基于simulink的汽车电动天窗运动仿真研究

ＤＲＩＶＥＳＹＳＴＥＭ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ　Ｖｏｌ．３４　Ｎｏ．１

２０２０Ｍａｒｃｈ　

（）１００６８２４４２０２００１０２１０４　　文章编号：－－－基于ＳＩＭＵＬＩＮＫ的汽车电动天窗运动仿真研究

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＰｏｗｅｒＳｕｎｒｏｏｆＭｏｔｉｏｎＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ　　　　　　

ｏｎＳＩＭＵＬＩＮＫＢａｓｅｄ　　

胡信鹏　王锦安　徐鹍鹏

（）泛亚汽车技术中心有限公司上海２０１２０１

Ｈｕ　ＸｉｎｅｎａｎＪｉｎａｎ　Ｘｕ　Ｋｕｎｅｎｐｇ　Ｗｇ　ｐｇ（）Ｐａｎ　Ａｓｉａ　ＴｅｃｈｎｉｃａｌＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＣｅｎｔｅｒ，Ｓｈａｎｈａｉ２０１２０１　　　ｇ［摘要］汽车售后市场偶有天窗误防夹或防夹力超过法规导致的险肇事故发生。研究了汽车电动天窗的机械结构，对天窗关闭运动过程中机械组、软轴、挡风网等主要部件进行详细受力分析的基础上，建立天窗和通过Ｓ可为天窗防夹算法的开发提供物理电动机的数学模型，ＩＭＵＬＩＮＫ求解出运动过程中电机转速，基础。

［］，ＡｂｓｔｒａｃｔＰｏｗｅｒｓｕｎｒｏｏｆａｃｃｉｄｅｎｔｓｏｃｃａｓｉｏｎａｌｌｈａｅｎｓｉｎａｕｔｏａｆｔｅｒｓａｌｅｓｍａｒｋｅｔｓｕｃｈａｓｆａｌｓｅｒｅｖｅｒｓａｌａｎｄ　　　　　　　　　　　ｙｐｐ　

，ａｎｔｉｉｎｃｈｏｗｅｒｆｏｒｃｅｅｘｃｅｅｄｉｎｒｅｕｌａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｕｎｒｏｏｆｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅｄｅ－ｐ　　　　　　　　　－ｐｇｇｙ　ｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅｔａｉｌｆｏｒｃｅａｎａｌｓｉｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｓｏｆｔｃａｂｌｅａｎｄｗｉｎｄｄｅｆｌｅｃｔｏｒｄｕｒｉｎｓｕｎｒｏｏｆｃｌｏｓｉｎｉｓ　　　　　　　　　　　ｐｙｇｇ　　

，ｓｕｎｒｏｏｆａｎｄｍｏｔｏｒｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ＢａｓｅｄｏｎＳＩＭＵＬＩＮＫｓｏｆｔｗａｒｅｔｈｅｍｏｔｏｒｒｏｔａｔｉｏｎ　　　　　　　　　　　，ｒｏｖｉｄｅｓｈｓｉｃａｌｉｎｃｈｖｅｒｓｕｓｔｉｍｅｃｕｒｖｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｗｈｉｃｈａｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒａｎｔｉＡｌｏｒｉｔｈｍｄｅｖｅｌｏｓｅｅｄ　　　　　　　　　　　－ｐ　　－ｐｐｙｇｐｐｍｅｎｔ．

电动天窗　软轴　霍尔传感器　ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真　　关键词：

：ｅｗｏｒｄｓｓｕｎｒｏｏｆｒｉｖｅｃａｂｌｅａｌｌｓｅｎｓｏｒＩＭＵＬＩＮＫｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｗｅｒ　　Ｋ　　ｄ　　ｈ　　Ｓ　ｐｙ　ＴＰ３９１．４　　　　　文献标识码：Ｂ　　中图分类号：

１　引言

汽车安装电动天窗能使整车内部光线明亮而

且有利于汽车行驶中换气，减轻空调的负荷从而降

中国市场的天窗配置率已超低油耗。据市场调研，

过７０％。但由于防夹功能故障导致的安全事故时有发生，提高天窗防夹算法的可靠性显得尤为重要。

现阶段行业内普遍的防夹方案是使用霍尔传

天感器配合电机输出轴上的磁环来检测电机转速，

窗关闭过程中，当电机转速下降到某一限值，即认

防夹功能启动，如图１所示。为系统遇到障碍物，

旨在识别和分析　　为了提升防夹功能的可靠性，

为天窗防夹算法对电机转速产生干扰的潜在因素，

的开发提供理论依据。

图１　天窗转速检测原理

Ｆｉ．１　Ｓｕｎｒｏｏｆｒｏｔａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｒｉｎｃｉｌｅ　　　ｇｐｐ

］１２－，成：电机驱动齿轮、两根软轴和机械组［如图２所

示。天窗玻璃使用防松螺栓安装在两侧的机械组上，软轴的一端与机械组连接，另一端为自由端，在管道内滑动。

电机的的输出端为驱动齿轮，由驱动齿　　如图３，

轮带动两根软轴在管道中同步滑动，最终带动天窗／玻璃以７０ｍｍｓ左右的速度开启和关闭。

　　软轴带动机械组从位置１滑动到位置２完成天窗的关闭动作，同时软轴自由端从位置Ι移动到位

２　电动天窗工作原理

电动天窗的运动执行机构由三个主要部分组

：＿作者简介：胡信鹏，男，硕士研究生，主要研究方向：车身外饰部天窗系统。Ｅ－ｍａｉｌＸｉｎｅｎｈｕａｔａｃ．ｃｏｍ．ｃｎ．＠ｐｐｇ

—２１—

胡信鹏等：基于ＳＩＭＵＬＩＮＫ的汽车电动天窗运动仿真研究

图２　天窗爆炸图Ｆｉｇ．２　Ｓｕｎｒｏｏｆ　ｅｘｐ

ｌｏｄｅｄ　ｖｉｅｗ图３　天窗运动结构Ｆｉｇ

．３　Ｓｕｎｒｏｏｆ　ｍｏｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ置ΙＶ。以单侧软轴为例，

电机要克服天窗机械组与导轨之间的摩擦力Ｆｍ、

转角Ａ处的软轴挤压力ＦＡ、转角Ｂ处的软轴自由端挤压力ＦＢ以及天窗玻璃下压挡风网的弹簧力Ｆｗ；其中Ｆｍ、ＦＡ为恒力，而ＦＢ、ｗ仅发生与天窗关闭过程中的某特定阶段（

天窗开度用η表示，０表示完全关闭，１００％表示完全开启）

。同时考虑电机的负载为两侧两根软轴的合力，则：

烄２（Ｆｍ＋ＦＡ）（０＜η≤１０％，Ｆ＝６５％＜η≤７５％，９０％＜η≤１００％）烅２（Ｆｍ＋ＦＡ＋ＦＢ）（７５％＜η≤９０％）

烆２（Ｆｍ＋ＦＡ＋Ｆｗ）（１０％＜η≤６５％）（１

）　　首先，

考虑天窗机械组与导轨之间的摩擦力ｍ。单侧机械组质量为０．１９ｋｇ，天窗玻璃总成质量为５ｋｇ；天窗导轨为铝材，表面阳极氧化处理，机械组为ＰＯＭ（聚甲醛树脂）材料，滑动摩擦系数μ为．１５。因此，运动中机械组对电机造成的力Ｆｍ为：Ｆｍ＝μｍｇ＝０．

１５×（０．１９＋５２

）×９．８＝３．９５Ｎ（２

）　　其次，

考虑转角Ａ处的软轴挤压力ＦＡ（图４），即软轴受到管道的约束力产生形变的过程［３］

：α为

—２２—

圆弧的包角，

圆弧处的曲率半径ρ，为便于推导，忽略圆弧处的软轴重量作用，得到微小段的平衡方程。

图４　天窗软轴在前框转角Ａ处的运动受力简图Ｆｉｇ．４　Ｓｕｎｒｏｏｆ　ｃａｂｌｅ　ｆｏｒｃｅ　ｄｉａｇ

ｒａｍ　ｉｎ　Ａ　ａｒｅａ　ｏｆ　ＦＲＴ　ｆｒａｍｅ方向：

（Ｆ＋ｄＦ）ｃｏｓｄαｄα２－Ｆｃｏｓ２－μｄＮ＝０

（３

）式（３

）经简化为：ｄＦｃｏｓｄα２

－μｄＮ＝０

（４

）方向：

ｄＮ－（Ｆ＋ｄＦ）ｓｉｎｄαｄα２－Ｆｓｉｎ２

＝０

（５

）式（５

）简化为：ｄＮ－２Ｆｓｉｎｄαｄα２－ｄＦｓｉｎ２

＝０

（６

）又因为：ｄαｄ２→０，故ｓｉｎαｄαｄα２→２，ｃｏｓ２

→１。

把（４）式和（６）式联立后得：ｄＦＦ＝μｄα，

把两边积Ｆ２

α分后：∫ｄＦ＝μｄα，得：ＦＦ１

∫

０

Ｆ２＝Ｆ１×ｅμα（７

）　　通过式（

７）可以看出软轴在弯管中的受力主要与所经过弯管的包角有关，与弯管曲率半径ρ无关。若摩擦系数μ为０．１８，

角度α为π２

，可以推得：Ｆ２＝１．３×Ｆ１

（８

）　　由式（

８）可以推导在Ａ部分处，软轴的受力：ＦＡ＝１．３×Ｆｍ＝５．１Ｎ（９）　　再次，

考虑转角Ｂ处的软轴自由端挤压力ＦＢ（图５）：通过挠曲线方程ω＝－Ｆｌｔ３

３ＥＩ求得管道作用于

软轴的力Ｆｔ。实验中软轴是个挠度为－３５ｍｍ，长度５００ｍｍ，

直径６ｍｍ的受力体。计算出软轴的惯性极矩Ｉ＝π４４

６４

ｄ＝６３．６ｍｍ

。由于软轴材料弹性模量为Ｅ＝２０５ＧＰａ，因此计算得Ｆｔ＝

１１．０Ｎ。ＸＹＦＦ０胡信鹏等：基于ＳＩＭＵＬＩＮＫ的汽车电动天窗运动仿真研究

图５　天窗软轴在前框转角Ｂ处的运动受力简图Ｆｉｇ．５　Ｓｕｎｒｏｏｆ　ｃａｂｌｅ　ｆｏｒｃｅ　ｄｉａｇ

ｒａｍ　ｉｎ　Ｂ　ａｒｅａ　ｏｆ　ＦＲＴ　ｆｒａｍｅ　　由于管道的圆弧包角α是个变量，

所以软轴在部分的受力需要通过积分运算来求得。运用公式（７

）可以求得软轴在管道Ｂ部分的受力为：ααＦＢ＝Ｆｔ×

ｅ∫μｄα０

＝１１ｅ∫μｄα０

（１０）　　最后，

考虑天窗玻璃下压挡风网的弹簧力Ｆｗ。如图６天窗玻璃打开时，前框处的挡风网起翘，起到扰流、降低风噪的作用。天窗关闭过程中，由玻璃总成两侧下表面的滑脚同时下压挡风网，使得天窗完全关闭时，遮阳帘收纳在玻璃总成和前框之间。

图６　天窗开启视图

Ｆｉｇ．６　Ｓｕｎｒｏｏｆ　ｖｉｅｗ　ｉｎ　ｆｕｌｌｙ　

ｏｐｅｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　　因此在天窗玻璃开始下压挡风网到完全关闭

整个过程中，

会受到一个逐渐增大的弹簧力（弹性系数ｆ＝４９０Ｎ／ｍ，弹簧最大变形量Δｘ为３０ｍｍ）

：Ｆｗ＝ｆ·Δｘ＝４９０Δｘ（１１

）　　联立（

１）、（２）、（９）、（１０）、（１１），得：烄１８．１（０＜η≤１０％，

６５％＜η≤７５％，９０％＜η≤１００％）

α２（９．０＋１１ｅ∫μｄα０

）Ｆ＝烅（７５％＜η≤９０％，０＜α≤π２

）２（９．０＋４９０Δ

ｘ）烆（

１０％＜η≤６５％，０＜Δｘ≤３０）（１２

）　电机模型

［４－５］

电压平衡方程：Ｕ＝ＬｄＩＤｔ＋ＩＲ＋Ｅ，

感应电动势方程：Ｅ＝Ｃｅｎ，电磁转矩方程：Ｍ＝ＣｍＩ，转矩平衡方程：Ｊｄｎｄｔ＝Ｍ－Ｍｆ。其中：Ｕ为输入电压即电枢电

压，Ｌ为电枢回路总电感，Ｒ为电枢回路总电阻，Ｉ为电枢回路总电流，Ｅ为反电动势，Ｃｅ为感应电动势系数，ｎ为电机转速，Ｍ为电磁力矩，Ｍｆ为电机空载转矩和负载等效到电机轴上的转矩之和。

通过方程得简化可以推得转矩与转速的关系式为：

ｎ＝

Ｕ－Ｒ×Ｍ／ＣｍＣ（１３

）ｅ　　拉普拉斯变换后电压与电流间的传递函数为：

Ｉ（ｓ）１／ＲＵ（ｓ）－Ｅ（ｓ）＝Ｔ（１４

）１ｓ＋１　　其中ＴＬ１＝Ｒ为电枢回路电磁时间常数，

单位

为ｓ

。拉普拉斯变换后，电流与电动势之间的传递函数：

Ｅ（ｓ）Ｉ（ｓ）－Ｉ（１５）ｄＩ（

ｓ）＝ＲＴｍｓ　　转速与电动势之间的传递函数：

Ｅ（ｓ）ｎ（ｓ）＝Ｃｅ（１６

）　　根据电机参数和公式建立一个电机模型，仿真中由负载力通过公式计算出负载电流从而得出电

机的实际转速。仿真时根据图１所示软轴在管道中运行的三个阶段进行逐步分析：

电机负载转矩为：

Ｍ＝Ｆｒ（１７

）　　其中ｒ为电机驱动齿轮的半径，

约为８ｍｍ。则电机转速可以通过式（１１）和式（１５）的联立求得：

ｎ＝（Ｕ－ＲＦｒ／Ｃｍ）／Ｃｅ（１８）　　将式（

１２）带入式（１８），即可得到完整的电机数学模型，

在此不再赘述。　ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真及实验

通过天窗在以上三个阶段运行情况，并通过模块在仿真中的搭建，从而得出ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真图。

　　图８所示为Ｓ

ＩＭＵＬＩＮＫ建模仿真出电机转速的曲线与实际零件采集曲线的比较，

图中的横坐标代表天窗玻璃位置（０代表完全开启位置，３０ｃｍ代表完全关闭位置）

，纵坐标代表电机的转速。显然，两条曲线有较高的相似程度，证明了上述的理论分析能够基本描述实际天窗零件关闭过程中的子零件相互作用力传递关系。

—２３—

Ｂ４３胡信鹏等：基于ＳＩＭＵＬＩＮＫ的汽车电动天窗运动仿真研究

图７　ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真模型Ｆｉ．７　ＳＩＭＵＬＩＮＫｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄａｌ　　ｇ

）在天窗挡风网具备足够的起翘高度和弹簧４

支撑力，确保高速情况下挡风网扰流作用的前提下，尽量选择较低弹性模量的弹簧，能有效降低挡风网的弹簧力Ｆｗ的峰值和变化率；

）相比恒力Ｆｍ、在电５ＦＡ对于电机的稳定负载，动天窗防夹算法的开发过程中，应在天窗关闭全程中的特定阶段提高防夹算法精度，准确识别变力

图８　电机的仿真与实验转速图

Ｆｉ．８　Ｍｏｔｏｒｒｏｔａｔｉｏｎｓｅｅｄｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔ　　　　　　ｇｐ

ＦＢ、Ｆｗ对于电机转速的影响。

总之，本文对于汽车电动天窗关闭运动中机械组、软轴等主要部件的受力分析，对后续的天窗结构设计优化提供了灵活的思路。识别天窗机械结构的工作原理、子零件之间作用力，对于开发出鲁棒性高、售后安全隐患少的防夹算法提供了物理基础。

５　结论

本文在基于直流电机方程的基础上，详细分析了天窗的结构特点以及动态运动中各种部件所存在的受力问题。从而通过数学建模，建立了汽车天窗直流电机转速系统模型，并运用ＳＩＭＵＬＩＮＫ对其进行动态仿真。最后通过与实际零件采集的电机转速数据相比较，证明了上述数学模型建立基本正确，从而为防夹算法的开发提出准确的依据：）天窗关闭过程中运动得越平顺，即电机转速１

接近恒定值，防夹算法越简单、可靠；）通过选择低滑动系数的材料和润滑油，能降２

低天窗机械组与导轨之间的摩擦力Ｆｍ和软轴机械组端受到的管道挤压力ＦＡ；

）在软轴自由端增加导向特征能显著降低软３

轴自由端受到的管道转角挤压力ＦＢ；

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参考文献

［］天窗）的结构与工作原１　吴基安，董素荣．汽车电动车顶（

］（）：理［Ｊ．汽车电器，２００１１２３２６．－［］２　许小侠，赵静斌，韩英淳．基于虚拟样机的轿车天窗运

：动机构的设计［Ｊ］．机械工程学报，２００８，４４（９）２２５２２９．－［］３　姜生远，陈　明，邓宗全，等．管内拖缆作业机器人拖线

］（）：力计算方法研究［Ｊ．管道技术与设备，１９９９５３９４１．－［］机械工业出版４Ｍ］．北京：　陈伯时．电力拖动控制系统现［

社，２０００．［］５　戴国骏，张　翔，张怀相，等．电动车窗防夹系统的建模

］（）：与实现［Ｊ．汽车工程，２００８，３０６５３９５４１．－