汽車玻璃升降系統(tǒng)對窗框鈑金作用力研究分析

魏文華　萬佳　滕淑紅

摘 要：本文主要分析玻璃升降系統(tǒng)受力情況，玻璃上升到窗框頂部，對窗框鈑金的作用力分析以及力值過大的解決措施。

關(guān)鍵詞：玻璃升降器 電動車窗 玻璃防夾 窗框 CAE

1 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車已經(jīng)進入尋常百姓家，汽車玻璃升降不僅涉及到窗框飾條的外觀，同時也是運動安全件。玻璃升降功能包括手動搖窗機[1]和電動玻璃升降器，手動搖窗機已基本淘汰，市場上絕大部分都是電動升降玻璃。電動一鍵升降成為目前車型主流配置，但對于配備一鍵上升功能的玻璃升降器，法規(guī)有防夾力[2]小于100N的要求，即增加了對乘客及兒童的誤夾傷的保護。在防夾區(qū)域內(nèi)，玻璃能在玻璃升降器的作用力下能正常上升而不被誤堵轉(zhuǎn)造成玻璃向下運動而上升不到頂部，在超出防夾區(qū)域，玻璃上升到門框頂部時，對鈑金作用力值又不能過大，但又要滿足玻璃和泥槽的密封性要求，這一系列力的關(guān)系問題一直是汽車玻璃升降系統(tǒng)的一個設計難點，本文對這一痛點問題進行探討。

2 玻璃升降系統(tǒng)受力分析

玻璃上升過程受力情況：玻璃升降器開關(guān)通電后，開啟上升功能，玻璃受到自身重力G，玻璃運動方向與水平線夾角θ，玻璃前端泥槽內(nèi)外唇邊的摩擦力f1（為簡化說明問題，將泥槽內(nèi)外唇邊摩擦力合并在一起），玻璃后端泥槽內(nèi)外唇邊的摩擦力f2（為簡化說明問題，將泥槽內(nèi)外唇邊摩擦力合并在一起），內(nèi)水切、外水切摩擦力f3（為簡化說明問題，將內(nèi)水切、外水切對玻璃的摩擦力合并在一起），泥槽的滑動摩擦系數(shù)μ1，壓荷N1（100mm長），水切的摩擦系數(shù)μ2，壓荷N2（100mm長），玻璃前端斜邊長度L1，玻璃后端斜邊長度L2，與水切完全接觸配合的長度L3，受力分析如下圖1所示。

車窗玻璃勻速上升過程：

F=f1+f2+f3+G1

=μ1*N1*L1/100+μ1*N1*L2/100+μ2*N2 *L3/100+mg*sinθ

車窗玻璃勻速下降過程：

F+G1=f1+f2+f3

下降過程，由于玻璃重力與運動方向相同，玻璃升降器電機作用力小于上升過程，因此，在分析、選擇玻璃升降器電機時，只做玻璃上升過程的受力分析。

3 玻璃升降器電機初步選擇

查看現(xiàn)有玻璃升降器電機產(chǎn)品，初選玻璃升降器電機，分析其電機特性曲線，如下圖2所示。

從上圖2中，可以找到電機效率最大時的扭矩在橫坐標上約2.5Nm，電機堵轉(zhuǎn)扭矩Ts為10Nm，電機轉(zhuǎn)輪半徑R=20mm（由供應商提供或數(shù)模測量），轉(zhuǎn)輪上的鋼絲繩上拉力為F=T/r，即：

F輪=Ts/R=10Nm/20mm*1000=500N

假設電機轉(zhuǎn)輪上的鋼絲繩上拉力F輪傳遞到玻璃升降器活動塊對玻璃的作用力效能η，則：

F玻璃=500η…………

玻璃上升過程堵轉(zhuǎn)力[3]：

F堵轉(zhuǎn)力=F玻璃-F阻力…………

玻璃升降系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)力：為玻璃最大上升力減去玻璃上升阻力。

玻璃勻速上升，即F輪'=2.5Nm/20mm*100=125N

F阻力=F玻璃'=125η…………

將、代入公式中：

F堵轉(zhuǎn)力=F玻璃-F阻力=500η-125η=375η

長按玻璃升降器開關(guān)，可取消玻璃一鍵上升功能，此時的玻璃上升堵轉(zhuǎn)力值不受法規(guī)防夾力100N的限制，測量本車型玻璃升降系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)力：

F堵轉(zhuǎn)力=245N

所以：375 Nη=245N

η=0.65

玻璃勻速上升過程：

F阻力= F玻璃=125η=125*0.65=81.25N

即：玻璃上升的泥槽和水切阻滯力最優(yōu)設計為81.25N。本車型玻璃面積0.345m2（設計數(shù)模測量），玻璃厚度3.5mm，密度2500Kg/m3，可計算玻璃重力

G=m*g=0.345*2500*3.5*10-3*10=30N

玻璃上升過程，泥槽、水切摩擦力阻力f = F-G* sinθ

在玻璃升降器系統(tǒng)上作輔助直線，測量θ=76°

sin76°=0.97

因此：f=F-G*sinθ=81.25–30*sin76°=81.25-30*0.97=52.15N

即玻璃上升時受到水切和泥槽的摩擦力為52.15N。

根據(jù)該摩擦力值可設計泥槽的壓荷、動摩擦系數(shù)，進而設計泥槽壓荷斷面。

4 玻璃防夾要求[3]

車窗防夾的定義是在車窗上升期間，如果遇到障礙物，會自動退下去。在國標里有具體的參數(shù)要求：車窗的防夾范圍和防夾力。防夾系統(tǒng)必須在車窗玻璃敞露邊角與車窗密封條之間采光口的 4mm-200mm 范圍內(nèi)正常工作，以滿足前述法規(guī)要求。防夾系統(tǒng)限制車窗玻璃產(chǎn)生的防夾力，不得超出100N。

5 玻璃升降防夾原理[4]

常見玻璃升降器防夾分為霍爾防夾和紋波防夾，（a）對于霍爾防夾，通過霍爾元件產(chǎn)生的波形，根據(jù)波形脈沖的相位即可判斷出電機的運行方向。

在操控上升下降過程中，最頂端脈沖數(shù)為零且計數(shù)從零開始，上升過程中根據(jù)當前的計數(shù)值減計數(shù)，下降過程中根據(jù)當前的計數(shù)值加計數(shù)。因此，通過霍爾傳感器的脈沖輸出及計數(shù)方向可實時確定車窗的當前位置，并根據(jù)標準確定是否在防夾區(qū)域內(nèi)。

操作玻璃車窗上升時，同時檢測電機電流值和霍爾脈沖周期，在電機達到防夾閾值時，若霍爾脈沖周期急劇增大且50ms，即可判斷上升到頂。在防夾區(qū)域是，電流增大，脈沖寬度不斷增大，判斷遇阻夾住東西，電機反轉(zhuǎn)。

（b）對于紋波防夾，當電機轉(zhuǎn)動時流過碳刷時的電流產(chǎn)生脈沖信號，脈沖信號通過紋波信號采集，調(diào)理轉(zhuǎn)化成方波，波形與霍爾防夾相同，不同之處在于方波周期。防夾原理同霍爾防夾，即檢測電流大小和方波個數(shù)，判斷玻璃升降力值和位置。

6 頂部窗框鈑金受力分析

玻璃上升到頂部尼槽時，已離開防夾區(qū)域，不受防夾堵轉(zhuǎn)力最大100N的限制，而且玻璃需與泥槽在頂部密封，需要玻璃頂住泥槽較大的力值才停止運動。

本論文選擇的電機無防夾堵轉(zhuǎn)力值245N，即為對窗框頂部鈑金的堵轉(zhuǎn)力值。

對窗框鈑金進行CAE受力分析，施加245N作用力。

CAE有限元分析如下圖3。

窗框鈑金材料為寶鋼HC300，整體式車門窗框，內(nèi)板一體沖壓成型，初始設計料厚0.7mm。由上圖3CAE分析，可以看出窗框上部最大變形量2.856mm，變形量較大，而且裝配在內(nèi)板上的泥槽由于鈑金的變形而向上翻轉(zhuǎn)，影響泥槽外觀。

7 解決措施研究

（1）增加車門內(nèi)鈑金壁厚，由0.7mm更改為0.8mm。

再次做CAE仿真分析，窗框上部最大變形量由2.86mm下降到2.63mm，下降量0.23mm，下降率8%，變形量降低效果不是太大。如下圖4所示。

（2）在變形處增加沉臺，增加鈑金強度和反變形。

經(jīng)過試驗驗證，沉臺寬度40mm，深度2mm，位置距端部80mm，可以有效解決該問題，但是，在鈑金上沖壓沉臺是鈑金沖壓第一道序，如果在第一道序增加沉臺，涉及到后續(xù)所有工序模具的更改，修模費用高，可做臨時方案，手工用工裝增加沉臺。

（3）在上升到頂時，通過電流的脈沖的變化率，將最大力值限制在200N，可以完美的解決該問題，但由于需要重新標定，費用和周期都很長，可作為新車型開發(fā)實施方案。

（4）在玻璃升降上增加一個限力裝置

根據(jù)玻璃升降器的行程及玻璃頂住泥槽頂部膠條，確定玻璃升降器上的限位位置。

（5）限位結(jié)構(gòu)用剛性材料焊接或鉚接在玻璃升降器導軌上，經(jīng)過制作零部件裝車，做淋雨試驗，部分試驗車玻璃內(nèi)側(cè)會漏水。原因分析，玻璃升降器、限位位置以及安裝玻璃升降器的安裝孔、鈑金頂部翻邊都存在制造偏差，活動塊升到玻璃升降器限位處，存在限位過高或過低的問題，如果限位過高，玻璃對門框鈑金頂升力過大，問題解決效果不明顯，過低，則玻璃接觸不到窗框鈑金泥槽底部，出現(xiàn)玻璃與泥槽密封不嚴，漏水風險。

（6）限位結(jié)構(gòu)用有一定硬度的彈性材料制作，在計算好的理論限位位置，玻璃升降器導軌上沖壓一個安裝孔，制作橡膠限位塊，中間空心，限位塊套在限位柱上，然后鉚接在導軌沖壓安裝孔上。如下圖5所示。

制作上述樣件，裝配上車門，通過調(diào)試橡膠塊硬度和限位擋點位置，能解決玻璃升降器頂升力過大問題，而且不存在漏水，橡膠件彈性可以吸收制造過程的零部件尺寸公差。

8 橡膠限位玻璃升降器耐久試驗

玻璃升降器橡膠限位存在被玻璃升降器活動塊撞擊出現(xiàn)破損風險，因此，對其進行玻璃升降耐久試驗，要求2萬次。在做完2萬次試驗后：玻璃升降器限位柱由于玻璃升降器活動塊不斷的向上沖擊，造成向上偏1mm，橡膠塊基本無破損，滿足功能要求。試驗后如下圖6所示。

9 結(jié)語

本文對玻璃升降系統(tǒng)受力分析，介紹防夾原理，提出防夾區(qū)域外即玻璃上升到泥槽頂部玻璃堵轉(zhuǎn)力大的問題解決方案。

對于在玻璃升降器上增加限位，本人做了專門的研究分析和試驗，確定在玻璃升降器上增加橡膠限位的可行性，值得同行借鑒。

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