單導(dǎo)軌搖窗機系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

李冰洋

(上海博澤汽車部件有限公司，上海 201814)

0 引言

根據(jù)售后反饋的大數(shù)據(jù)分析，造成搖窗機失效的原因絕大多數(shù)來自升降滑塊的卡滯和繞線的跳槽。經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析可知：玻璃震顫卡死誤防夾等問題是主要缺陷模式。文中對滑塊的結(jié)構(gòu)、空間布置及繞線系統(tǒng)的合理布局進行研究, 設(shè)計出一種效率更高的單導(dǎo)軌搖窗機升降系統(tǒng)，減少玻璃升降器的失效概率，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

1 單導(dǎo)軌搖窗機系統(tǒng)的受力分析

目前由于搖窗機的滑塊結(jié)構(gòu)和布置不合理，導(dǎo)致滑塊卡死，跳槽率增加，降低了使用壽命，增加了零公里和售后故障率的風險。針對這些售后質(zhì)量問題進行單導(dǎo)軌搖窗機的受力分析。

如圖1所示為單導(dǎo)軌系統(tǒng)的受力分析圖。

力矩公式：M=FL。設(shè)靠B柱玻璃所受摩擦力為fB，靠C柱玻璃所受摩擦力為fC，a段玻璃受導(dǎo)槽摩擦力為f左，b段玻璃受導(dǎo)槽摩擦力為f右，Δ為玻璃重心Mass點到玻璃銷子中心O的距離。

理想狀態(tài)下：

(1)上升時為克服重力，玻璃受摩擦力力矩和：

∑M=fB·a+f左·a/2+G·Δ-f右·b/2-fC·b

(2)下降時為克服重力，玻璃受摩擦力力矩和：

∑M=-fB·a-f左·a/2+G·Δ+f右·b/2+fC·b

理想狀態(tài)下，力矩和∑M越小越好，當趨于零的時候，搖窗機玻璃系統(tǒng)最平穩(wěn)，此時系統(tǒng)摩擦力最小，即玻璃的上升下降受到的阻力最小。

通過連續(xù)調(diào)試銷子點O在水平方向的位置，得到多組玻璃上升下降的電機扭矩曲線，選取電機扭矩最小和平穩(wěn)的區(qū)域所對應(yīng)的玻璃銷子的位置。一般轎車車身結(jié)構(gòu)，Δ的值約在銷子前后(15 mm,20 mm)的區(qū)域。

玻璃上升過程中當B柱進槽、C柱剛要進槽時，此時滑塊左側(cè)的彈片受到的力最大，如圖2所示為滑塊受力分析圖。此時彈片的變形量δ最大，變形應(yīng)該小于到滑塊肩膀的距離，如果接觸到滑塊肩膀，系統(tǒng)就變成剛性的系統(tǒng)，會對導(dǎo)槽造成損傷。設(shè)K為滑塊所選材料的彈力系數(shù)， 此時fC=0，彈片對玻璃的力為FB。

此時有

FB·L=-fB·a-f左·a/2+G·Δ+f右·b/2

δ=(-fB·a-f左·a/2+G·Δ+f右·b/2)/(KL)

在設(shè)計滑塊的緩沖彈片時，彈片到滑塊肩膀的距離取δ的1.5～2倍。用該種方法設(shè)計的滑塊彈片，在沒有外力的情況下，既能保證玻璃不和滑塊肩膀發(fā)生硬接觸，又能使搖窗機系統(tǒng)很好保持系統(tǒng)升降的動態(tài)平衡。

2 導(dǎo)軌工作曲面的確定

下面是應(yīng)用CATIA軟件中DMU分析模塊建立運動機構(gòu)來確定導(dǎo)軌工作曲面的大致方法。

(1)導(dǎo)軌橫向運動面的確定。將搖窗機的滑塊和玻璃固連，分別在靠近A柱滑塊上取一個點，在靠近B滑塊上取兩個點，這兩點分別在一條縱向運動曲線上，此縱向運動曲線通過玻璃導(dǎo)槽和滑塊的結(jié)構(gòu)共同確定，此時滑塊和玻璃的運動機構(gòu)的自由度為1；驅(qū)動一條點曲線運動時，驅(qū)動上止點的位置為玻璃的上限位置，下止點的位置為玻璃的下限位置，系統(tǒng)自由度為0。這樣，整個運動系統(tǒng)就有效建立起來，模擬仿真并掃描出軌跡，根據(jù)滑塊的結(jié)構(gòu)可以確定導(dǎo)軌的橫向工作滑行面。

(2)縱向工作曲面的確定。確定滑塊的工作曲線后，沿滑塊的縱向工作曲線作出滑塊橫向工作曲面的法面，就得到導(dǎo)軌的縱向工作滑行面。導(dǎo)軌的橫向工作面和縱向工作面是滑塊運行的面。

導(dǎo)軌橫向工作曲面和導(dǎo)軌兩端的滑輪裝配面間有特定的空間幾何關(guān)系，關(guān)系如下：

當滑塊在導(dǎo)軌的上端時，鋼絲繩引出至滑塊的連線與滑輪支撐配合面的夾角α1；當滑塊由上至下滑到導(dǎo)軌底部的過程中，由于導(dǎo)軌工作面是弧形，鋼絲繩會和導(dǎo)軌上表面貼合，引出至貼合點的連線和滑輪支撐安裝面的夾角α2?；瑝K上下滑動的過程中，角度α在[α1,α2]中變化，優(yōu)化滑輪的裝配面，調(diào)整其空間角，使這個角度區(qū)間最優(yōu)化，使得鋼絲繩對滑輪產(chǎn)生的壓力最小，通過試驗確定該角度的可行性。角度示意圖如圖3所示。

由于4個滑輪在導(dǎo)軌上受到空間限制，只能達到一個最優(yōu)化的結(jié)果。設(shè)鋼絲繩的的拉力為F，對滑輪的壓力為Fsinα，理論上α越小越好，角度成負角(即偏向?qū)к壚锩孢@一側(cè))；而現(xiàn)在的搖窗機有很多產(chǎn)品由于空間的關(guān)系，設(shè)計值為正值，正值相當于把鋼絲繩往外拽，隨著時間延長，磨損加大，鋼絲繩跳出滑輪；若角度設(shè)計成負角，那么當滑塊滑到下止點的過程中，鋼絲繩先和導(dǎo)軌相碰，這樣就阻止了鋼絲繩相對于滑輪表面的角度繼續(xù)增大，減小磨損，從而延長系統(tǒng)壽命。

導(dǎo)軌的縱向工作面、橫向工作面、滑塊工作上止點和滑塊工作下止點確定后，滑塊工作曲面就確定了，通過試驗驗證和空間優(yōu)化確定滑輪裝配支撐面，根據(jù)車門的布置情況來確定接口的位置和導(dǎo)軌其他的形面，這樣搖窗機導(dǎo)軌的形面就確定了。通過該方法確定的導(dǎo)軌工作曲面，在DMU下作出運動機構(gòu)分析可知：玻璃與導(dǎo)槽之間干涉情況較好，滑塊和導(dǎo)軌曲面間的干涉趨于零。

通過此方法優(yōu)化設(shè)計出單導(dǎo)軌玻璃升降器樣件，與原車型的零件系統(tǒng)作為試驗對象進行比較。在門板疲勞系統(tǒng)試驗臺架試驗中，根據(jù)標準TL 82386-2013《汽車玻璃升降器測試要求》第4.1節(jié)和7.1節(jié)進行標準數(shù)量的玻璃升降循環(huán)系統(tǒng)的疲勞耐久試驗，考查零部件的疲勞特性及磨損情況。

導(dǎo)軌和繞線蓋板的出線角要保證鋼絲繩走向順滑，曲率大于80 mm。這樣能保證鋼絲繩正常運行，減少摩擦，增長壽命，減少異響。兩個出線角也不能大于180°，否則會增加繞線輪跳槽概率、繞線輪和蓋板間的摩擦，縮短使用壽命。

3 設(shè)計驗證

在規(guī)定的實驗條件下，考察優(yōu)化前后搖窗機系統(tǒng)的疲勞耐久性能對比。表1—表2分別為原車型和優(yōu)化后的搖窗機系統(tǒng)試驗條件。

表1 原車型的搖窗機系統(tǒng)試驗條件

表2 優(yōu)化后的搖窗機系統(tǒng)試驗條件

通過兩組數(shù)據(jù)可以得出：無論是在疲勞試驗前還是在疲勞試驗后，通過該方法設(shè)計的搖窗機系統(tǒng)，門板系統(tǒng)電機的電流值、電機堵轉(zhuǎn)電流值均減小，玻璃升降速度均增大。說明通過此方法設(shè)計的工作曲面運行阻力較小，傳動效率較高。

繪制原車型搖窗機和優(yōu)化設(shè)計的單導(dǎo)軌玻璃升降器上升時的電機扭轉(zhuǎn)力矩值隨時間變化的曲線圖，如圖4—圖7所示，可以更直觀地說明此方法設(shè)計曲面的效果。

通過電機扭矩圖可以看出：設(shè)計的單導(dǎo)軌升降系統(tǒng)相對于原型，在疲勞試驗前后扭矩的穩(wěn)定值均明顯減小。

批產(chǎn)后的數(shù)據(jù)：原搖窗機售后故障率普遍在0.8%左右，通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計后下降到0.25%以下。該優(yōu)化設(shè)計方案對于公司質(zhì)量水平和售后索賠損失的減少具有重要的意義。

4 結(jié)束語

通過對搖窗機系統(tǒng)零部件兩組主觀評價數(shù)據(jù)分析可知，優(yōu)化后的工作曲面運行平穩(wěn)，噪聲小，達到客戶所要求的試驗標準，且磨損情況均小于原車型搖窗機玻璃升降系統(tǒng)。該產(chǎn)品批產(chǎn)后極少發(fā)生因為滑塊的過度磨損而引起的異響或鋼絲繩跳槽。綜上所述，試驗和實踐都證明該設(shè)計方法是有效可行的。