點(diǎn)陣式車窗玻璃力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)及其試驗(yàn)研究*

吳浩鑫,聶曉根,林鴻穎,吳寧鈺

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)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(gè)重要功能部件。車門設(shè)計(jì)成為汽車車身設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)是汽車玻璃沿著玻璃導(dǎo)槽,通過驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)玻璃升起或下降的過程[1]。就車窗玻璃的設(shè)計(jì)而言,當(dāng)今的乘用車設(shè)計(jì),追求以曲為美,車窗玻璃外形越來越多地被設(shè)計(jì)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(gè)升降過程中車窗玻璃運(yùn)動(dòng)的平順性、可靠性以及許多關(guān)系到人機(jī)工程學(xué)的附屬功能[2]。因此,對(duì)車窗玻璃運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)開展測(cè)試和分析很有必要。

當(dāng)今對(duì)車窗玻璃運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)的分析主要是通過仿真方法進(jìn)行,通過計(jì)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(duì)防夾控制算法與車窗玻璃升降的功能性和可靠性進(jìn)行了離線仿真驗(yàn)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(duì)車窗玻璃運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化問題,高大威[5]利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(shí)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(duì)車窗玻璃進(jìn)行分析外,也離不開必要的實(shí)物試驗(yàn),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(jìn)行耐久性試驗(yàn)等。同時(shí)受CAE軟件功能所限以及模擬車門并非實(shí)際工況,得出的試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)性需要驗(yàn)證,這些都需要開展實(shí)物試驗(yàn)。而現(xiàn)有的車窗玻璃力學(xué)性能檢測(cè)裝置存在著操作不便、工作效率低、適用范圍有局限性、檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)度不高的缺點(diǎn)。目前,一般的做法是使用示波器測(cè)量電機(jī)的工作電流來反映升降過程電機(jī)功率變化,無法直接體現(xiàn)在升降力變化上,雖測(cè)試方便但信號(hào)處理難、易失真。

為此,本研究構(gòu)建車窗玻璃力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái),并進(jìn)行車窗玻璃與摩擦條之間摩擦系數(shù)的測(cè)定試驗(yàn);同時(shí)就門槽間隙、車窗玻璃偏載對(duì)車門運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性影響方面進(jìn)行試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于汽車車門多為雙曲率空間曲面,車門的運(yùn)動(dòng)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(yàn)臺(tái)需設(shè)計(jì)成門槽可調(diào)的裝置。受點(diǎn)陣成形模具啟發(fā),將車窗玻璃導(dǎo)向槽設(shè)計(jì)為位置和長度均可調(diào)節(jié)的點(diǎn)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(jìn)行調(diào)節(jié),適應(yīng)不同車門的驗(yàn)證需求,點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)還可適應(yīng)車窗玻璃導(dǎo)向槽間距對(duì)車窗玻璃運(yùn)動(dòng)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(jì)的四軸數(shù)字控制車窗玻璃力學(xué)性能試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 四軸數(shù)控車窗玻璃力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)

圖1中，該平臺(tái)臺(tái)架采用40×40鋁型材為框架材料,試驗(yàn)臺(tái)架尺寸滿足待測(cè)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(tái),調(diào)節(jié)平臺(tái)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(jī)驅(qū)動(dòng)。

通過鋼絲繩拉動(dòng)車窗玻璃運(yùn)動(dòng),繩索中間安裝有測(cè)力傳感器,鋼絲繩纏繞在繞線轉(zhuǎn)盤上,伺服電機(jī)接受控制系統(tǒng)指令帶動(dòng)繞線轉(zhuǎn)盤運(yùn)動(dòng),可模擬車門的各種運(yùn)動(dòng)；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(yàn)證的需要。

臺(tái)架可用來檢測(cè)玻璃升降器的各項(xiàng)性能,如摩擦特性、力學(xué)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和耐久試驗(yàn)等。

1.2 原理平臺(tái)的搭建

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

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

圖2 原理平臺(tái)

原理平臺(tái)通過鋁型材直角件快速安裝在鋁型材臺(tái)架上,臺(tái)架導(dǎo)向槽起點(diǎn)與終點(diǎn)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(hào)變送器組成,實(shí)時(shí)傳遞拉力數(shù)值給上位機(jī)。卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、減速器、主線盤、從線盤、基座等組成,伺服電機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)化后,通過型材和連接件進(jìn)行構(gòu)建,大幅簡(jiǎn)化了本體的開發(fā)工作,對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)工作主要集中在驅(qū)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)測(cè)量方面。平臺(tái)采用臺(tái)達(dá)DVP-12SA2型PLC作為運(yùn)動(dòng)控制主控器,而數(shù)據(jù)測(cè)量方面系統(tǒng)采用了DAYSENSOR S型高精度拉力傳感器+歐路達(dá)高精度數(shù)字重量變送器TDA-04構(gòu)建了測(cè)力系統(tǒng),TDA-04數(shù)字稱重變送器是蘇州歐路達(dá)自動(dòng)化設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)的高精度重量測(cè)量?jī)x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(tái)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,筆者設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)控制和稱量數(shù)據(jù)檢測(cè)和保存。與臺(tái)達(dá)DVP-12SA2型PLC配套的編程軟件是WPLSoft編程軟件,WPLSoft為臺(tái)達(dá)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(jī)界面使用臺(tái)達(dá)電子人機(jī)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(tái)人機(jī)界面如圖4所示。

該界面可以讓點(diǎn)陣式車窗玻璃力學(xué)性能測(cè)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(yàn)的準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)艙內(nèi)溫升忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)室溫度保持在20 ℃至25 ℃之間,環(huán)境溫度對(duì)材料的影響忽略不計(jì)。

根據(jù)汽車行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)[8]和企業(yè)需求,在滿足假定條件下,對(duì)以下性能開展檢測(cè)試驗(yàn):

(1)摩擦系數(shù)測(cè)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(cè)試

試驗(yàn)中分別對(duì)絨布與車窗玻璃、橡膠與車窗玻璃的摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)過程為:按室溫在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行摩擦系數(shù)試驗(yàn),玻璃移動(dòng)速度為0.015 m/s,電機(jī)轉(zhuǎn)速為4.69 r/min,采集頻率為10 次/s。

通過改變負(fù)載,測(cè)試出摩擦力及摩擦系數(shù),得出的兩種材料不同負(fù)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(fù)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(shì)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(xiàn)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(qiáng)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(xiàn)可知，在類似的運(yùn)動(dòng)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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 重心偏移特性測(cè)試

為了進(jìn)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(yùn)動(dòng)過程中振動(dòng)的產(chǎn)生,需尋求其變化規(guī)律。該項(xiàng)目測(cè)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(duì)其運(yùn)動(dòng)性能的影響特性。

車窗玻璃升降運(yùn)動(dòng)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(shí)刻發(fā)生變化；同時(shí)，由于推力中心點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩,偏轉(zhuǎn)力矩的變化會(huì)進(jìn)一步加劇阻力的波動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生更大的振動(dòng)。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(yàn)裝置上進(jìn)行偏載摩擦力試驗(yàn),設(shè)定玻璃移動(dòng)速度為0.015 m/s，電機(jī)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(jìn)行試驗(yàn),經(jīng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集剔除整理后,得到在不同偏載下各接觸壓強(qiáng)的摩擦力如表1所示。

表1 不同偏載下各接觸壓強(qiáng)的摩擦力(左偏)

設(shè)偏離重心位置為影響因素A,有6個(gè)水平,設(shè)接觸壓強(qiáng)為影響因素B,有5個(gè)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(yàn)p值都遠(yuǎn)小于0.01,因此認(rèn)為不同的接觸壓強(qiáng)和偏移位移對(duì)車窗玻璃所受的摩擦力有顯著的影響。因試驗(yàn)所用玻璃對(duì)稱,只需討論重心往一側(cè)偏移的情況,建立在試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)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(yàn)中最大偏差可以達(dá)到3.05 N。通過試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)過程中存在偏轉(zhuǎn)力矩,在運(yùn)動(dòng)過程中偏轉(zhuǎn)力矩可以抵消部分摩擦力。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上看,當(dāng)玻璃接觸壓強(qiáng)為4.986 kPa時(shí),將載荷放置于正中并用繩索拉動(dòng)玻璃時(shí),平臺(tái)測(cè)得的摩擦力為7.92 N；當(dāng)將重物往左相對(duì)偏置30 mm后，同樣的接觸壓強(qiáng)情形下摩擦力為7.73 N。

在多次改變接觸壓強(qiáng)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(jì)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(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)采用相對(duì)小的拉力就可拉動(dòng)玻璃。

2.4 導(dǎo)向槽間隙特性測(cè)試

在運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)確性也會(huì)變差。因此，通過實(shí)物試驗(yàn)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(yàn):按室溫在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行偏載摩擦力試驗(yàn),玻璃厚度4.8 mm,玻璃移動(dòng)速度為0.015 m/s；電機(jī)轉(zhuǎn)速為4.69 r/min,采集頻率為100 ms/次；試驗(yàn)過程中只改變其間隙,未加其他任何負(fù)載,檢測(cè)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(dòng),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(gè)過程中逐漸減小。根據(jù)查閱的文獻(xiàn)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(shí),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(duì)轎車的實(shí)際測(cè)量,其導(dǎo)向槽的間隙也在6 mm～8 mm之間。

3 玻璃抖動(dòng)試驗(yàn)分析

玻璃在運(yùn)動(dòng)過程中抖動(dòng)情況時(shí)有發(fā)生,對(duì)車窗玻璃運(yùn)行過程中產(chǎn)生抖動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)和分析很有必要。

筆者將上一部分實(shí)驗(yàn)過程中提取出所有存在抖動(dòng)的實(shí)驗(yàn)部分,繪制出的抖動(dòng)試驗(yàn)曲線圖,如圖8所示。

圖8 抖動(dòng)試驗(yàn)曲線圖

據(jù)此,分析引起玻璃抖動(dòng)產(chǎn)生的原因主要有:

(1)在滿足玻璃與絨布保證相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過程中,在7 N～20 N范圍內(nèi),摩擦力越大,玻璃抖動(dòng)幅度越大;

(2)在滿足玻璃與絨布保證相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,只要有偏移量,必然有劇烈抖動(dòng),且偏載位移越大,抖動(dòng)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(diǎn)陣式車窗玻璃力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái),該平臺(tái)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(gè)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(diǎn)陣式車窗玻璃力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái),本研究自主開發(fā)了伺服控制和在線測(cè)量程序,利用組建的原理平臺(tái)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(yàn),并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)引起車窗玻璃抖動(dòng)的具體參數(shù)進(jìn)行了分析,為車窗玻璃運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了指導(dǎo)建議。