基于matlab/simulink的玻璃升降器推力中心点优化设计

姚晨，刘建国，詹涛

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

基于matlab/simulink的玻璃升降器推力中心点优化设计

姚晨，刘建国，詹涛

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

文章研究了玻璃升降器电机推力中心点位置的变化对车窗玻璃上升和下降阶段力的变化的影响，并以此找出对于某款玻璃最优的推力中心点。首先，对车窗玻璃运动过程中，正面投影和侧面投影进行力的平衡分析和力矩的平衡分析；其次，通过matlab/simulink建立数学模型计算出某款玻璃在电机3个不同的推力中心点位置时的运动过程中电机推力的变化和车窗偏转力矩的变化；最后，分别比较得到的图形数据，找到对于某款玻璃而言的最优推力中心点。

玻璃升降器；推力中心点；数学模型；simulink

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

前言

玻璃升降器是车门系统中非常重要的车门附件，它的主要功能是实现玻璃的升降，方便驾驶者和乘客的使用，对驾驶体验有着重要的影响。但是，由于我国玻璃升降器起步晚，设计方法落后，基本处于临摹国外玻璃升降器结构和外形的阶段，所以还有诸多的问题需要解决，其中，一个非常重要的方面就是玻璃升降器推力中心点的确定，如果设计不合理，玻璃在运动中就会产生大的偏转力矩，使其与橡胶导槽产生干涉，甚至发生卡滞。合适的推力中心点可以有效的减小玻璃运行过程中的阻力和偏转力矩，降低噪音。

现在对于推力中心点具体设计的数值都是凭借国外的经验数据以及自己的实验数据，并不能说布置点一定准确。如果要找到推力中心点的最佳位置，使玻璃在运动时偏转力矩最小，就要清楚玻璃在运动时的偏转力矩随推力中心点在玻璃上的位置变化的情况，这样就要建立整体的玻璃升降器数学模型。本文基于matlab/simulink对玻璃的运动过程进行数学模型的建模仿真，根据各个过程的受力变化推导出推力中心点的最优位置。

1、受力分析的基本思想及假设条件

1.1 基本思想

车窗玻璃的运动分为上升和下降两个方面，每个方面大致可分为3个阶段，分别为启动、匀速和到达上下止点，起动阶段，电机输出大转矩，并伴随初始阻力（包括加速阻力）；匀速阶段占据运动的大部分，包括玻璃进入水切导槽；停止阶段从玻璃进入上下导槽开始，到电机堵转。由于启动和到达上下止点的两个阶段时间较短，本文仅对匀速运动阶段做出计算分析。车窗玻璃运动过程的正面投影如图1所示。

图1 车窗玻璃运动过程正面投影

1.2 假设条件

由于影响其受力的因素过多，故需要对其进行简化及假设。

假设一：玻璃的运动应该与车门的橡胶导槽完全吻合，没有额外的干涉；

假设二： 玻璃的正压力均匀分布于支撑其的导槽；

假设三：不计滑块与导轨间的接触阻力；

假设四：橡胶导槽的预紧力与摩擦系数不变，即不考虑橡胶的老化变性与门框的变形。

2、玻璃运动过程中的受力分析

玻璃在运动过程中，玻璃前部入槽长度、后部入槽长度以及水切槽重合长度都在不断的变化，电机受到的阻力也跟着不断的变化，同时由于推力中心点位置的选取原因，在前部导槽或者后部导槽处会产生偏转力矩（前部导槽和后部导槽的偏转力矩不会同时存在），偏转力矩的变化会进一步影响阻力的变化，所以，对推力中心点的合理选择对车窗玻璃运动过程中的阻力和偏转力矩有重要的影响。

2.1 玻璃上升过程受力分析

玻璃在上升过程中的正面和侧面的受力及力矩的示意图分别如图2和图3。

图2 玻璃上升阶段正面受力及力矩示意图

图3 玻璃上升阶段侧面受力及力矩示意图

如前面所述，图中前、后导槽支反力在任意位置有且只会存在一种，相应的前、后导槽支反摩擦力以及力矩也只能存在其一。

由于仅对匀速运动作出分析，所以此时玻璃的加速度为0，力矩和也为0，根据这些关系，构造平衡方程：

正面投影沿竖直方向，可得到力的平衡方程：

正面投影对电机推力点取矩，可得到力矩的平衡方程：

玻璃侧面的受力分析，仅考虑推力对玻璃与导槽的压力变化，并且简化模型，使导槽对玻璃压力方向垂直于玻璃上下止点的连线，且摩擦力方向沿此连线。

侧面投影沿水平方向，可得到力的平衡方程：

侧面投影对曲率中心取矩，可得到力矩的平衡方程：

其中：m：重力作用点到玻璃曲率半径中心点；

∆N：橡胶导槽作用在玻璃上的均布载荷大小；

r：玻璃曲率半径；

T：电机推力侧面投影大小；

Lt：玻璃入槽长度总和。

2.2 玻璃下降过程受力分析

玻璃在下降过程中的正面和侧面的受力及力矩的示意图分别如图4和图5，玻璃在下降的过程中受力种类与上升时相似，部分力的方向与上升阶段相反。

图4 玻璃下降阶段正面受力及力矩示意图

图5 玻璃下降阶段侧面受力及力矩示意图

与上升阶段相似，仅对匀速阶段作出分析，同样可以得出4个平衡方程（2.5）～（2.8）。

正面投影沿竖直方向，可得到力的平衡方程：

正面投影对电机推力点取矩，可得到力矩的平衡方程：

侧面投影沿水平方向，可得到力的平衡方程：

侧面投影对曲率中心取矩，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）分别建立车窗玻璃在上升和下降阶段的simulink模型，如图6和图7。

图6 车窗玻璃上升阶段simulink模型

图7 车窗玻璃下降阶段simulink模型

输入相应的数据即可得到当推力中心点位于某一位置时，阻力和偏转力矩的变化情况。

4、结果分析

以某公司某款玻璃升降器为例，探讨推力中心点对玻璃运行过程中的阻力和偏转力矩的影响。分别考虑推力中心点距离后导槽距离100mm、400mm和700mm三种情况中，电机推力和玻璃偏转力矩随时间变化的曲线，其中，取玻璃运行时间为3S，用玻璃的运行时间的变化代替玻璃行程的变化,把所得数据导入到simulink中后得出图8～图11，分析不同推力中心点位置而导致的力矩和力的不同即可对推力点的位置进行优化。

4.1 上升阶段结果分析

图8 上升阶段推力随时间的变化

图9 上升阶段偏转力矩随时间的变化

观察图8～图9可知，无论是电机推力还是偏转力矩，当推力中心点距离后导槽 400mm所得的数据均优于推力中心店距后导槽100mm和700mm两个位置，其中，电机推力在 3个位置中的任何阶段都小于其他两个位置，偏转力矩保持在0附近。

4.2 下降阶段结果分析

图10 下降阶段推力随时间的变化

图11 下降阶段偏转力矩随时间的变化

观察图10～图11可知，推力中心点的位置对下降阶段的电机推力没太大的影响，这主要是玻璃下降时，玻璃重力提供了大部分的推力，电机甚至有时候会反转，而偏转力矩方面，推力中心点距后导槽 400mm 时，偏转力矩明显要小于其他两个阶段，要注意的是图中的负号仅表示方向，不表示大小。

综上分析，当推力中心点距离后导槽400mm 时从电机推力和偏转力矩方面考虑，在上升和下降阶段均优于其他阶段，当然，要找到最优位置，还需要不断地通过取不同的位置进行计算测试。

5、小结

以往玻璃升降器的产品设计中，由于试验条件的限制以及计算量巨大，所测得数据往往是几个关键点或者是极限点，这样往往会造成很大的试验误差，而工程师在进行设计时也会放大其安全系数，这就造成了载荷的不准确，甚至错误，对于产品的最终设计会产生极大影响。

本文基于matlab/simulink建立玻璃升降器的受力数学模型分析模拟，可以得到足够多的数据，保证了试验数据的精确性，同时得到以下结论：

（1）matlab/simulink模块在汽车上的应用，使得分析问题时更加直观形象；

（2）在该仿真模型中，上升阶段和下降阶段由于受力方向的不同，所得的结果可能不会一致。

[1]周瑜瑾.汽车玻璃升降器设计研究[D].长沙：湖南大学,2011.9.

[2]刘彬.汽车玻璃升降器性能仿真分析[D].武汉：武汉理工大学,2012.5.

[3]陈会霞.汽车玻璃升降机的发展趋势探究[J].企业导报,2013(11)：269-269.

[4]蒋斌.浅论汽车玻璃升降器的结构与发展[J].汽车技术.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，硕士研究生，就读于武汉理工大学汽车工程学院。

刘建国，副教授，博士，硕士研究生导师，就职于武汉理工大学汽车工程学院，主要研究领域为汽车电子。詹涛，就职于武汉理工大学汽车工程学院，主要研究领域为汽车电子。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.028