基于Recurdyn的繩輪式電動(dòng)玻璃升降器的動(dòng)力學(xué)仿真

楊華鵬，李慶華

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022 2.長(zhǎng)春大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

基于Recurdyn的繩輪式電動(dòng)玻璃升降器的動(dòng)力學(xué)仿真

楊華鵬1，李慶華2

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022 2.長(zhǎng)春大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

利用三維實(shí)體造型軟件對(duì)繩輪式電動(dòng)玻璃升降器進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件Recurdyn中，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲得了空載給定恒力作用下，滑塊上升過(guò)程的接觸力、位移及速度等各項(xiàng)參數(shù)，為電動(dòng)玻璃升降器檢測(cè)提供理論依據(jù)。

Recurdyn;電動(dòng)玻璃升降器;仿真

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)于汽車的舒適度和人性化的要求越來(lái)越高。汽車電動(dòng)玻璃升降器作為汽車門窗的主要部件，是調(diào)節(jié)車門玻璃窗開度大小的專用部件，其功能是保證車門窗玻璃平穩(wěn)升降，并順利地開啟和關(guān)閉。當(dāng)升降器的外加控制撤消時(shí)，玻璃應(yīng)能停在任意位置上，既不能自動(dòng)下滑，也不能由于汽車的顛簸而上下跳動(dòng)。當(dāng)升降器在關(guān)閉車窗玻璃時(shí)，碰到異物或手等能自動(dòng)停止以防夾傷人體。鎖上車門后能防止外人將玻璃降下而進(jìn)入車內(nèi)，甚至當(dāng)汽車熄火后，駕駛員離開汽車忘記關(guān)閉車窗時(shí)，車窗能自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)防盜安全。升降器性能上要求升降平穩(wěn)、可靠、無(wú)沖擊、無(wú)卡滯、操作輕便、制動(dòng)性能良好、耐久性強(qiáng)。因此它的性能直接影響了汽車的舒適性和駐車時(shí)的安全［1］。

繩輪式電動(dòng)玻璃升降器是電動(dòng)玻璃升降器的一種，如圖1所示，它主要由搖窗電機(jī)、繩索部件、卷絲筒、調(diào)整彈簧、支架機(jī)構(gòu)、滑動(dòng)支座等組成。當(dāng)搖窗電機(jī)作順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)輸出軸經(jīng)蝸輪蝸桿減速帶動(dòng)卷絲筒正反向旋轉(zhuǎn)，卷絲筒又帶動(dòng)與鋼絲相聯(lián)的滑動(dòng)支座，使滑動(dòng)支座沿著支架機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)槽作上下運(yùn)動(dòng)，而滑動(dòng)支座上固定著門窗玻璃，從而使玻璃上升或下降。其優(yōu)點(diǎn)是零件少、重量輕，安裝位置可以調(diào)整，缺點(diǎn)是鋼絲繩的軌跡必須和玻璃滑槽統(tǒng)一，否則會(huì)出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象［2］。

圖1 繩輪式電動(dòng)玻璃升降器

本文以捷達(dá)車后門的電動(dòng)玻璃升降器為例，針對(duì)繩輪式電動(dòng)玻璃升降器的缺點(diǎn)，采用Recurdyn多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，對(duì)滑塊在上升整個(gè)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，研究它上升時(shí)的位移、速度、摩擦力等參數(shù)，為繩輪式電動(dòng)玻璃升降器在線檢測(cè)提供理論依據(jù)。

1 三維實(shí)體模型的建立

圖2 繩輪式電動(dòng)玻璃升降器的簡(jiǎn)化裝配

采用catia軟件進(jìn)行繩輪式電動(dòng)玻璃升降器三維實(shí)體建模，建模方法是對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行單獨(dú)的建模，然后進(jìn)行裝配，這樣可得到比較精確的模型。為了提高仿真過(guò)程計(jì)算速度，對(duì)于那些外形繁瑣，但對(duì)仿真過(guò)程影響不大零件進(jìn)行了簡(jiǎn)化:首先將電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的齒輪傳動(dòng);其次去掉調(diào)整彈簧和卷絲筒等附屬零件;最后將鋼絲繩是拉力簡(jiǎn)化為集中力，進(jìn)而模擬鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)中所受的力，圖2所示為簡(jiǎn)化后的繩輪式電動(dòng)玻璃升降器三維實(shí)體裝配模型。

2 動(dòng)力學(xué)仿真

將建立好的實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為step格式，并導(dǎo)入到Recurdyn軟件中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型的建立。考慮到滑塊在滑動(dòng)過(guò)程需要施加驅(qū)動(dòng)力和預(yù)緊力，故需要驅(qū)動(dòng)力和預(yù)緊力，在Recurdyn中利用STEP函數(shù)進(jìn)行定義，在后處理中對(duì)摩擦力進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 驅(qū)動(dòng)STEP函數(shù)定義

Step(x，x0，h0，x1，h1)用于定義一個(gè)光滑的階躍函數(shù)，其含義如下:

其中，x為自變量，可以是時(shí)間的任意函數(shù);x0為自變量的STEP函數(shù)的起始值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達(dá)式或設(shè)計(jì)變量;x1為自變量的STEP函數(shù)結(jié)束值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達(dá)式或設(shè)計(jì)變量;h0為函數(shù)STEP的初始值，可以是常數(shù)、設(shè)計(jì)變量或其他函數(shù)表達(dá)式;h1為STEP函數(shù)的最終值，可以是常數(shù)、設(shè)計(jì)變量或其他函數(shù)表達(dá)式。

2.2 摩擦力計(jì)算

滑塊在上升過(guò)程中受到驅(qū)動(dòng)力同時(shí)還受到了摩擦力，根據(jù)實(shí)際所受摩擦力狀況，摩擦力計(jì)算有兩種方式，如式(1)和式(2)。

式中:μ—摩擦系數(shù)，與相對(duì)速度有關(guān)。

計(jì)算摩擦力的關(guān)鍵因素是確定摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)和相對(duì)速度有關(guān)，如圖3所示。νs和νd分別為靜態(tài)摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的臨界切向速度。當(dāng)滑塊滑動(dòng)速度絕對(duì)值小于靜態(tài)摩擦系數(shù)臨界切向速度時(shí)，摩擦系數(shù)在-μs～μs之間插值;當(dāng)相對(duì)速度絕對(duì)值介于靜態(tài)摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)之間的臨界切向速度時(shí)，摩擦系數(shù)在 μs～μd和 -μs～ -μd之間插值;當(dāng)相對(duì)速度絕對(duì)值大于動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的臨界切向速度時(shí)則為動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù) μd［3］。

2.3 仿真結(jié)果及分析

對(duì)導(dǎo)入到Recurdyn的模型重新進(jìn)行定義材料的屬性，然后對(duì)其定義約束條件、運(yùn)動(dòng)副、施加受力等，具體的約束見表1。

圖3 摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化

表1 仿真約束及數(shù)量

仿真模型如圖4所示，由于在仿真過(guò)程中將鋼絲繩簡(jiǎn)化，但是鋼絲存在著預(yù)緊力，所以對(duì)其滑塊施加了20N的集中載荷力，方向與拉力相反，在+X方向上施加重力?；瑝K的下表面與導(dǎo)槽是上表面進(jìn)行接觸，根據(jù)相關(guān)資料設(shè)置滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15，掛鉤的表面與導(dǎo)槽的下表面接觸，其摩擦系數(shù)為0.37，設(shè)所受的恒拉力設(shè)為150N，用step函數(shù)表達(dá)，仿真時(shí)間為t=4s，步長(zhǎng)為step=400，輸出時(shí)間段為0～3s，仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖4 動(dòng)力學(xué)仿真模型

圖5表示為滑塊質(zhì)心位移與時(shí)間的曲線，從圖中可以看出滑塊在X方向上的位移大致是均勻變化的，Y方向則是類似于拋物線，Z方向則沒有位移。整個(gè)過(guò)程是滑塊從滑槽的底部慢慢上升到最高點(diǎn)后受到阻擋后停止下來(lái)的過(guò)程，結(jié)果與是實(shí)際過(guò)程是比較符合的。

圖5 滑塊質(zhì)心時(shí)間－位移的曲線

圖6表示為滑塊質(zhì)心速度與時(shí)間的速度與位移曲線，圖中曲線2為速度曲線，曲線1為滑塊掛鉤的表面與導(dǎo)槽的接觸力。從圖中曲線2可以看出在0s～0.04s，滑塊的速度從0mm/s增加到了120mm/s，在0.04s到2.75s，滑塊的速度保持在120mm/s左右浮動(dòng)，2.75s是滑塊停止，速度降為零。顯然在曲線上還看出速度會(huì)突然出現(xiàn)波動(dòng)，主要原因是因?yàn)榛瑝K的下表面與滑槽的接觸力減小，間接的影響了滑塊的速度，從曲線1與曲線2對(duì)比中也能反應(yīng)出來(lái)。

圖6 滑塊質(zhì)心的時(shí)間－速度變化曲線

圖7表示為滑塊所受的摩擦力隨時(shí)間的變化曲線。從圖中看出摩擦力在整個(gè)滑動(dòng)過(guò)程中波動(dòng)較大，波動(dòng)較大的主要原因是因?yàn)槲矬w在整個(gè)滑動(dòng)過(guò)程中的法向接觸力不斷變化引起的，但總體上不影響滑塊上升的穩(wěn)定滑動(dòng)。

圖7 滑塊所受的摩擦力隨時(shí)間的變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)繩輪式電動(dòng)玻璃升降器的滑塊在空載、恒拉力作用下，進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了它的位移、速度等參數(shù)以及所受的摩擦力隨時(shí)間的變化規(guī)律，為電動(dòng)玻璃升降器在生產(chǎn)線上的檢測(cè)提供了理論依據(jù)。

［1］邱結(jié)平.現(xiàn)代轎車電動(dòng)玻璃升降器研究與探討［J］.汽車技術(shù)，2002，8(4):11-13.

［2］黃錦鼎.電動(dòng)門窗升降器及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.上海汽車，1998(6):21-25.

［3］焦曉娟，彭斌彬，等.Recurdyn多體體統(tǒng)優(yōu)化仿真技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

Dynamics Simulation of Recurdyn-based Rope Type Electric Glass Elevators

YANG Hua-peng1，LI Qing-hua2
(1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Machinery and Vehicle，Changchun University，Changchun 130022，China)

Three dimensional modeling of the rope type electric glass elevators is made by 3D solid modeling software，and it is introduced into the multi-body dynamics software Recurdyn，through dynamics simulation，some parameters such as contact force，displacement，velocity and so on are obtained when slider rises under the given no-load constant force，which provides a theoretical basis for the inspecting electric glass elevators.

Recurdyn;electric glass elevator;simulation

TH113.2+2

A

1009-3907(2013)10-1238-04

2013-09-09

吉林省科技廳項(xiàng)目(201215108)

楊華鵬(1987-)，男，甘肅慶陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)，檢測(cè)技術(shù)方向的研究。

李慶華(1968-)，男，吉林蛟河人，教授，博士，主要從事機(jī)械測(cè)控及機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)研究。

責(zé)任編輯:

吳旭云