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技術交流 DETAIL
PMMA塑料車窗升降運動偏差仿真與試驗分析
查看:1104  發稿日期:2015-11-27

PMMA塑料車窗升降運動偏差仿真與試驗分析
                                                                  (網文轉載)

   PMMA 俗稱亞克力或有機玻璃,密度為1.19g/cm3,約為無機玻璃的1/2,具有良好的光學性能和耐候性能,是一種可回收的熱塑性工程材料。PMMA塑料以其優良的特性被汽車工業看重,是較為理想并有發展前景的輕質材料主要應用于尾燈車燈、內外飾、三角窗,應用于車門側窗還比較少。相比固定的三角窗車門側窗作為移動窗,對玻璃的升降運動性能提出了更高的要求,而玻璃升降運動偏差是側窗玻璃關注的主要性能之一。運動偏差較大可能會導致升降緩慢甚至產生明顯的噪聲異響,同時可能還會影響車門的防雨防風及隔聲性能。其中,玻璃型面的設計和升降導軌的確定是影響運動偏差的兩個關鍵因素。

   研究人員主要在雙曲面車門玻璃升降導軌設計和仿真偏差方面取得一定成績,但是少有人通過試驗方法測量玻璃升降運動的偏差,而試驗驗證始終是檢驗理論設計的有效方法。試驗不僅考慮車門的生產、制造偏差,導槽密封條的作用,這些是仿真中沒有考慮的,還需要檢驗仿真中導軌設計的有效性。

   本文提出一種測量計算雙曲面玻璃運動偏差的試驗方法,還提出了一種擬合圓環面的方法,這種方法比文獻中的嘗試法更加精確。用仿真和試驗的方法研究了PMMA 側窗的升降運動偏差性能。結果表明,PMMA 玻璃仿真與試驗的趨勢一致,因此驗證了仿真中導軌設計的有效的;而PMMA 的運動偏差小于無機玻璃,說明PMMA 的升降運動偏差性能優于無機玻璃。

1 玻璃升降運動偏差仿真分析   

 1.1 擬合升降導軌  

    以一款C級車左后門為研究對象,針對其雙曲面車門玻璃的幾何模型,采用比例函數法擬合其升降導軌導線及導槽導線。根據玻璃圓環面的運動理論可知:理想情況下,即玻璃曲面不存在運動偏差時,玻璃曲面在下降過程中,R 點一定經過R''點。車門玻璃下降的過程中,初始位置上的R 點繞軸線O1O2 旋轉到R'點,然后再沿軸線O1O2方向偏移到R''點,如圖1 所示。那么玻璃質心M 點沿同樣的圓環面運動時,點M 的運動軌跡即為玻璃導軌的導線,設計結果如圖2 所示。

1.2 升降運動仿真  

   調用DMU Kinematic 模塊進行玻璃升降運動仿真,分別測量玻璃在上止點位置、中間位置及下止點位置時玻璃坐標。  

1.3 圓環法擬合玻璃形面   

   論文在UG 中選取玻璃上的點,通過嘗試法擬合的圓環較為粗糙,不能精準確定玻璃型面的位置,因此本文提出一種用圓環法擬合玻璃型面的方法,在matlab 軟件中,運用坐標變換和最小二乘的方法較為精確地擬合了圓環面,根據測得的窗框上點的坐標,運用Matlab 軟件根據最小二乘法擬合圓環面,將此圓環面作為玻璃型面,計算玻璃升降運動后距離圓環面的偏差作為玻璃升降運動偏差。   

(1)選取擬合圓環初始值

   仿真時需要輸入的參數為窗框上點的坐標和圓環面的初始參數。其中,圓環初始參數包括:大圓環圓心(X0,Y0,Z0),大圓環的軸線向量ap=(mi,ni,p),大圓環的半徑r0,小圓環的半徑s0。如圖2 所示,在Catia 中輸入窗框的坐標,通過窗框上邊緣距離較遠的三點確定大圓環,量取大圓環的圓心、軸線和半徑,然后在窗框靠近B柱的邊緣距離較遠的三點確定小圓環,量取小圓環的半徑二窗框點的坐標集記為X,其中i 點的坐標為xi,yi,zi。  

(2)旋轉坐標   

由大圓環軸線得到旋轉角θ1和θ2,sinθ1、cosθ1、sinθ2和cosθ2可表示為公式(1-4)。通過旋轉平移將窗框上的點旋轉到以大圓環圓心為原點,Z 軸與圓環軸線相重合的坐標系中。設旋轉后窗框上點坐標集為X2,i 點的坐標變為x'i,y'i,z'i,則旋轉后的坐標如公式(3) 所示。

(3) 計算窗框上點到圓環面的距離   

    根據公式(8)計算旋轉后窗框上點i 到圓環面的距離,用最小二乘法求得偏差最小條件下的圓環參數,如公式(9) 所示。

(4) 反轉坐標得到圓環參數   

    最后,通過旋轉平移得到在原坐標系下的圓環面參數:x0n=(15633,560,- 22182),an=(8359,55,5489),rn=26395,sn=1168.2。

1.4 計算運動偏差   

   當玻璃運動到不同位置時,計算玻璃上樣本點距離圓環面的距離,得到玻璃的升降運動偏差,其分析結果如圖3 所示。

2 PMMA 升降運動偏差試驗分析  

 2.1 試驗環境與設備   

試驗主要采用HXY 系列單臂三維測量劃線儀,也就是三坐標測量儀。試驗環境溫度:30℃ -32℃。玻璃運動偏差試驗驗證裝置如圖6 所示。

2.2 試驗約束方法  

   固定車門的鉸鏈車身端以及門鎖端, 車門下邊界與水平面平行,車門本體盡可能與實際工作狀態保持一致,即豎直的置于水平面上。具體約束方式如圖5 所示 。

 

 2.3 系統坐標的確定   

將上鉸鏈中心定義為坐標原點。系統X、Y、Z 向的定義如圖4 所示。  

 2.4 測點布置   

    試驗中主要考察玻璃運動到不同位置時的運動偏差。由于車門造型主要考慮玻璃及車門的外表面,因此50個測試點都布置在玻璃外表面,如圖6 所示。 

 2.5 試驗步驟  

  1) 試驗準備。主要包括:三坐標測試系統中,車門固定支架的設計與加工, 三坐標測試系統的標定,以及車門的安裝與調試。  

  2) 預測試。在正式測量之前進行預測試,以保證三坐標測試系統能夠正常的工作。 

  3) 讀取各測試點測量數據,并進行記錄。   

2.7 試驗結果   

   計算升降過程中,玻璃在上止點位置、中間位置及下止點位置時的測點位置與圓環面的徑向差值,就可以得到玻璃在升降運動過程中的運動偏差,如圖7 所示。

3 無機玻璃升降運動偏差試驗分析   

   將PMMA 玻璃替換成無機玻璃,在無機玻璃上與PMMA 相對應的位置標記樣本點,通過與第2節中相同的步驟進行升降運動試驗。分別測量無機玻璃運動到初始位置、中間位置和終止位置時樣本點的坐標。用同樣的方法測量無機玻璃的偏差,得到三個位置的偏差如圖8 所示。

4 試驗結果與仿真結果對比分析  

  (1)對比論文中計運動偏差值和參考文獻中的偏差,可知圓環法擬合玻璃型面比嘗試法更加準確。仿真和試驗得到的玻璃升降運動偏差在0.5mm 內,相比原來論文的運動偏差范圍在2.5mm 內,大大減小了運動偏差,使玻璃型面擬合更加有效。   

(2)璃升降運動過程中的運動規律。分析PMMA 仿真結果,PMMA 試驗結果和無機玻璃的實驗結果可知,玻璃在下降過程中,具有逐漸向玻璃型面內側偏的趨勢。規定玻璃運動向內偏時偏差為負值,向外偏時偏差為正值。從圖3、7、8 可以看出, 玻璃在起始位置時的偏差相對較大,下降過程中偏差逐漸減小。所以,對于玻璃上的同一列點,在玻璃向下運動過程中逐漸向內側偏。   

(3) 仿真結果圖3 和試驗結果圖7對比可知,玻璃仿真運動的趨勢與試驗一致。檢驗了比例函數法設計的導軌的有效性。在仿真過程中,沒有考慮到密封條和窗框的限制作用,而試驗過程中又存在生產與裝配的誤差,兩者均會使偏差值偏大, 但前者的影響小于后者。從對比結果中可以看出PMMA 試驗結果與仿真結果較為相近,說明了PMMA 玻璃本身較小的剛度使其能夠與密封條更好的協調,所以在運動過程中偏差較小。   

(4) 對比PMMA 玻璃和無機玻璃的運動偏差可知,二者的運動趨勢一致, PMMA 玻璃的運動偏差要明顯小于無機玻璃,說明PMMA 運動偏差性能優于無機玻璃。
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