淺析幾種車窗升降機構

張靜秋，金標

（廣東科技學院，廣東 東莞 523083）

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淺析幾種車窗升降機構

張靜秋，金標

（廣東科技學院，廣東 東莞 523083）

摘 要：車窗升降器是車內所有乘員使用頻率最高的一個設備，升降器的使用品質，如升降器開關車窗的速度、噪聲等，直接影響乘員乘車的舒適性感受。文章分析了三種車窗升降器的結構、工作原理和各自的特點，其中有兩種是目前市場上流行的臂式和繩輪式，另外一種是一項新發明的軌道式結構，其結構新穎，全塑料零件，無需潤滑，傳動效率高，重量輕。

關鍵詞：車窗升降器；臂式；繩輪式；軌道式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.061

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-185-03

前言

2015年11月份中國乘用車銷量202.4萬輛 同比增17.6%，乘用車在國內迅速普及，人們選車早已不是僅停留在交通工具層面，舒適性、安全性等體驗要求越來越高。操縱車窗升降是成員在車內進行的最頻繁的動作，車窗操縱的便捷性、安靜性直接影響了乘員的用車體驗。目前市場上主流的車窗升降器主要有臂式玻璃升降器、繩輪式玻璃升降器，另外還有一種新型車窗升降器，下面就這三種機構加以比較分析。

1、三種車窗升降器結構和工作原理

1.1 臂式玻璃升降器

臂式玻璃升降器的傳動機構有一個由手動小齒輪或電機小齒輪驅動的扇形齒板。扇形齒板連接在一個沖壓成型的主臂上，主臂端部有個滑塊或者滾輪，主臂通過它來支撐玻璃安裝滑軌。臂式結構又分為單臂式和叉臂式。

圖1　單臂式玻璃升降器

圖2　叉臂式玻璃升降器

單臂式玻璃升降器的結構，見圖1。其結構特點是由單臂完成傳動與支撐，這種簡單的升降器結構只適用于玻璃較為規則，兩側為平行直邊，玻璃重量較小的情況。叉臂式玻璃升降器，見圖2。叉臂式升降器與單臂式玻璃升降器相比，叉臂式玻璃升降器本身有一個活動的支撐滾子和兩個提升滾子，這樣可以保證玻璃平行升降，提升力也較大。

1.2 繩輪式玻璃升降器

圖3、圖4所示，是兩種繩輪式玻璃升降器結構。繩輪式機構通過小齒輪轉動繞有鋼絲繩的卷絲筒，從而帶動鋼絲繩，鋼絲繩通過導槽的兩個滑輪定位后，帶動滑塊上下滑動，而實現玻璃的升降運動。鋼絲繩的松緊度可用張緊輪進行調節。繩輪式結構又分為單導軌式和雙導軌式兩種。

圖3　單軌道繩輪式玻璃升降器

圖4　單軌道繩輪式玻璃升降器

1.3 軌道式車窗升降器

軌道式結構[1]與臂式和繩輪式結構相比，呈現了一種完全不同的設計思路，前者設計了一種新奇的傳動裝置，通過直接驅動的辦法，獲得了很高的傳動效率。圖5顯示了軌道式結構裝配情況。一塊底板上安裝有：一對互相嚙合的小齒輪，驅動電機和減速箱，一對金屬玻璃夾板（夾板直接與車窗玻璃連接）。中間軌道與車門通過兩點固定，中間軌道兩側有注塑成一體的兩條齒條。底板通過內部鎖止機構與導軌緊密連接。電機通電時，通過減速器直接驅動一個小齒輪（主動輪）轉動，主動輪再驅動另一個從動齒輪轉動，兩個小齒輪通過底板帶動車窗玻璃沿軌道齒條上升或下降，完成車窗的開啟與關閉。

圖5　軌道式玻璃升降器

齒輪驅動電機通過一根特殊設計的柔韌的電纜連接到汽車電路。這個卷成線圈的電纜能夠提高電纜的使用壽命，并且降低機構運行時的電磁輻射。軌道曲率與車窗玻璃曲率匹配。彎曲的軌道使得齒條上的齒受到輕微扭曲。齒條上每個齒的彎曲量小于2.5-5*10-3mm，這樣的要求在加工上很容易保證，使得這種導軌式機構能夠匹配各種形狀的車窗玻璃。軌道通過將連接左右齒條的中間體設計成網狀來保證機構橫向剛度。軌道機構還設置了停止緩沖減振裝置。所有結構性塑料元件在開發過程中，均使用有限元法驗證了在所有載荷條件下的結構強度。此外，在軌道模具設計和注塑過程中還進行了模流仿真分析。所有塑料元件均采用了可再生材料。

2、玻璃升降器驅動電機

目前乘用車玻璃升降器絕大多數為電控式。由電機驅動玻璃升降機構運行，帶動車窗玻璃上升或下降。在各種形式的電動門窗升降器中，其電機結構型式大同小異，一般均為永磁式直流電動機，由定子、電樞、碳刷端蓋、減速箱體等組成（圖6所示）。如果電機帶有防夾，遙控等自動化功能，電機要加裝電子集成模塊，由電機與電子模塊配合完成各種自動化指令[2]。

圖6　升降器電機結構示意圖

3、三種車窗升降器的比較

3.1 臂式結構和繩輪式結構

臂式結構，主要部件都是鈑金結構，零件加工方便。目前在汽車上，應用很廣。其中單臂式只有一個活動滾子，也就是說只有一個支撐點。因此，傳動臂與玻璃質心之間的位置是一直在變動的，玻璃升降時，穩定性較差，容易產生傾斜、卡滯[3,4]。叉臂式玻璃升降器改善了單臂式結構的上述缺點，制造工藝簡單，對車門的兼容性很強，也就是說，一個升降器可以布置在不同車型的車門上，可以平臺化生產。因此，這種結構的玻璃升降器被廣泛采用。

但臂式機構本身是一種平面運動機構，卻在大多數時間里要做曲面運動。這需要搖臂在升降車窗時，能夠在向內或向外的方向上撓動。這種撓動力需要控制在較小的水平，因為這種撓動力作用在車窗密封件上會產生額外的摩擦力，導致密封件磨損，從而引發車窗風噪或漏風，同時搖臂撓動力會降低機構傳動效率。臂式機構應用于弧形玻璃，其傳動效率甚至低于單導軌繩輪式結構。在機構運轉過程中，撓動力會引起車門內板的變形。在汽車的壽命期內，這些撓動力甚至能夠導致車門的疲勞損壞。因此在設計時，需要在撓動力和支撐力之間做出平衡。

繩輪式結構，最大的特點，傳動機構為滾輪與鋼絲繩繞合傳動，具有“柔式”的特點。這種結構的升降器在設計布置上，較為方便，機構運動所占用的空間小。而升降器本身的鋼絲繩是軟性的，安裝位置可以有更多的選擇。另外，這種結構還有很多優點，如結構緊湊，重量輕，運動時噪聲小等。因此繩輪式玻璃升降器，應用很廣泛，大有取代叉臂式升降器的趨勢。

但繩輪式結構的設計需要使用價格較貴的拉繩，因為要從材料上保證拉繩能夠長期可靠使用。同時拉繩在機構中是暴露在外的，在安裝過程中容易損壞。拉繩即使受到輕微的損傷，也能導致拉繩過早的損壞。所以需要為拉繩加護套，而護套本身又增加了機構的成本。

臂式和繩輪式結構，為了保證傳動效率，都要依賴于潤滑脂[5]。機構中的潤滑脂都是暴露的，很容易在裝配時污染到不需要潤滑脂的部件。這兩種機構裝配都很復雜，每個單元需要30-40個裝配零件。整套機構主要由鋼質零件組成，因此很重，四門車窗升降機構能為整車增重5-9Kg。復雜而數量眾多的零件需要高度自動化的裝配線，這需要高額的投入。

3.2 軌道式結構

最近開發的軌道式機構克服了臂式和繩輪式機構的諸多缺點。這種軌道式機構采用了直接驅動式的傳動機構，因此具有很高的傳動效率。該機構無需潤滑脂潤滑，即使環境溫度低至零下4攝氏度左右時，都可以保持一個穩定的傳動效率。系統高傳動效率對溫度很強的適應能力，允許選配尺寸更小、功率更低的電機，同時降低了系統運轉的驅動電流。整套機構由塑料構成，使得整體重量顯著減輕。

圖7　軌道式車窗升降器裝配流程

與臂式和繩輪式結構相比，軌道式結構的生產流程更加簡單。圖7展示了，通過四個工位的簡單裝配，即可組裝完成一套軌道式車窗升降器。生產流程的復雜程度直接和零件數量和裝配類型有關。以在同一個車門上，同樣的玻璃連接方式，分別安裝一套軌道式機構和一套繩輪式機構進行對比。軌道機構總共由18個零件，其中8個是緊固件，而繩輪機構有34個零件，其中由13個緊固件。OEM向軌道機構供一個緊固件，同樣工序需要向繩輪機構提供5個緊固件[1]。

在車門裝配過程中，軌道式機構只有一套固體單元，無需安裝線纜，也無需安裝叉臂。簡化的安裝過程縮減了OEM裝配時間和成本。軌道式機構無潤滑脂，方便了生產和運輸，同時避免裝配時污染車上其它敏感部件，并減少了因潤滑脂污染而產生的清理費用。

軌道式車窗升降器裝配流程如圖7。

4、兩種車窗升降器門上性能對比試驗[1]

在一款緊湊型小車車門上，分別安裝一套軌道式機構和一套繩輪式機構。車窗升起時，測量電動機的驅動電流-時間曲線，車窗玻璃上升到位時測量電機失速轉速下電流-時間曲線，試驗溫度分別為-6℃、22℃、80℃，每次試驗電機驅動電壓14.7V。

在此試驗中，參照對象是一套雙軌道繩輪式機構。試驗數據見表1：

表1　軌道式與繩輪式車窗升降器性能參數對比

幾組試驗數據對比顯示，在所有條件下，軌道式機構均比滾筒式機構驅動電流低，而且舉升時間短，傳動效率改進明顯。

5、結論

總的來看，軌道式車窗升降機構相對于目前市場上應用的機構有很大改進。軌道式機構有著更高的傳動效率，并且溫度適應性很強。高傳動效率允許選配尺寸更小、重量更輕的電機，同時降低了驅動電流，從而可以使用更細的導線。由于整套機構都采用塑料件，使得每個車門可以減重約1.3Kg。使用塑料零件驅動機構運轉，系統運轉更順滑、安靜。機構無需潤滑，保證了汽車裝配時免于滑油污染。由于機構小巧，節省了大量材料，使得生產過程簡單、低耗，節省了OEM安裝場地和裝配工人數量。

參考文獻

[1] David A.Choby, Paul J.Fenelon.An Efficient Light Weight all Plastic Dual Rack and Pinion Window Lift Mechanism for Automo -tive Vehicles[J].SAE 2004-01-0007.

[2] 田永,韋俊.汽車電動車窗的設計與開發[J].電氣制造,2013.6.

[3] 周余瑾.汽車玻璃升降器設計研究[D].長沙:湖南大學,2011.9.

[4] 魯偉.汽車玻璃升降器結構研究與仿真[D].武漢:武漢理工大學,2008.5.

[5] 李光樂,藍秉理等.汽車玻璃升降器脂潤滑耐久性試驗臺研究[J].潤滑與密封,2013.8.

經營管理

Study on Characteristics of Three Kinds of Car Window Lift Mechanism

Zhang Jingqiu, Jin Biao
( Guangdong University Of Science&Technology, Guangdong Dongguan 523083 )

Abstract:Car window lift is used most frequently by passengers，whose comfortable experience is directly influenced by the lift running quanlity, such as the time to raise the class, running noise.Here, three kinds of car window lift mechanism were studied in order to illustrate their construct, working principle and other characteristics.The three mechanisms are Arm & Sector, Drum & Cable and Rack lift.The Rack lift is a new developed mechanism, which is inherently more efficient with its unique design.The Rack lift is greaseless and constructed of plastic, which offers significant weight reductions.

Keywords:car window lift; arm & sector; drum & cable; rack lift

作者簡介：張靜秋，就職于廣東科技學院機電工程系。

中圖分類號：U463.8

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-185-03