臂式車門玻璃升降器設(shè)計(jì)方法

齊宏波

（天津一汽夏利汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心）

車門玻璃升降器是車門開閉件系統(tǒng)的重要組成部分。玻璃升降器的質(zhì)量可靠性和操作平穩(wěn)性都會影響汽車的行駛安全，所以玻璃升降器的設(shè)計(jì)必須要保證質(zhì)量可靠性和操作平穩(wěn)性。目前汽車玻璃升降器按結(jié)構(gòu)主要分為臂式玻璃升降器和繩輪式玻璃升降器2 種成熟結(jié)構(gòu)。文章將介紹臂式玻璃升降器的整體布置要求和升降器零部件設(shè)計(jì)。

1 臂式玻璃升降器的組成

臂式玻璃升降器由電動部件和鈑金部件組成。其中電動部件由電動機(jī)、蝸桿、蝸輪及線束組成，鈑金部件由齒扇、主動臂、從動臂、玻璃安裝托架、短滑槽及座板組成。臂式玻璃升降器傳動路線為：電機(jī)→蝸桿→蝸輪→小齒輪→齒扇→主動臂→玻璃安裝托架→玻璃升降運(yùn)動。

2 臂式升降器布置要求

2.1 玻璃升降器運(yùn)動平面確定

轎車車門設(shè)計(jì)時，玻璃半徑一般選在1500～2000mm之間，門框高度為350～500 mm。當(dāng)玻璃安裝托架跟隨玻璃由上止點(diǎn)運(yùn)行到下止點(diǎn)時，在車寬方向上發(fā)生最大總變形量稱為總撓度（D/mm）。D 大小對升降器的運(yùn)行阻力、彈性變形及耐久性有重要影響；D 太小，玻璃與密封膠條的壓力值小，密封不好，行駛時玻璃晃動；但是隨著D 的增大，升降器變形量增大，同時玻璃與膠條摩擦力也增大，并且玻璃升降器容易發(fā)生永久性的塑形變形?？紤]到升降器本身允許的最大彈性變形以及車門的密封需要，D 根據(jù)車型大小一般在6～15 mm之間。大尺寸的升降器，D 可以取大一些，小尺寸的升降器，D 可以取小一些。整車造型時盡量避免將車窗玻璃軌跡線的圓弧半徑設(shè)計(jì)得過小，使玻璃升降器難以進(jìn)行布置。

由于玻璃升降器的運(yùn)動軌跡是一平面，而玻璃中心面是一弧面，所以導(dǎo)軌運(yùn)動平面和玻璃中心面之間存在一定弦高。為了使玻璃順利升降，臂式玻璃升降器的壓縮量和延伸量的分配必須滿足以下條件：1）當(dāng)玻璃導(dǎo)軌處在最高位置時，玻璃升降器的壓縮量要小于13 mm；2）當(dāng)玻璃導(dǎo)軌處在基準(zhǔn)位置時，玻璃升降器的延伸量要小于10 mm；3）當(dāng)玻璃導(dǎo)軌處在最低位置時，玻璃升降器的壓縮量要小于15 mm。通過以上條件最終確定玻璃導(dǎo)軌在自由狀態(tài)下升降器的運(yùn)動平面。

2.2 玻璃升降器有效行程確定

首先，定義玻璃安裝托架最高位置。玻璃處于最高位置時，玻璃下端距水切口的距離大于50 mm；玻璃安裝托架一般水平放置，并且與玻璃導(dǎo)軌的夾角要小于100°。然后，定義玻璃安裝托架的最低位置。前門玻璃升降器，由玻璃的高度確定玻璃升降器的行程，根據(jù)玻璃升降器的最高位置和形成定義玻璃升降器導(dǎo)軌的最低位置，玻璃下端與門里板下框之間的最小距離值大于15 mm，玻璃上端高出水切口最多不大于2 mm；后門玻璃升降器，玻璃下降到最低位置時，玻璃下端與門里板下框之間的最小距離大于15 mm。

滑輪位置的確定：玻璃在運(yùn)動的時候，玻璃的質(zhì)心在兩滑輪中心線上，使玻璃在升降的時候能保持穩(wěn)定，當(dāng)升降器導(dǎo)軌處在基準(zhǔn)位置的時候，滑輪與限位點(diǎn)距離大于20 mm[1]。

2.3 升降器中位線及主臂旋轉(zhuǎn)中心的布置

升降器中位線一般指升降器短滑槽的中心線。中位線將升降器總行程分為上行程（X1）與下行程（X2）。對沒有特殊布置要求的車門X1與X2數(shù)值大致相同，有特殊要求時，可以改變主動臂形狀來實(shí)現(xiàn)X1與X2不同。主動臂旋轉(zhuǎn)中心布置時要確定在中位線上。

2.4 升降器舉升中心區(qū)的布置

舉升區(qū)的布置，交叉臂的旋轉(zhuǎn)中心從上止點(diǎn)運(yùn)動到下止點(diǎn)掃過的區(qū)域稱為升降器舉升區(qū)。臂式升降器固定玻璃的2 個安裝點(diǎn)間距較大，一般比玻璃托架的尺寸長60～100 mm。在升降器舉升區(qū)內(nèi)玻璃質(zhì)心的少量偏移對升降器舉升玻璃穩(wěn)定性幾乎沒有影響，因此升降器主動臂旋轉(zhuǎn)中心在車長方向的布置可以在保證玻璃質(zhì)心落在升降器舉升區(qū)的基礎(chǔ)上適度偏向車后方向及玻璃的長邊，以抵消玻璃長邊滑動摩擦力和短邊滑動摩擦力的不同。

2.5 升降器整體尺寸的選擇

升降器整體尺寸的確定主要指主動臂長度的確定。在升降器運(yùn)動到上止點(diǎn)和下止點(diǎn)位置時，主動臂長度越長，主動臂和從動臂頂端滑輪的間距越大。當(dāng)驅(qū)動電機(jī)輸出功率一定時，主動臂和從動臂的間距越大，升降器的舉升力越大，整套機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性越好。但是主動臂越長，材料消耗量越大，而且增加了同車門內(nèi)部其它運(yùn)動部件間干涉的可能性。一般設(shè)計(jì)過程中，在玻璃升降器運(yùn)動到上止點(diǎn)和下止點(diǎn)位置時，主動臂和從動臂頂端滑輪最小距離要大于200 mm。這樣初步確定了主動臂尺寸及旋轉(zhuǎn)角度后，可以通過選定電機(jī)齒輪模數(shù)及齒數(shù)計(jì)算出齒扇半徑及齒數(shù)。

3 實(shí)例

文章以某車型為例，介紹臂式玻璃升降器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程。

3.1 結(jié)構(gòu)形式及主要部件

該車車門設(shè)計(jì)按采用交叉臂式升降器設(shè)計(jì)的車門內(nèi)板，通過對車門內(nèi)板數(shù)模和升降器的技術(shù)要求等分析，確認(rèn)結(jié)構(gòu)形式較簡單的交叉臂式升降器適用于該車型。最終確定前門采用交叉臂式、后門采用單臂式結(jié)構(gòu)電動玻璃升降器結(jié)構(gòu)。經(jīng)對車門及玻璃造型面分析后，按照臂式升降器布置要求進(jìn)行初步布置，計(jì)算后得到鈑金部件基本尺寸，如表1所示。

表1 升降器鈑金部件基本尺寸mm

3.2 升降器電機(jī)計(jì)算

3.2.1 玻璃重量及阻力

對玻璃面積和厚度測量后，通過計(jì)算得到玻璃重量（G1）約為30 N，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值初步設(shè)定玻璃上升和下降時摩擦阻力（G2）均為60 N。

以玻璃上升時摩擦阻力之和為例：

式中：f1，f2——兩側(cè)玻璃膠條對玻璃的摩擦力，N；

f3——外擋水密封條對玻璃的摩擦力，N；

f4——玻璃升降器鈑金部件間摩擦力，N。

3.2.2 電機(jī)扭矩計(jì)算

升降器上升階段受力分析，如圖1所示。根據(jù)升降器的受力分析得到系統(tǒng)總載荷（Fup）為G1與G2之和，即：Fup=90 N。

在玻璃升降器下降階段時，G1和升降器電機(jī)共同提供玻璃下降的驅(qū)動力。根據(jù)以上分析可得到，升降器下降階段系統(tǒng)阻力Fdown為G2與G1之差，即：Fdown=30 N。

因?yàn)镕up遠(yuǎn)大于Fdown，所以玻璃升降器電機(jī)在提供足夠克服Fup的扭矩下，才能正常完成玻璃升降器的升降動作。接下來僅對玻璃升降器上升/下降時所需電機(jī)扭矩進(jìn)行計(jì)算。

式中：M——升降器電機(jī)輸出扭矩，N·m；

F——系統(tǒng)阻力，N；

L——主動臂長度，m；

r——電機(jī)齒輪半徑，r=0.007 m；

R——齒扇半徑，m；

η——效率，通常取60%。

根據(jù)式（2），計(jì)算出前門玻璃升降器上升/下降時系統(tǒng)所需電機(jī)扭矩，分別為2.82，0.94 N·m；計(jì)算出后門玻璃升降器上升/下降時系統(tǒng)所需電機(jī)扭矩，分別為2.73，0.91 N·m。

通過以上計(jì)算得出前后門所需電機(jī)最小扭矩分別為2.82，2.73 N·m?？紤]到前后門電機(jī)的通用性，只需要選擇一個輸出扭矩大于2.82 N·m 的電機(jī)作為驅(qū)動即可。初步選定額定扭矩為3 N·m 電機(jī)為該車升降器驅(qū)動電機(jī)。電機(jī)性能曲線圖，如圖2所示。

3.3 玻璃升降時間計(jì)算

玻璃上升/下降時間（t/s）為：

式中：n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

S——行程，m。

根據(jù)圖2 中電機(jī)額定工作曲線，可查到當(dāng)電機(jī)承受2.82 N·m 的扭矩時，n 為 46 r/min；當(dāng)電機(jī)承受 2.73 N·m的扭矩時，n 為48 r/min；當(dāng)電機(jī)承受的扭矩為0.94 N·m，n 為 76 r/min；當(dāng)電機(jī)承受的扭矩為 0.91 N·m，n 為76.5 r/min。代入式（3），計(jì)算得到：前后門玻璃上升時間分別為3.92，3.64 s，前后門玻璃下降時間分別為2.9，2.54 s。

經(jīng)上述計(jì)算，排除原始數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)值的誤差，本次設(shè)計(jì)所選用的電機(jī)理論上滿足升降器正常升降功能要求。各個鈑金部件的結(jié)構(gòu)方案經(jīng)計(jì)算滿足強(qiáng)度及撓度形變要求。經(jīng)計(jì)算，電動玻璃升降器總成上升或下降時間可達(dá)到小于4 s 的要求。本次設(shè)計(jì)結(jié)果在實(shí)際生產(chǎn)中得到驗(yàn)證，與理論計(jì)算結(jié)果基本相同。

4 結(jié)論

臂式升降器在汽車上應(yīng)用時間較長，結(jié)構(gòu)成熟。但是車門玻璃升降過程涉及零部件較多，需要設(shè)計(jì)者在前期設(shè)計(jì)過程中對臂式升降器做好布置工作。在臂式升降器布置過程中要充分考慮到玻璃的尺寸、弧度、邊界形狀、運(yùn)動軌跡、車門鈑金的剛度、結(jié)構(gòu)形式及升降器的安裝位置等因素。在臂式玻璃升降器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要注意升降器的撓度變化和電機(jī)選型等。目前臂式升降器逐漸向模塊化發(fā)展，并帶有防夾等功能。