基于Matlab的玻璃升降系統輔助設計平臺開發

王明波，趙新民，屠清智

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基于Matlab的玻璃升降系統輔助設計平臺開發

王明波，趙新民，屠清智

（海馬汽車有限公司，河南 鄭州 450000）

文章首先建立了玻璃升降系統運動模型，對升降過程中的前后呢槽阻力、水切阻力、重力、推力及相應的轉矩推導全行程計算方程，并基于Matlab開發仿真模型和可視化平臺，最后采用該平臺輔助校核和設計實車玻璃升降系統，驗證了該平臺的可靠性。

推力；轉矩；可視化平臺；輔助校核和設計；可靠性

前言

在乘用車車門系統設計中，玻璃升降系統是設計的重點，但也是難點。因為玻璃升降系統包括玻璃、導軌、膠條、水切、升降器等，其涉及到汽車的密封性、耐久性、功能性、安全性等性能，直接影響乘客使用的舒適性、安全性和便利性。

玻璃升降系統涉及的參數多，且某些參數之間存在矛盾之處，如果相關設計參數選擇不當，非常容易造成玻璃升不到頂、升降過程偏斜、升降速度慢等[1,2]，進而可能影響汽車的密封性，出現漏雨、風噪大等問題，嚴重者會存在車內人身財物被盜的風險。玻璃升降系統設計是一個復雜繁瑣的過程，往往需要反復調整參數，多參數聯調，進行大量計算，以得到較為合適的值[3,4]。

本文基于Matlab軟件，開發交互式設計平臺，輔助玻璃升降系統的設計，通過計算過程的自動化和界面可視化，能夠方便實現設計參數的最優選擇，提高設計質量，縮短設計周期。同時可用于校核量產車型的玻璃升降系統，幫助發現設計不合理之處，輔助分析玻璃升降異常原因。

1 建立方程

1.1 玻璃升降系統

乘用車車窗玻璃通常為雙曲率，考慮在XY平面的曲率較小，為簡化分析，將玻璃和導軌形狀均假設為單曲率圓弧，其正面視圖和側面視圖及上升過程受力情況見圖1所示。以導軌圓心為原點，建立玻璃升降系統的模型：

式中：R為導軌和玻璃圓弧半徑。

1.2 升降力分析

玻璃上升過程中，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。為簡化分析，假設玻璃在整個升降運行過程中速度恒定。

1.2.1前呢槽摩擦力

首先計算前呢槽摩擦力1在XZ面的投影值：

式中：0為前導軌底端位置角；1為玻璃前沿頂端初始位置角；2為玻璃前沿底端初始位置角；3為前導軌頂端位置角；為上升角速度；1為前導軌呢槽每毫米阻抗值。

后呢槽的摩擦力計算2與1相似，不再做具體分析。

1.2.2水切摩擦力

下面計算水切對玻璃上升的阻力：

式中：為玻璃進入水切初始長度值；為前后導軌間距；為水切位置角；3為水切每毫米阻抗值。

1.2.3重力

重力在推力方向的分力為：

式中，為玻璃重力；為導軌的后傾角。

1.2.4推力

因假定上升過程中速度恒定，因此玻璃受力平衡，可得推力為：

式中：為推力點的位置角。下降過程分析計算方法與上升過程相同，不再做具體分析。

1.3 轉矩分析

玻璃上升過程中，受到的力均會產生力矩，從而導致玻璃產生一定的翻轉，假定順時針轉矩為正，逆時針轉矩為負，計算各個力產生的轉矩。

1.3.1前后呢槽的摩擦力矩

前呢槽的摩擦力矩：

式中：為前導軌與推力基準線距離；

后呢槽的摩擦力矩：

1.3.2水切的摩擦力矩

上升過程分為三個階段：1）玻璃與水切的交叉點在推力線后，2）玻璃與水切交叉點在推力線前，3）玻璃與水切完全接觸。每個階段水切摩擦力產生的力矩不同。

（12）

1.3.3重力矩

重力產生的力矩為：

式中：d為玻璃重心至前呢槽的距離。

1.3.4轉矩

玻璃受到的總力矩為：

2 仿真計算

2.1 仿真模型

基于Matlab-Simulink模塊，對玻璃升降系統建立仿真模型，如圖5所示：

圖5 仿真模型

2.2 可視化平臺

圖6 可視化仿真平臺

基于GUI可視化平臺如圖6，通過GUI模塊與Simulink聯調，實現輸入和輸出的可視化。

3 輔助校核和設計

3.1 校核量產車型

3.1.1玻璃升降系統

某車型在量產初期，玻璃升降異常問題市場反饋較多，該車型前門玻璃升降系統數模如圖7所示。

圖7 某量產車前門玻璃升降系統

某月份該前門升降系統的售后理賠數據如下圖8所示：

圖8 某月售后反饋問題

通過對大量實車觀察分析，前門確實存在較多問題。上降困難主要表現在上升無力、上升慢、升不到頂等。上升偏斜主要表現為上升過程中前傾、偏擺，甚至出現上升一半時，玻璃從B柱呢槽脫出，見下圖9。

圖9 玻璃從呢槽脫出

3.1.2升降系統校核

采用輔助設計平臺對該玻璃升降系統進行校核，將相關參數輸入可視化平臺中，如圖10所示。

圖10 玻璃升降系統校核

3.1.3結果分析

推力隨時間變化如下圖11所示。

圖11 推力隨時間變化曲線

根據推力值對電機選型進行校核，升降器的內阻設計值最大為60N，則電機理論上額定扭矩值應為：

式中，為升降器線輪直徑。該車型升降器電機的選定額定扭矩值為2.94N.m。因此，電機的選定扭矩值小于理論扭矩值，會導致升降無力、升降慢等問題。

玻璃上升過程中，所受轉矩隨時間變化如下圖12所示。

圖12 轉矩隨時間變化曲線

從圖中可以看出，玻璃上升過程中，初始階段合力矩為正，不會發生前傾，當上升到大約一半時，轉矩值開始由正變負，玻璃整體會出現前傾。理論校核結果與實際情況相符合。

3.2 新車型設計

3.2.1設計參數

在公司某車型玻璃升降系統的設計過程中，根據設計要求書，通過該平臺進行輔助優化設計，如圖13所示：

圖13 輔助設計過程

優化選擇的設計參數如表1-表3所示：

表1 玻璃和導軌位置角參數

表2 玻璃升降系統尺寸參數

表3 阻抗和推力線等其它參數

得到的玻璃升降系統數模如圖14所示。

3.2.2結果分析

該組參數計算得到的上升推力值如圖15所示，可以看出，上升推力曲線較平滑，無明顯波動，上升過程平穩，推力最大值為72.5N，滿足設計要求值，在此基礎上選擇電機額定轉矩值。

圖15 推力隨時間變化曲線

上升轉矩如圖16所示，整個上升過程，玻璃始終受到一個向后的翻轉力矩，理論上玻璃不會出現前傾的現象，并且該力值大小適中，玻璃也不會明顯后傾，不會造成B柱膠條磨損嚴重。

圖16 轉矩隨時間變化曲線

該車型自上市以來，市場反饋的玻璃升降異常問題較少，實際表現情況令人滿意，達到設計和開發目標。

3.3 驗證結果

采用該輔助設計平臺對某量產車型玻璃升降系統進行理論校核，發現電機扭矩選型偏小以及玻璃上升轉矩先正后負，與市場反饋的升降異常問題（如上升緩慢、上升無力、升不到頂和上升偏斜等）相吻合。同時采用該平臺輔助新車型開發，優化選擇設計參數，理論計算結果和上市后的實際表現均表明此平臺輔助選擇的玻璃升降系統設計參數值較優。

4 結論

本文建立了玻璃升降升降系統運動模型，對升降過程中的前后呢槽阻力、水切阻力、推力及相應的轉矩推導全過程計算方程，并基于Matlab建立Simulink仿真模型和GUI可視化平臺。通過校核量產車型和輔助設計新車玻璃升降系統，證明該玻璃升降輔助設計平臺有較高的準確性和可靠度，可以用于實際升降系統的輔助設計和校核。

[1] 張建偉,唐淳,俞燕.車門玻璃升降平順行性研究及應用[J].汽車實用技術,2015（4）:57-59.

[2] 佟炳勇,余坤.影響車門玻璃升降的原因分析[J].汽車工程師,2013（5）:46-49.

[3] 姚晨,劉建國,詹濤.基于matlab/simulink的玻璃升降器推力中心點優化設計[J].汽車實用技術,2017（1）:86-89.

[4] 周奇才,費紅偉,熊肖磊.乘用轎車電動玻璃升降器的系列化設計[J].機械設計與研究,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，就職于海馬汽車有限公司，碩士。研究方向：汽車開閉件設計；趙新民，就職于海馬汽車有限公司，高級工程師。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.044