基于CAD的玻璃升降器设计外文翻译资料

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基于CAD的玻璃升降器设计

摘要

运动布局是汽车车门早期设计阶段的重要组成部分。除了车门开启机构，本文主要焦点在于车窗升降的设计，升降器对玻璃形状的耐冲击性和车厢密封性能有着很大的影响。本文主要任务是找到一个适当的车窗以满足玻璃运动的空间要求和最大的车厢密封性能。支柱和车窗给出了边界条件，这是设计的主要依据。这个方法可以计算描绘出一个优化运动，从而得到全部的设计要点。本文所采用的方法是基于CAD平台，并将模拟与参数关联设计相结合。这将使得处理过程变得高度的灵活和简单。本文所提出的方法是一个前期设计的例子，这个方法很好的完成了设计。

介绍

今天的车身设计受到设计成本降低以及设计周期缩短的影响。同时，也提高了模型范围内的多样化，提高了产品质量。这些要求导致越来越多地应用计算机辅助工程（CAE）的设计平台，以及工具和数据管理系统的广泛联系。除此以外，这种整合为早期车辆概念优化提供了可能性。这反过来又为随后的详细设计工作提供了基础。为了有效地建立一个合理的概念，利用各自的虚拟工程工具的能力是至关重要的。

为了提升在汽车概念设计阶段CAE的发展潜力，就必须要在各自子系统的布局中集成设计方法和过程。例如这些子系统中的任一个都包含有闭环系统。与其他车身部件相比，封闭的布局系统已经满足了要求的耐撞性、人机工程学、紧固性能，同时也满足了重量，成本，法规或质量的要求。此外，封闭系统的设计是由它自身的运动所决定的。

汽车车门的运动大致可分为两个方面：车门开启机构和车窗升降机构。除了功能方面，运动布局对车身壳体也有很大的影响。因此必须要考虑车门间隙的形状和外壳造型，确保开启时不会发生碰撞。此外车窗升降机构与车窗形状和支柱形状紧密相连。由于这对造型产生的较大影响，在早期设计阶段的车门运动学布局中将其解决显得十分重要。

汽车车门的概念设计阶段

图1显示了一个典型的车门概念设计阶段技术布局的主要步骤。车身造型是概念设计阶段一个重要的依据。造型数据传送到各自的CAE工具，这是用来确定一个适当的车门设计概念。这样一个优化的设计概念是一个包含着多个环节的反复的过程。

造型输入分析

人体工程学设计

结构优化

概念几何

包裹布局

优化周期

车窗升降器

密封概念

车门开启

人体工程学设计

造型输入分析

门发展的概念阶段

图1汽车车门概念设计阶段的典型步骤

汽车造型的边界涉及到不同的工程任务。关于入口区域，座椅位置和开门功能的人体工程学研究与外观（后内侧）以及车门本身规格形状、周边元件密切相关。前门和后门的出入舒适性是汽车的一个重要特征。门体的白车身凸缘决定了其舒适性，并影响车门和入口区域的设计和不同的技术规范。

车门间隙的设计与铰链轴的设计过程是相同的。经过分析后，可以避免打开的车门与相邻的白车身部件发生碰撞。此外，轴铰链的设计对一些诸如铰链、锁紧系统或止回阀臂等很多车门部件的位置有很大的影响。

接下来的主要步骤是选择密封件。汽车的封闭应用有不同的封闭方法。根据车辆类别、汽车制造商的理念和车门类型，拥有一条、两条或者三条密封线的系统被选择应用。除了其主要功能外，密封系统对声学和美学特性也有很大的影响。车窗升降机构的布置，保证了车窗运动时密封件不会过度偏斜。为了满足这一要求，一些合适的窗口表面或支柱造型是必要的。车窗升降器所需要的空间是车门包装配置的一个主要输入。

车门包装分析注重组件总成的位置和功能，如车窗窗口和它的升降机构、锁止机构、安全屏障，门的造型，扬声器系统和其他部件。概念设计方面的许多分析最终产生了车门的概念模型。初始的模型形状包括适合于造型表面的主门板。概念模型作为汽车的数字模拟研究的一个源，为重量和结构优化过程和预计算生产相关的任务提供参考。

其贡献集中在车窗玻璃升降机构的设计上。这是概念设计阶段的主要发展步骤之一，这是将要详细描述的。有一种方法被用来评估与给定造型有关的可行性。此外，车窗运动的优化被计算，这反过来又提供了一个最佳的车窗升降机构。最终一个适当机制的选择的限制被列出。

车窗升降器设计的基本流程

典型的车窗运动规划设计如图2所示。CAD中输入的数据包括窗面以及它的边界曲线，这些数据都是事先所给定的。车窗的运动必须以这些数据输入为基础运算得出。边界条件由车窗的密封所给出，而这些密封则是由沿窗口边界曲线的布置所确定。

运动布局

升降机构的定义

优化

车窗运动

造型建议

运动的合成

功能要求

密封的偏转

造型

车窗表面

边界曲线

图2。车窗升降机构布局的典型工作流程

在一个封闭的位置，车窗嵌入密封中防止泄漏和衰减其振动。在车窗移动时，玻璃沿着这些密封件滑动。如果玻璃本身不能流畅地运动，它会偏转密封件。这可能会导致噪音和磨损增加。为了防止这些影响，最大密封偏转不能超过给定的限制。

运动合成过程将得到优化的窗口轨迹和密封件变形的相应数据。最佳车窗运动曲挠度有可能超过密封件生产商的限制。在这种情况下，给定的窗口表面将不适合。该系统将为车窗模型提供另一个车窗表面作为车窗的造型建议。在实际案例中，这种建议这种替代或许只与设计师的原始设计略有不同，但它几乎可以完全消除密封件的偏转。

在下一步的升降机构的选择和定义中，这个设计过程的结果包括车窗的升降运动规划。这种运动布局包含所有与该机制的体系结构相关的数据。这些数据可作为用作详细设计以及包裹方法的调查。

运动的合成方法

目标

合成方法的任务是找到一种与给定的造型数据相符合的优化运动，而密封件的变形不应超过最大值。为了满足这个限制就要得到一个运动轨迹使得车窗自身得以很好地移动。这样的运动只能通过圆柱面（包括平面）、回转面和螺旋面（螺旋面）来实现，如图3所示，后者包含前者作为特殊情况。

严格地说，这样的表面将是完美的侧窗面，因为如果车窗正确移动它们可能不会导致密封件有所变形。这样一个适当的运动的轨迹本身也可以移动。根据所使用的表面它可以是直线、圆或者螺旋线，如图3所示。

螺旋线

圆

直线

螺旋面

旋转面

圆柱

图3 表面和曲线自身移动

关于车窗移动的假设

通常输入样式数据以中性数据格式提供，其中没有关于创建的信息。因此不能保证造型数据满足螺纹表面的要求。此外，偏离到一个理想的表面可能需要通过造型手段来实现。

所需的输入数据包括车窗造型面S和边界：屋顶曲线R，日光曲线D和（在前门情况下）车门B柱B，如图4所示。窗口密封布置要符合边界曲线R，D和B的挠度相应的限制，也要依据所使用的密封类型，并可能在每个方向都有所变化。沿窗口的密封件的偏转是可以忽略的，因为窗口玻璃只与它们在闭合位置接触。车窗移动时，它沿着D和B的密封件进行移动。

图4数据造型输入

偏移被限制在正常的曲线和移动表面之间。此外，窗口表面的运动被限制在沿曲线B的纵向方向。因此，曲线B的形状对最终优化的窗口运动有很大的影响。

让M是属于S的最佳螺旋运动。这个螺旋运动在图5中由它的螺旋轴S表示。通过M_S移动S会得到沿D的最小正常挠度。如果S是螺旋表面那么偏转将会减小到零。然而，在一般情况下边界曲线B不会是M_S的一个轨迹。这将导致沿B相当大的变形。

为了在沿着B方向上有最小的变形，表面S必须以边界曲线B本身移动的线路做运动。因此，必须找到一个最适合B的形状的螺旋线。这个螺旋线将会确定M_B以及螺旋轴线B的运动，以及其螺杆参数。如图5所示，根据M_B移动S会获得沿B的最小挠度，然而这样的运动可能会导致D的大挠度。

图5窗片及其螺旋轴的计算

M_S的螺旋运动适合S，但是要忽略B的形状。同样M_B的螺旋运动将尽可能正确地符合B，但它会忽略窗口S的形状。因此，有必要找到一个优化的螺旋运动M，以满足这两个目标。M的移动将导致最小的总挠度。在图5中M是由它的轴表示的。

研究方法

在图6中显示的运动合成的步骤。如果一个面（侧窗）和B柱B是直接由设计师给出，它不可能是一个螺旋面以及B也不是螺旋线。尽管如此他们必须是工程工作的起点。

首先，必须找到一个螺旋运动，以适合给定的表面s和曲线B。这是工作的核心部分。此方法的详细描述将不会在此给出，因为这件事目前正在进行专利申请过程。它基本上是一些高维空间中的一些优化问题，为最佳的螺杆运动M提供依据。

通常情况下，窗面造型S和B柱曲线B的造型数据可应用到CAD平台。这些数据作为下列优化步骤的输入，以确定优化的运动M。由于性能原因，这个部分的过程是在一个单独的计算程序中完成的，并且是与CAD平台相连的一个数据接口。在CAD程序中使用内部宏程序生成输入数据数组，并通过中性数据格式传输到计算代码中。优化步骤的输出由螺杆轴A和相应的螺杆参数组成。结果可以转发给CAD平台内的数据接口。

替换为S，B

（零偏转）

挠度检查

关于S,B的窗口运动M优化

造型输入S,B

运动合成

图6运动综合法的工作流程

进一步将螺旋面S′和螺旋线的′B′定义为S和B的替代。为此，轮廓线R受到运动M的限制。这样可以自动移动的螺旋曲面得以产生。B的顶端受M约束，沿着一条螺旋线B在S上运动。如果运动M移动，B将再次被移动。s′和B′是S和B的完美替换，使得任何密封件的偏转为零。

在这一点上，它看起来可能是用另一个表面S替换设计表面S这将大大地不利于设计。正如许多例子所示，情况并非如此。上面发现的“最优运动”完全匹配给定的设计表面。S和S′之间的偏差一般是很小的。如果给定的设计表面S远离任何自活动表面，将会发生相当大的偏差。在这种情况下问题肯定会被送回设计师的画板。模拟创造的S′生成一个新的B柱曲线B′，这是通过扭转选择生成曲线的终点。初始边界曲线B的形状是M优化的输入。因此，新的螺旋曲线B只对初始边界曲线有非常小的偏差。

通过测量两个表面之间的距离可以很容易地对S和S′进行比较。这些距离有两种不同的解释：在造型师和设计师之间的讨论中，S和S′之间的最大距离将会作为决定原始表面是否应该被螺旋表面替换的依据。如果坚持S是首要选择，S和S′之间的最大距离可以被解释为沿密封D最大挠度的措施。

类似的B 和 B′可以相对比，检查的B质量。如果替代表面被取代，B也必须被B′替换。B和B′之间的距离可以被解释为挠度的测量。这种偏转只会在原始设计表面保持不变时发生。用S′和B′代替S和B会产生没有偏转的光滑运动。

升降机构的设计

关于升降器

在找到一个可行的造型和最优窗口运动后，下一步是对车窗升降器的设计。为了这个目的，有多种可供选择的升降器类型。它们可根据它们的驱动方式和它们的结构分类。目前，在大多数情况下，利用一个电机驱动的电动升降器的类型被广泛使用。对于结构来说，有三种主要的使用类型，这是依据牵引手段、牵引力和引导手段分类的[ 4 ]。今天，流行的设备结构是用钢缆线牵引驱动类型。

例如，图7是缆线与两导轨驱动的车窗升降器示意图。这种类型通常用于前门。使用这种机制的窗口玻璃被夹紧在两个沿两个导轨移动的滑块间。滑块与由电机驱动的缆线连接。

车窗玻璃

滑动块

导轨

导轨

滑动块

缆线连接

图7常见的两轨电缆驱动车窗升降机构

使用所描述的车窗结构的类型将导致一些有关的车窗运动的限制。第一个限制是由于缆线的连接。这种连接使得滑块沿导轨将覆盖相同的距离。这意味着，最佳的车窗M的运动，只能确保每个车窗和滑块连接点到螺旋轴a有相同的距离。

第二个限制来自下导轨，为了确保最佳的运动M，导轨遵循螺纹线的形状是非常必要的。由于生产成本限制螺旋导轨将被替换为圆形导轨。当圆弧线近似螺旋线弧线时不会引起严重偏差。

类似所描述的绳轮式车窗升降器，其他类型的升降机构也有边界条件和限制。有了这些限制下优化的运动M可能没有办法完全实现。然而当试图得到近似最优运动M时将得到一个近似运动M_a，从而增加沿密封件的挠度。因此对密封偏转进行评估是必要的。

用于升降机构设计的工作流程

对车窗升降机构定义的工作流程如图8所示。这个定义过程是由有关成本，功能，生产原因和其他要求决定的，其中成本肯定是主要因素。这些要求可以在可能的机构类型范围内确定一个小的范围。

挠度检查

近似运动M_a

挑选机构

成本，功能，生产hellip;hellip;

M优化运动，造型数据

升降机构的定义

图8机构定义的工作流程

所选择的机构受其轨迹的限制。有了这些限制，它往往是不可能完全按照理想的优化运动m。这就是为什么近似运动M_a是由一些CAD程序模拟产生的。

当然圆形导轨不能完全取代螺纹导轨，所以运动M可能会造成不必要的沿密封件的偏转。必须使用最终挠度检查来确保没有问题

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