繩輪式單導軌汽車玻璃升降器設計方法的研究

董濤

(上海實業交通電器有限公司， 上海 200030)

0 引言

汽車玻璃升降器是指按照某種驅動方式使車窗玻璃上升或下降，并且能夠安全可靠地停留在駕駛員或乘客所需位置的機構。汽車玻璃升降器作為車身附件之一，其使用頻率較高且工作情況復雜，用戶對其性能感知明顯，如果前期設計不合理，很容易成為用戶投訴的焦點。本文作者以繩輪式單導軌汽車玻璃升降器設計時所考慮的影響因素為例，對汽車玻璃升降器的設計原理和設計過程進行相關研究，減輕設計人員的計算。

1 玻璃升降器結構的介紹

玻璃升降器不同的車型安裝的玻璃升降器各不相同，根據機械結構傳動方式的差異，大致分為手動式、電動式和液動式玻璃升降器。其中電動式玻璃升降器主要分為繩輪式、叉臂式和軟軸式3種型式，其中繩輪式可分為單導軌和雙導軌兩種典型的繩輪式玻璃升降器。文中采用繩輪式單導軌玻璃升降器，玻璃升降器組成部分如圖1所示。單導軌玻璃升降器是單根導軌拖動玻璃運動，其安裝空間小、成本較低、應用范圍廣泛[1]。

圖1 繩輪式升降器結構

2 汽車玻璃升降過程中受力分析

2.1 玻璃升降系統載荷的確定

汽車玻璃升降器在運行過程中的受力包含：前、后膠條的阻力，內、外水切阻力、重力沿玻璃運行方向的分力。受力狀態根據玻璃的運行狀態分為上升和下降兩種工況。玻璃上升時，以上力的方向均與玻璃的運動方向相反，需要電機提供動力克服以上系統阻力。玻璃下降時，玻璃重力沿導軌方向的分力變為動力，若該分力大于膠條和水切的阻力，為避免玻璃下降速度較大，電機需提供反向力矩；若該分力小于膠條和水切的阻力，電機需提供一定的力矩克服系統阻力[2-5]。以某品牌汽車的前門為例，玻璃上升和下降時的系統阻力如圖2所示。可以看出，玻璃上升時，升降器系統載荷為

圖2 玻璃運行時的受力分析圖

F0=f1+f2+f3+Gcosθ

玻璃下降時，升降器系統載荷

F0=f1+f2+f3-Gcosθ

其中：f1、f2、f3分別為玻璃A柱、玻璃B柱、內外水切的阻力，N；

L1、L2、L3分別為玻璃A柱、玻璃B柱、內外水切的長度，100 mm；

G為玻璃的重力，N；

θ為玻璃與重力垂直方向的傾斜角，(°)。

2.2 玻璃升降過程所受阻力矩的確定

以前門玻璃為例，由于玻璃上升和下降工況不同，玻璃所受阻力矩也分為上升和下降兩種工況。對玻璃滑塊提拉點取矩，假設玻璃向B柱傾斜的力矩為正方向，提拉點到B柱的距離為X，玻璃重心到B柱的距離為a。

玻璃上升時合力矩：

2.3 玻璃提拉點位置的確定

玻璃提拉點即電機在玻璃上力的作用點，是玻璃托架與玻璃的銜接點。對于雙導軌玻璃升降器提拉點有兩個，玻璃在升降過程中運行平穩。由于單導軌玻璃升降器只有一個提拉點，玻璃在升降過程中還需要依靠A柱和B柱膠條維持平衡。若提拉點的位置選取不當，導致玻璃在上升過程中倒向A柱，導致膠條磨損，甚至玻璃卡滯，因此有必要對玻璃提拉點的位置做出相關的設計要求。根據開發經驗提出的提拉點布置原則為：

(1)玻璃上升時，所受合力矩為2 N·m≤∑M上≤4 N·m(玻璃向B柱傾斜為正方向)；

(2)提拉點的取值范圍為0≤(X-a)≤20 mm。

表1為某品牌汽車的前門玻璃主要參數。

表1 前門玻璃主要參數

表2為前門玻璃升降系統載荷。

表2 前門玻璃升降系統載荷

(1)假設提拉點剛好通過玻璃重心，則由于玻璃重力產生的阻力矩為：

M1=Gcosθ(X-a)

(1)

由于提拉點通過玻璃重心，即X=a，此時M1=0。

膠條A柱阻力產生的阻力矩計算公式為：

M2=f1(L3-X)

(2)

將f1=17.46 N,L3=0.749,X=0.34代入式(2)，得M2=7.14 N·m(逆時針方向，負值)。

膠條B柱阻力產生的阻力矩計算公式為：

M3=f2X

(3)

將f2=26.52 N,X=0.34代入式(4)，得M2=9.02 N·m(順時針方向，正值)。

水切阻力產生的阻力矩計算公式為：

(4)

將f3=17.98 N,L3=0.749,X=0.34代入式(4)，得M4=0.62 N·m(逆時針方向，負值)。

則玻璃上升時合力矩：

∑M上=M1+M2+M3+M4

(5)

得∑M上=1.26 N·m，不能滿足主機廠要求，玻璃上升時，所受合力矩為2 N·m≤∑M上≤4 N·m(玻璃向B柱傾斜為正方向)。

(2)根據開發經驗，將玻璃提拉線向A柱偏移10 mm，即X-a=10 mm，分別代入式(1)—(4)，則此時玻璃上升時合力矩：∑M上=2.2 N·m。

第二種方案，提拉線向A柱偏10 mm，滿足主機廠對提拉線要求0≤(X-a)≤20 mm，此時偏轉扭矩∑M上=2.2 N·m，滿足主機廠要求玻璃上升時，所受合力矩為2 N·m≤∑M上≤4 N·m的設計要求。

3 電機的選型

從安全的角度考慮，升降器運行時，工作電流越小，線束和保險絲燒壞的可能性越小，故主機廠會對升降器的工作電流制定上限值。針對客戶的使用角度考慮，汽車玻璃的升降速度要適中，不能太快或者太慢，為避免客戶抱怨，主機廠會對汽車玻璃升降器的運行速度制定相關的設計標準。另外，根據主機廠提供的玻璃質量，膠條和水切的壓縮載荷和摩擦因數等參數可以計算出玻璃升系統的載荷，設計人員要根據主機廠提供的玻璃升降系統載荷，選擇扭矩與之相匹配的電機[6]。需要特別指出的是，玻璃上升到最后階段即將完全進入車門框頂部膠條，從玻璃上沿進入膠條到玻璃完全關閉，這一過程稱為玻璃入槽工況。在玻璃入槽工況時，玻璃在升降系統載荷的基礎上會突然增加一個很大的關閉力，電機會進入堵轉狀態，由電機堵轉扭矩提供的力為堵轉力。表3為某主機廠對升降器的設計要求參數。

表3 玻璃升降器設計要求

根據以上可知，電機重要參數包含以下幾點：工作電流、轉速以及額定扭矩和堵轉扭矩。

在電機轉速和扭矩一定的條件下，卷絲筒的半徑將影響玻璃的升降速度和堵轉力:

(6)

(7)

(8)

式中:v為玻璃運行速度，mm/s；

N為電機的轉速，r/min；

R為卷絲筒半徑，mm；

三是細化實化最嚴格水資源管理制度。貫徹落實太湖流域水量分配方案，編制完成新安江流域水量分配方案；組織做好“三條紅線”實施、監督考核和技術評估等工作，全面提高水資源管理和保護能力。

F0為升降系統載荷，N；

T1為電機額定扭矩，N·m；

F1為電機堵轉力，N；

T2為電機堵轉扭矩，N·m；

η為升降器機械效率。

如圖3所示為某品牌電機在標準電壓下的性能曲線。由圖3可知，在額定扭矩T1=3 N·m時，轉速N=48.2～73.9 r/min，滿足主機廠對玻璃上升速度的設計要求，電機在額定扭矩下的最大運行電流為11.9 A，滿足主機廠對升降器運行電流的設計要求。電機堵轉扭矩為7.17～10.56 N·m，滿足主機廠對玻璃升降器的堵轉力設計要求。

圖3 某品牌電機性能曲線

4 結束語

文中以繩輪式單導軌汽車玻璃升降器為例，對汽車玻璃升降器的設計計算進行相關的研究，主要闡述了繩輪式單導軌汽車玻璃升降器升降過程中的受力分析，重點介紹了繩輪式單導軌玻璃升降器提拉點的布置原則，同時，對汽車玻璃升降器的電機選型原則給出詳細介紹，對汽車玻璃升降器的設計具有一定的指導意義，減輕相關設計人員的理論計算。