基于Matlab的玻璃升降系统辅助设计平台开发

王明波，赵新民，屠清智



基于Matlab的玻璃升降系统辅助设计平台开发

王明波，赵新民，屠清智

（海马汽车有限公司，河南 郑州 450000）

文章首先建立了玻璃升降系统运动模型，对升降过程中的前后呢槽阻力、水切阻力、重力、推力及相应的转矩推导全行程计算方程，并基于Matlab开发仿真模型和可视化平台，最后采用该平台辅助校核和设计实车玻璃升降系统，验证了该平台的可靠性。

推力；转矩；可视化平台；辅助校核和设计；可靠性

前言

在乘用车车门系统设计中，玻璃升降系统是设计的重点，但也是难点。因为玻璃升降系统包括玻璃、导轨、胶条、水切、升降器等，其涉及到汽车的密封性、耐久性、功能性、安全性等性能，直接影响乘客使用的舒适性、安全性和便利性。

玻璃升降系统涉及的参数多，且某些参数之间存在矛盾之处，如果相关设计参数选择不当，非常容易造成玻璃升不到顶、升降过程偏斜、升降速度慢等[1,2]，进而可能影响汽车的密封性，出现漏雨、风噪大等问题，严重者会存在车内人身财物被盗的风险。玻璃升降系统设计是一个复杂繁琐的过程，往往需要反复调整参数，多参数联调，进行大量计算，以得到较为合适的值[3,4]。

本文基于Matlab软件，开发交互式设计平台，辅助玻璃升降系统的设计，通过计算过程的自动化和界面可视化，能够方便实现设计参数的最优选择，提高设计质量，缩短设计周期。同时可用于校核量产车型的玻璃升降系统，帮助发现设计不合理之处，辅助分析玻璃升降异常原因。

1 建立方程

1.1 玻璃升降系统

乘用车车窗玻璃通常为双曲率，考虑在XY平面的曲率较小，为简化分析，将玻璃和导轨形状均假设为单曲率圆弧，其正面视图和侧面视图及上升过程受力情况见图1所示。以导轨圆心为原点，建立玻璃升降系统的模型：

式中：R为导轨和玻璃圆弧半径。

1.2 升降力分析

玻璃上升过程中，主要受到前呢槽的摩擦力、后呢槽的摩擦力、水切的摩擦力、玻璃自身的重力以及玻璃升降器的推力。为简化分析，假设玻璃在整个升降运行过程中速度恒定。

1.2.1前呢槽摩擦力

首先计算前呢槽摩擦力1在XZ面的投影值：

式中：0为前导轨底端位置角；1为玻璃前沿顶端初始位置角；2为玻璃前沿底端初始位置角；3为前导轨顶端位置角；为上升角速度；1为前导轨呢槽每毫米阻抗值。

后呢槽的摩擦力计算2与1相似，不再做具体分析。

1.2.2水切摩擦力

下面计算水切对玻璃上升的阻力：

式中：为玻璃进入水切初始长度值；为前后导轨间距；为水切位置角；3为水切每毫米阻抗值。

1.2.3重力

重力在推力方向的分力为：

式中，为玻璃重力；为导轨的后倾角。

1.2.4推力

因假定上升过程中速度恒定，因此玻璃受力平衡，可得推力为：

式中：为推力点的位置角。下降过程分析计算方法与上升过程相同，不再做具体分析。

1.3 转矩分析

玻璃上升过程中，受到的力均会产生力矩，从而导致玻璃产生一定的翻转，假定顺时针转矩为正，逆时针转矩为负，计算各个力产生的转矩。

1.3.1前后呢槽的摩擦力矩

前呢槽的摩擦力矩：

式中：为前导轨与推力基准线距离；

后呢槽的摩擦力矩：

1.3.2水切的摩擦力矩

上升过程分为三个阶段：1）玻璃与水切的交叉点在推力线后，2）玻璃与水切交叉点在推力线前，3）玻璃与水切完全接触。每个阶段水切摩擦力产生的力矩不同。

（12）

1.3.3重力矩

重力产生的力矩为：

式中：d为玻璃重心至前呢槽的距离。

1.3.4转矩

玻璃受到的总力矩为：

2 仿真计算

2.1 仿真模型

基于Matlab-Simulink模块，对玻璃升降系统建立仿真模型，如图5所示：

图5 仿真模型

2.2 可视化平台

图6 可视化仿真平台

基于GUI可视化平台如图6，通过GUI模块与Simulink联调，实现输入和输出的可视化。

3 辅助校核和设计

3.1 校核量产车型

3.1.1玻璃升降系统

某车型在量产初期，玻璃升降异常问题市场反馈较多，该车型前门玻璃升降系统数模如图7所示。

图7 某量产车前门玻璃升降系统

某月份该前门升降系统的售后理赔数据如下图8所示：

图8 某月售后反馈问题

通过对大量实车观察分析，前门确实存在较多问题。上降困难主要表现在上升无力、上升慢、升不到顶等。上升偏斜主要表现为上升过程中前倾、偏摆，甚至出现上升一半时，玻璃从B柱呢槽脱出，见下图9。

图9 玻璃从呢槽脱出

3.1.2升降系统校核

采用辅助设计平台对该玻璃升降系统进行校核，将相关参数输入可视化平台中，如图10所示。

图10 玻璃升降系统校核

3.1.3结果分析

推力随时间变化如下图11所示。

图11 推力随时间变化曲线

根据推力值对电机选型进行校核，升降器的内阻设计值最大为60N，则电机理论上额定扭矩值应为：

式中，为升降器线轮直径。该车型升降器电机的选定额定扭矩值为2.94N.m。因此，电机的选定扭矩值小于理论扭矩值，会导致升降无力、升降慢等问题。

玻璃上升过程中，所受转矩随时间变化如下图12所示。

图12 转矩随时间变化曲线

从图中可以看出，玻璃上升过程中，初始阶段合力矩为正，不会发生前倾，当上升到大约一半时，转矩值开始由正变负，玻璃整体会出现前倾。理论校核结果与实际情况相符合。

3.2 新车型设计

3.2.1设计参数

在公司某车型玻璃升降系统的设计过程中，根据设计要求书，通过该平台进行辅助优化设计，如图13所示：

图13 辅助设计过程

优化选择的设计参数如表1-表3所示：

表1 玻璃和导轨位置角参数

表2 玻璃升降系统尺寸参数

表3 阻抗和推力线等其它参数

得到的玻璃升降系统数模如图14所示。

3.2.2结果分析

该组参数计算得到的上升推力值如图15所示，可以看出，上升推力曲线较平滑，无明显波动，上升过程平稳，推力最大值为72.5N，满足设计要求值，在此基础上选择电机额定转矩值。

图15 推力随时间变化曲线

上升转矩如图16所示，整个上升过程，玻璃始终受到一个向后的翻转力矩，理论上玻璃不会出现前倾的现象，并且该力值大小适中，玻璃也不会明显后倾，不会造成B柱胶条磨损严重。

图16 转矩随时间变化曲线

该车型自上市以来，市场反馈的玻璃升降异常问题较少，实际表现情况令人满意，达到设计和开发目标。

3.3 验证结果

采用该辅助设计平台对某量产车型玻璃升降系统进行理论校核，发现电机扭矩选型偏小以及玻璃上升转矩先正后负，与市场反馈的升降异常问题（如上升缓慢、上升无力、升不到顶和上升偏斜等）相吻合。同时采用该平台辅助新车型开发，优化选择设计参数，理论计算结果和上市后的实际表现均表明此平台辅助选择的玻璃升降系统设计参数值较优。

4 结论

本文建立了玻璃升降升降系统运动模型，对升降过程中的前后呢槽阻力、水切阻力、推力及相应的转矩推导全过程计算方程，并基于Matlab建立Simulink仿真模型和GUI可视化平台。通过校核量产车型和辅助设计新车玻璃升降系统，证明该玻璃升降辅助设计平台有较高的准确性和可靠度，可以用于实际升降系统的辅助设计和校核。

[1] 张建伟,唐淳,俞燕.车门玻璃升降平顺行性研究及应用[J].汽车实用技术,2015（4）:57-59.

[2] 佟炳勇,余坤.影响车门玻璃升降的原因分析[J].汽车工程师,2013（5）:46-49.

[3] 姚晨,刘建国,詹涛.基于matlab/simulink的玻璃升降器推力中心点优化设计[J].汽车实用技术,2017（1）:86-89.

[4] 周奇才,费红伟,熊肖磊.乘用轿车电动玻璃升降器的系列化设计[J].机械设计与研究,2011（6）:95-98.

The Development of Aided Design Platform of Glass Lifting System Based on Matlab

Wang Mingbo, Zhao Xinmin, Tu Qingzhi

（Haima Car Co., Ltd., Henan Zhengzhou 450000 )

The motion model of the glass lifting system is established firstly,and then the formula of resistance and rotation of front guide sealing strip,rear guide sealing strip and weather strip is obtained respectively during the whole lifting and dropping process of glass,at the same time the thrust and the total rotation are also get.Then the simulation model and visual platform are developed based on Matlab,the platform is used to aid check and design real glass lifting system to demonstrate the reliability of if Finally.

Thrust; Rotation; Visual Platform; Aided Check and Design; Reliability

A

1671-7988(2019)05-143-05

U463

A

1671-7988(2019)05-143-05

U463

王明波，就职于海马汽车有限公司，硕士。研究方向：汽车开闭件设计；赵新民，就职于海马汽车有限公司，高级工程师。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.044