轿车天窗运动执行机构起翘高度的优化

□ 姚 鑫 □ 高云凯

同济大学 汽车学院 上海 201814

1 优化背景

根据市场调查,目前带有天窗的轿车的市场占有率约为70%,用户再次购车时对天窗的配置意愿高于95%。可见,终端市场对轿车天窗的认可度较高。德国伟巴斯特公司生产的天窗占据我国国内轿车天窗市场50%以上的份额。虽然我国许多企业也从事相关生产工作,但主要为国内自主轿车品牌供应天窗,鲜有打入高端轿车品牌市场[1-2]。国内轿车天窗生产企业自主研发实力较弱,尤其是轿车天窗运动执行机构的设计能力薄弱。采用现代化设计方法建立轿车天窗平台[3-4],使大部分零部件实现共用,通过参数化设计,结合ADAMS虚拟样机技术,对特定零部件进行设计优化,匹配整车厂需求,可以缩短轿车天窗的开发周期,降低开发成本,保证轿车天窗的设计质量。

笔者对轿车天窗运动执行机构的起翘高度进行优化,增大8 mm。为了使轿车天窗运动执行机构起翘高度更高,一般需要加长导轨,使轿车天窗运动执行机构的运动距离更远。但是导轨前端空间有限,加长导轨会导致轿车天窗与轿车不匹配。对此,通过对轿车天窗运动执行机构进行优化,来达到优化轿车天窗运动执行机构起翘高度的目的。

2 轿车天窗结构

笔者研究的是市场中典型的内藏式轿车天窗,其结构如图1所示。轿车天窗由天窗玻璃、运动执行机构、前横梁、中横梁、导轨、驱动控制机构、拉索、遮阳板等构成[5]。

运动执行机构是轿车天窗的核心部分,是实现天窗玻璃起翘、下落、打开、关闭的关键。轿车天窗运动执行机构主要由导向杆、滑动杆、连杆、滑块、拉索等组成[6],如图2所示。

3 轿车天窗运动原理

轿车天窗玻璃有四种运动——起翘、下落、打开、关闭,这些运动由驱动控制机构、运动执行机构、框架总成共同配合完成。驱动控制机构中的电控单元接收操作指令,转换为小型电机的动力。小型电机通过齿轮将动力传递至拉索,拉索通过软轴带动滑块及滑动杆沿导轨方向运动。在滑动杆的作用下,导向杆沿导向槽移动。通过滑块与连杆、滑动杆、导向杆的配合,导向杆呈现为向上或向下的运动状态,同时带动天窗玻璃实现相应的起翘、下落动作。

轿车天窗运动执行机构简化模型如图3所示[7]。图3中,AB对应导向杆,CDF对应滑动杆,AEG对应滑块,G对应拉索,DE对应连杆。

4 建模与仿真分析

对轿车天窗运动执行机构分析后发现,轿车天窗运动执行机构的运动形式可以表示为二维平面运动。为便于分析,对轿车天窗运动执行机构进行简化,得到导向杆、滑动杆、连杆、滑块、拉索。滑动杆和连杆在天窗玻璃起翘和下落过程中起固定与限位的作用,与导轨之间并未产生相对移动。天窗玻璃起翘和下落过程中,拉索在马达的作用下相对连杆做平移运动,滑块在拉索运动的作用下移动,与滑动杆及导向杆产生相对滑动,同时相对于拉索转动。导向杆在滑块相对滑动作用下升起或下落。天窗玻璃高度的变化可以简化为导向杆高度的变化。取导向杆尾部顶点到导轨内平面的垂直距离,作为天窗玻璃的测量高度,对应轿车天窗运动执行机构起翘高度,如图4所示。

在优化中,应用ADMAS软件Solver命令来创建轿车天窗运动执行机构的仿真程序[8]。轿车天窗运动执行机构从天窗玻璃起翘到下落之间的总行程是202 mm,为方便观察天窗玻璃起翘、下落过程中轿车天窗运动执行机构起翘高度的变化,拉索速度设置为100 mm/s,整个行程时间设置为2 s。

轿车天窗运动执行机构起翘高度变化曲线如图5所示,可以看出轿车天窗运动执行机构在天窗玻璃起翘和下落的过程中运动比较有规律。0～1 s为天窗玻璃起翘过程,1～2 s为天窗玻璃下落过程。轿车天窗运动开始时起翘高度为38 mm,拉索运行1 s,位移为101 mm,此时轿车天窗运动执行机构起翘高度最大约为67.5 mm。

5 轿车天窗运动执行机构优化

应用ADMAS软件对轿车天窗运动执行机构起翘高度进行优化。设定轿车天窗运动执行机构起翘高度增大8 mm,通过ADMAS软件View模块的参数化分析功能,在相关零件上选择若干个点,作为进行优化的参数[9-12]。当参数发生变化时,对设计目标产生影响,经过分析可以得出最佳参数。

在三维空间状态下,在CATIA软件中创建轿车天窗运动执行机构关键点,并测量关键点坐标,作为轿车天窗运动执行机构起翘高度优化的参考点[13]。共创建19个参考点,如图6所示,导向杆导向槽的节点对应参考点1～4,导向杆的节点对应参考点5、6,滑动杆导向槽的节点对应参考点7～10,滑动杆导向柱的节点对应参考点11、12,滑块的节点对应参考点13～15,拉索的节点对应参考点16～18,连杆的节点对应参考点19。

轿车天窗运动执行机构主要在整车坐标系XZ平面内运动,可以选择轿车天窗运动执行机构参考点的X轴、Z轴坐标作为设计变量,Y轴坐标均为0。选取轿车天窗运动执行机构部分参考点作为关键点,坐标见表1。

表1 轿车天窗运动执行机构关键点坐标

将轿车天窗运动执行机构关键点的X轴、Z轴坐标作为设计变量,共得到12个设计变量。根据轿车天窗运动执行机构的特点,考虑产品平台化需求,设置设计变量相对变化范围为-2～2 mm。

通过对不同设计变量的分析,获得设计变量的敏感度,即设计变量的变化对轿车天窗运动执行机构起翘高度变化的影响。设计变量敏感度见表2。

表2 设计变量敏感度

由表2可知,设计变量2和8的敏感度较大,对应参考点1Z轴坐标、参考点7Z轴坐标。根据分析结果可以得出,当天窗玻璃处于起翘状态时,若要使轿车天窗运动执行机构起翘高度增大8 mm,可以将导向杆导向槽底端位置沿Z轴方向向下移动2 mm,同时将滑动杆导向槽顶端位置沿Z轴方向向上移动2 mm,分别如图7、图8所示。

优化后轿车天窗运动执行机构起翘高度变化曲线如图9所示。由图9可以看到,优化后轿车天窗运动执行机构在1 s时的起翘高度最大约为75.5 mm。

优化后轿车天窗运动执行机构参考点1Z轴坐标为17.208 mm,对应设计变量2,参考点7Z轴坐标为27.201 mm,对应设计变量8。优化后轿车天窗运动执行机构起翘高度增大了8 mm,达到了优化目标。

6 结束语

笔者应用ADMAS软件对轿车天窗运动执行机构进行仿真,分析对轿车天窗运动执行机构起翘高度有影响的各设计变量的敏感度,确认敏感度最大,即对轿车天窗运动执行机构起翘高度影响最大的设计变量。通过对设计变量优化,实现对轿车天窗运动执行机构起翘高度的优化,使轿车天窗运动执行机构起翘高度由67.5 mm增大至75.5 mm,实现增大8 mm的优化目标。

笔者所采用的这种优化方法成本低,时间短,可以在计算机中重复进行,为解决不同轿车车型模块化天窗总成开启高度的匹配问题,实现轿车天窗平台化设计提供了参考。