制算法與車窗玻璃升降的功能性和可靠性進行了離線仿真驗證;在靜載性能參數(shù)方面,有潘云艷等學(xué)者[4]利用有限元法建立了車窗玻璃有限元模型,分析了在不同壓力載荷下,車窗玻璃不同位置的撓度變化以及應(yīng)力分布;針對車窗玻璃運動的優(yōu)化問題,高大威[5]利用數(shù)學(xué)模型進行了仿真分析,基于鼓形面擬合雙曲率車窗玻璃的原理,提出了基于雙曲率玻璃參數(shù)化模型的優(yōu)化方法。

實際生產(chǎn)中,車門及車窗玻璃開發(fā)除了應(yīng)用仿真軟件對車窗玻璃進行分析外,也離不開必要的實物試驗,如車窗玻璃與導(dǎo)向條的物理性能與材料有關(guān),新材料的應(yīng)用需要獲得相關(guān)物理性能參數(shù),車窗玻璃升降器需要進行耐久性試驗等。同時受CAE軟件功能所限以及模擬車門并非實際工況,得出的試驗結(jié)果真實性需要驗證,這些都需要開展實物試驗。而現(xiàn)有的車窗玻璃力學(xué)性能檢測裝置存在著操作不便、工作效率低、適用范圍有局限性、檢測結(jié)果精準度不高的缺點。目前,一般的做法是使用示波器測量電機的工作電流來反映升降過程電機功率變化,無法直接體現(xiàn)在升降力變化上,雖測試方便但信號處理難、易失真。

為此,本研究構(gòu)建車窗玻璃力學(xué)性能測試平臺,并進行車窗玻璃與摩擦條之間摩擦系數(shù)的測定試驗;同時就門槽間隙、車窗玻璃偏載對車門運動平穩(wěn)性影響方面進行試驗。

1 試驗臺簡介

1.1 試驗平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于汽車車門多為雙曲率空間曲面,車門的運動被約束至空間門槽中,不同的車門其玻璃和門槽形狀各不相同[6-7],要求試驗臺需設(shè)計成門槽可調(diào)的裝置。受點陣成形模具啟發(fā),將車窗玻璃導(dǎo)向槽設(shè)計為位置和長度均可調(diào)節(jié)的點陣結(jié)構(gòu)。車窗玻璃導(dǎo)向槽可根據(jù)玻璃大小和形狀進行調(diào)節(jié),適應(yīng)不同車門的驗證需求,點陣結(jié)構(gòu)還可適應(yīng)車窗玻璃導(dǎo)向槽間距對車窗玻璃運動性能的研究,為車窗玻璃導(dǎo)向槽間距合理選擇提供技術(shù)支撐。

筆者設(shè)計的四軸數(shù)字控制車窗玻璃力學(xué)性能試驗平臺如圖1所示。

圖1 四軸數(shù)控車窗玻璃力學(xué)性能測試平臺

圖1中，該平臺臺架采用40×40鋁型材為框架材料,試驗臺架尺寸滿足待測車型的最大車窗玻璃的尺寸,結(jié)構(gòu)緊湊,造型采用方正柜式。左上部安裝有車窗玻璃導(dǎo)向槽定位模塊調(diào)節(jié)平臺,調(diào)節(jié)平臺為三軸結(jié)構(gòu),中部為可調(diào)的玻璃導(dǎo)向槽定位模塊,玻璃導(dǎo)向槽由上、下兩排定位模塊調(diào)節(jié)而成,為此玻璃導(dǎo)向槽定位模塊支座需做180°的回轉(zhuǎn),右側(cè)為模擬玻璃升降器,模擬玻璃升降器由伺服電機驅(qū)動。

通過鋼絲繩拉動車窗玻璃運動,繩索中間安裝有測力傳感器,鋼絲繩纏繞在繞線轉(zhuǎn)盤上,伺服電機接受控制系統(tǒng)指令帶動繞線轉(zhuǎn)盤運動,可模擬車門的各種運動；通過調(diào)節(jié)玻璃導(dǎo)向槽定位模塊,形成玻璃導(dǎo)向槽,適應(yīng)不同形狀、尺寸車門驗證的需要。

臺架可用來檢測玻璃升降器的各項性能,如摩擦特性、力學(xué)、運動規(guī)律和耐久試驗等。

1.2 原理平臺的搭建

由于筆者進行的是與摩擦特性有關(guān)的試驗,忽略邊緣接觸的微小曲率,使用平玻璃進行試驗。

根據(jù)合作公司提供的檢測樣件,同時考慮平臺制作周期及成本因素,筆者制作的原理平臺如圖2所示。

圖2 原理平臺

原理平臺通過鋁型材直角件快速安裝在鋁型材臺架上,臺架導(dǎo)向槽起點與終點位置裝有接近開關(guān),數(shù)據(jù)線采用快插接頭,方便快速裝拆、組合。數(shù)據(jù)采集裝置由拉力傳感器、數(shù)字信號變送器組成,實時傳遞拉力數(shù)值給上位機。卷揚機構(gòu)由伺服電機、減速器、主線盤、從線盤、基座等組成,伺服電機直接與減速器相連,并固定在基座上,再通過聯(lián)軸器與主線盤相連,從線盤由主線盤通過鋼絲繩的摩擦力帶動轉(zhuǎn)動。

試驗臺簡化后,通過型材和連接件進行構(gòu)建,大幅簡化了本體的開發(fā)工作,對試驗臺的開發(fā)工作主要集中在驅(qū)動控制和數(shù)據(jù)測量方面。平臺采用臺達DVP-12SA2型PLC作為運動控制主控器,而數(shù)據(jù)測量方面系統(tǒng)采用了DAYSENSOR S型高精度拉力傳感器+歐路達高精度數(shù)字重量變送器TDA-04構(gòu)建了測力系統(tǒng),TDA-04數(shù)字稱重變送器是蘇州歐路達自動化設(shè)備有限公司設(shè)計的高精度重量測量儀器,該儀器采用了DELTA-SIGMA模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波處理技術(shù)。

為保證平臺試驗的準確性,筆者設(shè)計的控制系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖

軟件部分包括伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制和稱量數(shù)據(jù)檢測和保存。與臺達DVP-12SA2型PLC配套的編程軟件是WPLSoft編程軟件,WPLSoft為臺達DVP系列PLC產(chǎn)品提供的專用編輯軟件,主要在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用。而其上位機界面使用臺達電子人機軟件DOPsoft制作,DOPsoft整合了以往ScreenEditor具有的元件及功能,并向上提升軟件在使用上的便利性、快捷性以及元件規(guī)劃上的彈性。

筆者規(guī)劃的仿真平臺人機界面如圖4所示。

該界面可以讓點陣式車窗玻璃力學(xué)性能測試系統(tǒng)在操作上更加地便利快捷,滿足了多功能系統(tǒng)操作的精度及速度要求,提高了試驗的準確性。

2 試驗研究及結(jié)果分析

2.1 試驗假設(shè)

由于影響摩擦系數(shù)的因素眾多,在數(shù)據(jù)處理時做出如下假設(shè):

(1)假設(shè)玻璃為剛性平面,不考慮表面粗糙度的影響(玻璃由合作企業(yè)提供);

(2)假設(shè)絨布條表面質(zhì)地也為均勻(絨布條、水切材料由合作企業(yè)提供);

(3)假設(shè)玻璃在摩擦過程中,接觸面的變形相同,即滑塊與地面間的摩擦面積和變形在各種壓力、速度下都相同;

(4)由摩擦產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致實驗艙內(nèi)溫升忽略不計。實驗在室內(nèi)進行,實驗室溫度保持在20 ℃至25 ℃之間,環(huán)境溫度對材料的影響忽略不計。

根據(jù)汽車行業(yè)國家標準[8]和企業(yè)需求,在滿足假定條件下,對以下性能開展檢測試驗:

(1)摩擦系數(shù)測試。包含絨布摩擦系數(shù)、橡膠摩擦系數(shù)以及包含絨布的橡膠條摩擦系數(shù);

(2)重心偏移特性。在玻璃偏移中心位置加重物后可使玻璃的重心位置偏移,研究當(dāng)重心分別向左、右偏移后摩擦力大小改變的情況;

(3)導(dǎo)向槽間隙特性。研究間隙與玻璃升降力之間的關(guān)系曲線。

2.2 車窗玻璃摩擦特性測試

試驗中分別對絨布與車窗玻璃、橡膠與車窗玻璃的摩擦系數(shù)進行測量。試驗過程為:按室溫在試驗裝置上進行摩擦系數(shù)試驗,玻璃移動速度為0.015 m/s,電機轉(zhuǎn)速為4.69 r/min,采集頻率為10 次/s。

通過改變負載,測試出摩擦力及摩擦系數(shù),得出的兩種材料不同負載下的摩擦力和摩擦系數(shù)曲線如圖5所示。

圖5 兩種材料不同負載下的摩擦力和摩擦系數(shù)曲線

從圖5可知,摩擦系數(shù)隨載荷的增大而不斷減小;且隨著載荷的增大,摩擦系數(shù)減小的趨勢逐漸放緩。車窗玻璃與橡膠接觸主要發(fā)生在車窗玻璃水切條位置,根據(jù)有效文獻查得車窗玻璃水切條施加的阻力一般為22 N～24 N[9],根據(jù)公式P=F/A,A=6.3×10-2m2,換算為接觸壓強為5 kPa～6 kPa。故絨布材料有效的摩擦系數(shù)在0.267～0.3之間取得,橡膠材料有效的摩擦系數(shù)在1.203～1.237之間取得。

由相關(guān)文獻可知，在類似的運動條件下,車窗玻璃與玻璃導(dǎo)槽里的絨布材料以及橡膠材料的摩擦系數(shù)分別為0.3以及1.23[10],該結(jié)果可說明試驗結(jié)果的準確性。

2.3 重心偏移特性測試

為了進一步了解摩擦力與載荷位置的變化規(guī)律,減少或避免車門運動過程中振動的產(chǎn)生,需尋求其變化規(guī)律。該項目測試原理是在玻璃不同位置加載使玻璃重心位置發(fā)生偏移,研究當(dāng)重心分別向左右偏移后摩擦力大小改變的情況,獲取變載荷對其運動性能的影響特性。

車窗玻璃升降運動過程中,由于玻璃的前端入槽長度、后端入槽長度以及水切槽重合長度都在不斷地變化,受力情況也是時刻發(fā)生變化；同時，由于推力中心點位置與車窗玻璃質(zhì)心不重合,在前部導(dǎo)槽或者后部導(dǎo)槽處會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩,偏轉(zhuǎn)力矩的變化會進一步加劇阻力的波動,進而產(chǎn)生更大的振動。由于玻璃上升下降情況受力復(fù)雜,排除無關(guān)變量后,只探討在改變其重心位置后與摩擦力之間的變化關(guān)系。

本研究按室溫在試驗裝置上進行偏載摩擦力試驗,設(shè)定玻璃移動速度為0.015 m/s，電機轉(zhuǎn)速為4.69 r/min,采集頻率為100 ms/次。

筆者設(shè)置玻璃在不同偏載下進行試驗,經(jīng)對試驗數(shù)據(jù)采集剔除整理后,得到在不同偏載下各接觸壓強的摩擦力如表1所示。

表1 不同偏載下各接觸壓強的摩擦力(左偏)

設(shè)偏離重心位置為影響因素A,有6個水平,設(shè)接觸壓強為影響因素B,有5個水平,通過無交互作用的雙因素方差分析。

用MATLAB軟件得到的摩擦力方差分析表如表2所示。

表2 無交互作用的摩擦力方差分析表

由表2可知:取顯著性水平α=0.01,由分析表可知,檢驗p值都遠小于0.01,因此認為不同的接觸壓強和偏移位移對車窗玻璃所受的摩擦力有顯著的影響。因試驗所用玻璃對稱,只需討論重心往一側(cè)偏移的情況,建立在試驗有效的基礎(chǔ)上,此處探討重心左側(cè)偏移情形。

不同偏載下同一接觸壓強的摩擦力變化曲線如圖6所示。

圖6 不同偏載下同一接觸壓強的摩擦力變化曲線

綜上可知,摩擦力隨偏載位移的增大而增大,試驗中最大偏差可以達到3.05 N。通過試驗可以得出:在適當(dāng)?shù)馗淖冚d荷放置位地情況下,重心偏移的過程中相比于初始位置,摩擦力是先減小后變大,這一規(guī)律是由于玻璃在運動過程中存在偏轉(zhuǎn)力矩,在運動過程中偏轉(zhuǎn)力矩可以抵消部分摩擦力。

從實驗數(shù)據(jù)上看,當(dāng)玻璃接觸壓強為4.986 kPa時,將載荷放置于正中并用繩索拉動玻璃時,平臺測得的摩擦力為7.92 N；當(dāng)將重物往左相對偏置30 mm后，同樣的接觸壓強情形下摩擦力為7.73 N。

在多次改變接觸壓強之后，摩擦力的變化情形幾乎相同,于是可以得出在玻璃設(shè)計的過程中,可以根據(jù)偏轉(zhuǎn)力矩的方向改變重心的位置,可實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)采用相對小的拉力就可拉動玻璃。

2.4 導(dǎo)向槽間隙特性測試

在運動中，車窗玻璃與導(dǎo)向槽的摩擦力大小,除了與摩擦系數(shù)有關(guān)外,還與導(dǎo)向槽間距關(guān)系重大。通常在車窗玻璃導(dǎo)向槽中布置有橡膠或絨布等減振材料,車窗玻璃與導(dǎo)向槽的接觸為非彈性元件。在這種情況下，使用有限元分析變得困難,仿真結(jié)果的準確性也會變差。因此，通過實物試驗研究導(dǎo)向槽間隙與玻璃升降力之間的關(guān)系最為有效。

筆者安排如下試驗:按室溫在試驗裝置上進行偏載摩擦力試驗,玻璃厚度4.8 mm,玻璃移動速度為0.015 m/s；電機轉(zhuǎn)速為4.69 r/min,采集頻率為100 ms/次；試驗過程中只改變其間隙,未加其他任何負載,檢測摩擦力變化情況。

玻璃在與導(dǎo)向槽摩擦的過程中導(dǎo)向槽的間隙改變,必然影響玻璃與導(dǎo)向槽的摩擦力,從而影響導(dǎo)向槽和升降器的使用壽命。使用中希望獲得導(dǎo)向槽間距既能保證玻璃在導(dǎo)向槽內(nèi)上升下降的過程中避免振動,又能滿足玻璃穩(wěn)定地上升下降。

筆者通過調(diào)節(jié)導(dǎo)向槽的間隙,獲得在不同間隙下的摩擦力數(shù)值,繪制出不同導(dǎo)向槽間隙下的摩擦力曲線,如圖7所示。

通過圖7可知,在6.90 mm處,玻璃與上導(dǎo)向槽完全脫離接觸,摩擦力的數(shù)值從43.27 N下降至3.19 N,摩擦力在這個過程中逐漸減小。根據(jù)查閱的文獻可知，導(dǎo)向槽的摩擦力在7 N～12 N之間[11],于是可以得到間隙在6.65 mm～6.75 mm之間時,既可以支持玻璃的升降，又可以保證絨布的使用壽命。

圖7 不同導(dǎo)向槽間隙下的摩擦力曲線

而在通過對轎車的實際測量,其導(dǎo)向槽的間隙也在6 mm～8 mm之間。

3 玻璃抖動試驗分析

玻璃在運動過程中抖動情況時有發(fā)生,對車窗玻璃運行過程中產(chǎn)生抖動進行試驗和分析很有必要。

筆者將上一部分實驗過程中提取出所有存在抖動的實驗部分,繪制出的抖動試驗曲線圖,如圖8所示。

圖8 抖動試驗曲線圖

據(jù)此,分析引起玻璃抖動產(chǎn)生的原因主要有:

(1)在滿足玻璃與絨布保證相對運動的過程中,在7 N～20 N范圍內(nèi),摩擦力越大,玻璃抖動幅度越大;

(2)在滿足玻璃與絨布保證相對運動的過程中,并且作用載荷放置位置完全落在玻璃上,即在偏移范圍0 mm～150 mm內(nèi),選取0 mm、30 mm、60 mm、90 mm、120 mm、150 mm的實驗結(jié)果可以得出,只要有偏移量,必然有劇烈抖動,且偏載位移越大,抖動程度變化率越大。

根據(jù)以上出現(xiàn)的情況,應(yīng)盡量避免車窗玻璃導(dǎo)向槽配合過緊,避免出現(xiàn)較大的玻璃裝配誤差以及合理布置繩索安裝位置,避免出現(xiàn)重心大尺度偏移。

4 結(jié)束語

本研究構(gòu)建了一種點陣式車窗玻璃力學(xué)性能測試平臺,該平臺可以擬合各種不同表面曲率的車窗玻璃的工作情況,可以模擬多種形狀各異的玻璃升降過程的受力情況,并且其可以通過調(diào)節(jié)單個夾緊桿高度來調(diào)節(jié)橡膠條的夾緊力,操作方便。

基于構(gòu)建的點陣式車窗玻璃力學(xué)性能測試平臺,本研究自主開發(fā)了伺服控制和在線測量程序,利用組建的原理平臺開展了車窗玻璃摩擦特性、重心偏移特性、導(dǎo)向槽間隙特性等試驗,并對試驗數(shù)據(jù)進行了分析,從而獲得了車窗玻璃力學(xué)仿真所需的摩擦特性參數(shù)和相關(guān)特性規(guī)律;還對引起車窗玻璃抖動的具體參數(shù)進行了分析,為車窗玻璃運動系統(tǒng)設(shè)計提出了指導(dǎo)建議。