轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度的優(yōu)化

□ 姚 鑫 □ 高云凱

同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院 上海 201814

1 優(yōu)化背景

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查,目前帶有天窗的轎車的市場(chǎng)占有率約為70%,用戶再次購(gòu)車時(shí)對(duì)天窗的配置意愿高于95%。可見,終端市場(chǎng)對(duì)轎車天窗的認(rèn)可度較高。德國(guó)偉巴斯特公司生產(chǎn)的天窗占據(jù)我國(guó)國(guó)內(nèi)轎車天窗市場(chǎng)50%以上的份額。雖然我國(guó)許多企業(yè)也從事相關(guān)生產(chǎn)工作,但主要為國(guó)內(nèi)自主轎車品牌供應(yīng)天窗,鮮有打入高端轎車品牌市場(chǎng)[1-2]。國(guó)內(nèi)轎車天窗生產(chǎn)企業(yè)自主研發(fā)實(shí)力較弱,尤其是轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)能力薄弱。采用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法建立轎車天窗平臺(tái)[3-4],使大部分零部件實(shí)現(xiàn)共用,通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì),結(jié)合ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù),對(duì)特定零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,匹配整車廠需求,可以縮短轎車天窗的開發(fā)周期,降低開發(fā)成本,保證轎車天窗的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

筆者對(duì)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的起翹高度進(jìn)行優(yōu)化,增大8 mm。為了使轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度更高,一般需要加長(zhǎng)導(dǎo)軌,使轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)距離更遠(yuǎn)。但是導(dǎo)軌前端空間有限,加長(zhǎng)導(dǎo)軌會(huì)導(dǎo)致轎車天窗與轎車不匹配。對(duì)此,通過(guò)對(duì)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,來(lái)達(dá)到優(yōu)化轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度的目的。

2 轎車天窗結(jié)構(gòu)

筆者研究的是市場(chǎng)中典型的內(nèi)藏式轎車天窗,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。轎車天窗由天窗玻璃、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、前橫梁、中橫梁、導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、拉索、遮陽(yáng)板等構(gòu)成[5]。

運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是轎車天窗的核心部分,是實(shí)現(xiàn)天窗玻璃起翹、下落、打開、關(guān)閉的關(guān)鍵。轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)向桿、滑動(dòng)桿、連桿、滑塊、拉索等組成[6],如圖2所示。

3 轎車天窗運(yùn)動(dòng)原理

轎車天窗玻璃有四種運(yùn)動(dòng)——起翹、下落、打開、關(guān)閉,這些運(yùn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、框架總成共同配合完成。驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)中的電控單元接收操作指令,轉(zhuǎn)換為小型電機(jī)的動(dòng)力。小型電機(jī)通過(guò)齒輪將動(dòng)力傳遞至拉索,拉索通過(guò)軟軸帶動(dòng)滑塊及滑動(dòng)桿沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)。在滑動(dòng)桿的作用下,導(dǎo)向桿沿導(dǎo)向槽移動(dòng)。通過(guò)滑塊與連桿、滑動(dòng)桿、導(dǎo)向桿的配合,導(dǎo)向桿呈現(xiàn)為向上或向下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),同時(shí)帶動(dòng)天窗玻璃實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的起翹、下落動(dòng)作。

轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖3所示[7]。圖3中,AB對(duì)應(yīng)導(dǎo)向桿,CDF對(duì)應(yīng)滑動(dòng)桿,AEG對(duì)應(yīng)滑塊,G對(duì)應(yīng)拉索,DE對(duì)應(yīng)連桿。

4 建模與仿真分析

對(duì)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分析后發(fā)現(xiàn),轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式可以表示為二維平面運(yùn)動(dòng)。為便于分析,對(duì)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,得到導(dǎo)向桿、滑動(dòng)桿、連桿、滑塊、拉索?；瑒?dòng)桿和連桿在天窗玻璃起翹和下落過(guò)程中起固定與限位的作用,與導(dǎo)軌之間并未產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。天窗玻璃起翹和下落過(guò)程中,拉索在馬達(dá)的作用下相對(duì)連桿做平移運(yùn)動(dòng),滑塊在拉索運(yùn)動(dòng)的作用下移動(dòng),與滑動(dòng)桿及導(dǎo)向桿產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),同時(shí)相對(duì)于拉索轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)向桿在滑塊相對(duì)滑動(dòng)作用下升起或下落。天窗玻璃高度的變化可以簡(jiǎn)化為導(dǎo)向桿高度的變化。取導(dǎo)向桿尾部頂點(diǎn)到導(dǎo)軌內(nèi)平面的垂直距離,作為天窗玻璃的測(cè)量高度,對(duì)應(yīng)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度,如圖4所示。

在優(yōu)化中,應(yīng)用ADMAS軟件Solver命令來(lái)創(chuàng)建轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真程序[8]。轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從天窗玻璃起翹到下落之間的總行程是202 mm,為方便觀察天窗玻璃起翹、下落過(guò)程中轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度的變化,拉索速度設(shè)置為100 mm/s,整個(gè)行程時(shí)間設(shè)置為2 s。

轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度變化曲線如圖5所示,可以看出轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在天窗玻璃起翹和下落的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)比較有規(guī)律。0～1 s為天窗玻璃起翹過(guò)程,1～2 s為天窗玻璃下落過(guò)程。轎車天窗運(yùn)動(dòng)開始時(shí)起翹高度為38 mm,拉索運(yùn)行1 s,位移為101 mm,此時(shí)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度最大約為67.5 mm。

5 轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化

應(yīng)用ADMAS軟件對(duì)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)定轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度增大8 mm,通過(guò)ADMAS軟件View模塊的參數(shù)化分析功能,在相關(guān)零件上選擇若干個(gè)點(diǎn),作為進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)[9-12]。當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí),對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)生影響,經(jīng)過(guò)分析可以得出最佳參數(shù)。

在三維空間狀態(tài)下,在CATIA軟件中創(chuàng)建轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn),并測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo),作為轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度優(yōu)化的參考點(diǎn)[13]。共創(chuàng)建19個(gè)參考點(diǎn),如圖6所示,導(dǎo)向桿導(dǎo)向槽的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)1～4,導(dǎo)向桿的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)5、6,滑動(dòng)桿導(dǎo)向槽的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)7～10,滑動(dòng)桿導(dǎo)向柱的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)11、12,滑塊的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)13～15,拉索的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)16～18,連桿的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)19。

轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要在整車坐標(biāo)系XZ平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),可以選擇轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)參考點(diǎn)的X軸、Z軸坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量,Y軸坐標(biāo)均為0。選取轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分參考點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn),坐標(biāo)見表1。

表1 轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)

將轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的X軸、Z軸坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量,共得到12個(gè)設(shè)計(jì)變量。根據(jù)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),考慮產(chǎn)品平臺(tái)化需求,設(shè)置設(shè)計(jì)變量相對(duì)變化范圍為-2～2 mm。

通過(guò)對(duì)不同設(shè)計(jì)變量的分析,獲得設(shè)計(jì)變量的敏感度,即設(shè)計(jì)變量的變化對(duì)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度變化的影響。設(shè)計(jì)變量敏感度見表2。

表2 設(shè)計(jì)變量敏感度

由表2可知,設(shè)計(jì)變量2和8的敏感度較大,對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)1Z軸坐標(biāo)、參考點(diǎn)7Z軸坐標(biāo)。根據(jù)分析結(jié)果可以得出,當(dāng)天窗玻璃處于起翹狀態(tài)時(shí),若要使轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度增大8 mm,可以將導(dǎo)向桿導(dǎo)向槽底端位置沿Z軸方向向下移動(dòng)2 mm,同時(shí)將滑動(dòng)桿導(dǎo)向槽頂端位置沿Z軸方向向上移動(dòng)2 mm,分別如圖7、圖8所示。

優(yōu)化后轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度變化曲線如圖9所示。由圖9可以看到,優(yōu)化后轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在1 s時(shí)的起翹高度最大約為75.5 mm。

優(yōu)化后轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)參考點(diǎn)1Z軸坐標(biāo)為17.208 mm,對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)變量2,參考點(diǎn)7Z軸坐標(biāo)為27.201 mm,對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)變量8。優(yōu)化后轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度增大了8 mm,達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者應(yīng)用ADMAS軟件對(duì)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真,分析對(duì)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度有影響的各設(shè)計(jì)變量的敏感度,確認(rèn)敏感度最大,即對(duì)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度影響最大的設(shè)計(jì)變量。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化,實(shí)現(xiàn)對(duì)轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度的優(yōu)化,使轎車天窗運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起翹高度由67.5 mm增大至75.5 mm,實(shí)現(xiàn)增大8 mm的優(yōu)化目標(biāo)。

筆者所采用的這種優(yōu)化方法成本低,時(shí)間短,可以在計(jì)算機(jī)中重復(fù)進(jìn)行,為解決不同轎車車型模塊化天窗總成開啟高度的匹配問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)轎車天窗平臺(tái)化設(shè)計(jì)提供了參考。