繩輪式單導(dǎo)軌汽車玻璃升降器設(shè)計方法的研究

董濤

(上海實業(yè)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(qū)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(gòu)。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(fù)雜，用戶對其性能感知明顯，如果前期設(shè)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(dǎo)軌汽車玻璃升降器設(shè)計時所考慮的影響因素為例，對汽車玻璃升降器的設(shè)計原理和設(shè)計過程進行相關(guān)研究，減輕設(shè)計人員的計算。

1 玻璃升降器結(jié)構(gòu)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(jù)機械結(jié)構(gòu)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(dǎo)軌和雙導(dǎo)軌兩種典型的繩輪式玻璃升降器。文中采用繩輪式單導(dǎo)軌玻璃升降器，玻璃升降器組成部分如圖1所示。單導(dǎo)軌玻璃升降器是單根導(dǎo)軌拖動玻璃運動，其安裝空間小、成本較低、應(yīng)用范圍廣泛[1]。

圖1 繩輪式升降器結(jié)構(gòu)

2 汽車玻璃升降過程中受力分析

2.1 玻璃升降系統(tǒng)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(nèi)、外水切阻力、重力沿玻璃運行方向的分力。受力狀態(tài)根據(jù)玻璃的運行狀態(tài)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(tǒng)阻力。玻璃下降時，玻璃重力沿導(dǎo)軌方向的分力變?yōu)閯恿?，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(tǒng)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(tǒng)阻力如圖2所示。可以看出，玻璃上升時，升降器系統(tǒng)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(tǒng)載荷

F0=f1+f2+f3-Gcosθ

其中：f1、f2、f3分別為玻璃A柱、玻璃B柱、內(nèi)外水切的阻力，N；

L1、L2、L3分別為玻璃A柱、玻璃B柱、內(nèi)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(shè)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(dǎo)軌玻璃升降器提拉點有兩個，玻璃在升降過程中運行平穩(wěn)。由于單導(dǎo)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(dāng)，導(dǎo)致玻璃在上升過程中倒向A柱，導(dǎo)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(guān)的設(shè)計要求。根據(jù)開發(fā)經(jīng)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(shù)。

表1 前門玻璃主要參數(shù)

表2為前門玻璃升降系統(tǒng)載荷。

表2 前門玻璃升降系統(tǒng)載荷

(1)假設(shè)提拉點剛好通過玻璃重心，則由于玻璃重力產(chǎn)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(chǎn)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(fù)值)。

膠條B柱阻力產(chǎn)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(chǎn)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(fù)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(jù)開發(fā)經(jīng)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(zhuǎn)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(shè)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(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。另外，根據(jù)主機廠提供的玻璃質(zhì)量，膠條和水切的壓縮載荷和摩擦因數(shù)等參數(shù)可以計算出玻璃升系統(tǒng)的載荷，設(shè)計人員要根據(jù)主機廠提供的玻璃升降系統(tǒng)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(guān)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(tǒng)載荷的基礎(chǔ)上會突然增加一個很大的關(guān)閉力，電機會進入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，由電機堵轉(zhuǎn)扭矩提供的力為堵轉(zhuǎn)力。表3為某主機廠對升降器的設(shè)計要求參數(shù)。

表3 玻璃升降器設(shè)計要求

根據(jù)以上可知，電機重要參數(shù)包含以下幾點：工作電流、轉(zhuǎn)速以及額定扭矩和堵轉(zhuǎn)扭矩。

在電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)力:

(6)

(7)

(8)

式中:v為玻璃運行速度，mm/s；

N為電機的轉(zhuǎn)速，r/min；

R為卷絲筒半徑，mm；

三是細化實化最嚴(yán)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(jiān)督考核和技術(shù)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(tǒng)載荷，N；

T1為電機額定扭矩，N·m；

F1為電機堵轉(zhuǎn)力，N；

T2為電機堵轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)電壓下的性能曲線。由圖3可知，在額定扭矩T1=3 N·m時，轉(zhuǎn)速N=48.2～73.9 r/min，滿足主機廠對玻璃上升速度的設(shè)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(shè)計要求。電機堵轉(zhuǎn)扭矩為7.17～10.56 N·m，滿足主機廠對玻璃升降器的堵轉(zhuǎn)力設(shè)計要求。

圖3 某品牌電機性能曲線

4 結(jié)束語

文中以繩輪式單導(dǎo)軌汽車玻璃升降器為例，對汽車玻璃升降器的設(shè)計計算進行相關(guān)的研究，主要闡述了繩輪式單導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義，減輕相關(guān)設(shè)計人員的理論計算。