1 概述

目前，汽車車門玻璃升降導軌材料均為鋼材，其密度大，比重重，易生銹^[1]。升降導軌通過導軌安裝孔與車門鈑金件連接，導向輪通過自攻螺釘與導軌連接，因此，導向輪基座變形前后法線夾角較大，影響車門玻璃升降的平穩性，且升降導軌上導向柱處受力較大，在玻璃的長期往復運行下，導向柱的可靠性降低，從而影響升降導軌使用壽命^[2-3]。

本文借助HyperMesh對汽車玻璃升降導軌總成進行前處理，運用OptiStruct求解^[4]，選取材料非線性和幾何非線性有限元仿真分析方法，考慮三種極限工況（上止點堵轉、下止點堵轉、中導軌扭轉載荷），對玻璃升降導軌進行以塑代鋼結構仿真設計，最終滿足所有性能指標，實現導軌本體減重46.9%。

2 玻璃升降導軌前處理

2.1 模型對比

玻璃升降導軌金屬結構幾何模型如圖1所示，導軌以塑代鋼結構幾何模型如圖2所示。

2.2 網格劃分

由于塑料導軌結構復雜，且局部有漸變料厚，若抽取中面，可能會丟失一些局部特征，對結果會有一定的影響，因此，塑料導軌采用二階四面體漸變網格單元，單元尺寸為0.8~1.5mm；其余部件采用中面、六面體及二階四面體單元進行網格劃分，單元尺寸為0.5~2.0mm。

2.3 材料與屬性

計算中所使用的材料參數見表1，長度單位為：mm。塑料導軌本體材料真實應力-應變關系曲線如圖3所示，考慮玻纖取向的影響，因此，其彈性模量選擇玻纖45°方向。

2.4 邊界條件及載荷工況

與車門鈑金件連接點采用固定約束，除螺釘螺栓連接采用綁定約束外，其余零部件之間的相互關系定義為接觸。

在上、下滑輪兩側、電機總成鋼絲處施加與鋼絲繩方向相同的力；在電機質心位置施加與電機重力相等的力，分析工況為上止點堵轉、下止點堵轉、中導軌扭轉載荷。電機堵轉力矩為12N·m，上止點堵轉時，上鋼絲繩拉力為電機堵轉力T=12N·m/0.0203m（繞線輪半徑）≈591N，下鋼絲繩此時只有彈簧的彈力約為20N^[5]。

3 分析結果

3.1 塑料導軌初版數據

通過有限元仿真分析，塑料導軌初版數據分析結果如圖4所示：

由圖4可以看出：導向輪基座變形前后法向夾角為5.1°，大于目標要求5°；導軌最大應力為112MPa，大于其拉伸強度60MPa；中導軌扭轉載荷工況，導軌側向剛度為1.84mm，大于目標要求1.25mm。所有分析指標均不滿足要求。

3.2 塑料導軌拓撲優化

根據塑料導軌現有造型，考慮與環境件的安裝位置，將導軌分為設計區域和非設計區域，其結構如圖5所示。通過控制條件（各個工況下的位移變形及材料拉伸強度）和約束條件，總體目標為設計區域體積最小，得到拓撲分析結果，如圖6所示。

圖5中青色部分為非設計區域，黃色部位為設計區域。由圖6可以看出：塑料導軌下止點堵轉工況區域需增加支撐，空缺部位較多的部位可根據模具成型工藝進行填料處理。

3.3 塑料導軌結構改進方案

更加拓撲優化結果，從力的傳遞路徑角度出發，塑料導軌的最終結構如圖7所示，其分析結果如圖8所示。

由圖7可以看出，導向輪將鋼絲的拉力傳遞給金屬墊片，金屬墊片再將力傳遞給導軌本體及導向輪安裝孔，既抑制了導向輪的翻轉，同時增大了力的接觸面積。由圖8可以看出，該結構設計滿足所有性能指標，且該結構相比金屬導軌減重46.9%。

4 分析與結論

運用HyperMesh中的OptiStruct求解器可對汽車玻璃升降導軌以塑代鋼結構進行拓撲優化和非線性有限元分析，從而指導產品結構設計，最終滿足所有性能指標，且該結構相比金屬導軌減重46.9%。分析結論表明：

（1）塑料導軌優化結構，導向輪基座變形前后法向夾角為1.2°，低于目標要求5°；

（2）塑料導軌優化結構，導軌最大應力為40.7MPa，低于其拉伸強度60MPa；

（3）塑料導軌優化結構，中導軌扭轉載荷工況，導軌側向剛度為1.00mm，低于目標要求1.25mm；

（4）塑料導軌優化結構相比金屬導軌減重46.9%。

5 參考文獻

[1] 黃春田.汽車玻璃升降器輕量化的設計.汽車零部件[J]，2016，（11）：46-49.

[2] 楊琳.車門玻璃升降器理論研究綜述.汽車技術[J].湖南農機，2012，39（11）：107-108.

[3] 黃宇流.車門玻璃升降器的設計及運動仿真.無錫太湖學院學士論文[D]，2013，（5）：22-23.

[4] 王鈺棟，金磊，洪清泉，等.HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實例[M]. 北京：機械工業出版社，2012，（08）：325-331.

[5] 周余瑾.汽車玻璃升降器設計研究.湖南大學碩士學位論文[D]，2011，（10）：9-10.