自動化車窗玻璃升降器的研究與設計

趙萌 林蔚然 楊忠昌 王龍兵 周冰科 曹猛

摘要：以車門設計為中心，討論了玻璃升降機結構的部分設計，介紹了升降機的結構設計和模擬仿真。車門系統(tǒng)是實現(xiàn)門窗調(diào)節(jié)器車門附件、車窗升降器等汽車車窗玻璃升降相關的汽車附件。玻璃托架通過玻璃升降器上下移動，放置在門玻璃托架的導槽或?qū)к壣稀Ｄ壳?，有兩種常見的玻璃升降器上下移動，叉臂驅(qū)動和繩輪驅(qū)動。后者可以適應曲率較高的散熱器上的玻璃運動，還有手搖式操作兩種操作方式。在車門的設計和布置上，正確選擇和配置門窗升降機、窗口升降臺是讓機器輕便可靠的關鍵。

關鍵詞：玻璃升降器;汽車車門系統(tǒng);仿真

中圖分類號：TP23文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）11-0141-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research and Design of Automatic Window Regulator

Zhao Meng ，Lin Weiran，Yang Zhongchang，Wang Longbing，Zhou Bingke，Cao Meng

（Fundamental Industry Training Center， Tsinghua University， Beijing 100084， China）

Abstract： The door design was took as the center， the partial design of the glass lift structure was discussed， the lift structure design and the simulation simulation were introduced. Door system is to achieve door and window regulator door accessories， window elevators and other car window glass lifting related car accessories. The glass bracket moves up and up and down through the glass hoist and is placed on the guide groove or guide rail of the door glass bracket. At present， there are two common glass lifts moving up and down， fork arm drive and rope wheel drive. The latter can adapt to the glass motion on the high curvature radiator， and there are two modes of hand operation. In the door design and layout， the correct selection and configuration of door and window lift， window lift are the key to make the machine light and reliable. Key words： window regulator; car door system; simulation

0 引言

控制車窗玻璃上下移動的機械就是車窗玻璃升降器，其是汽車構造中非常重要的組成部分，其構造性能會很大程度上影響整車的性能，甚至是影響到行車過程中的安全問題。因此車在窗玻璃升降器的設計過程中，需要考慮到穩(wěn)定性和密閉性。

隨著電動玻璃升降器廣泛地應用在各類轎車、面包車、卡車等車型上[1]，其升降性能品質(zhì)的優(yōu)劣也將直接影響消費者的購買欲以及使用汽車的感受。玻璃升降器作為整車系統(tǒng)中使用頻率極高的車身附件之一，其工作環(huán)境非常惡劣，而且在使用過程中極少對其進行維護，這些都導致了玻璃升降器成為整車系統(tǒng)中故障頻率最高的車身附件之一。玻璃升降器幾乎是使用最為頻繁但卻從來不采取任何保養(yǎng)措施的一個車身附件系統(tǒng)，這也間接導致了其在使用過程中故障頻發(fā)，這些問題都給整車廠的售后服務以及消費者帶來了極大地煩惱。因此，提高其升降性能品質(zhì)己成為當務之急。

本文以最新推出的 SUV 車型WEY VV9為例，對玻璃的升降過程進行運動學和動力學分析[2]，基于 Creo軟件平臺建立玻璃升降器系統(tǒng)模型，對單導軌繩輪式玻璃升降器的運動性能進行分析研究。確定玻璃升降系統(tǒng)關鍵零部件的位置布局對升降器性能的影響情況，得到其影響規(guī)律。同時，提出提升玻璃升降器性能的優(yōu)化方案，以指導升降器的前期設計開發(fā)，從而在設計階段對玻璃升降器的質(zhì)量和性能進行管控。

1 汽車玻璃升降器的結構設計

1.1 技術難點

中國的電動玻璃起重器行業(yè)標準基本采用國外先進企業(yè)標準。額定負載很大，達到120 N ，最大殘余力為355 N 。耐久性測試要求每個周期最多移動1次，玻璃每個周期必須移動8次。為了實現(xiàn)這些目標，電動機和傳動機構提出了更高的要求。

在汽車玻璃升降器的選型方面，通常以具體車型的車門導軌位置布局和玻璃造型曲面弧度半徑作為主要參考依據(jù)，同時考慮工藝及成本問題來確定。其中玻璃造型面的弧度是確定選用哪種升降器結構的一個重要的參考指標。當玻璃曲面的曲率較大時，繩輪式玻璃升降器的導軌弧度可以做到和玻璃曲面的理論運行弧度軌跡幾乎一致，此時應該選擇使用繩輪式升降器;玻璃重量較大時，選擇使用雙導軌升降器更為合適。

一般而言，玻璃的橫向跨度 L>780 mm 時，選用雙導軌繩輪式玻璃升降器比較合適。當玻璃曲面的曲率半徑較大時，例如當玻璃面的曲率半徑 R>1500 mm時，繩輪式玻璃升降器導軌的弧度和玻璃的理論運行軌跡更為接近，此時應選用繩輪式玻璃升降器[2]。此外，由于叉臂式升降器也能滿足各方面的性能要求，而且具有零件少、裝配便捷、使用壽命長以及價格低等優(yōu)點，因此，目前情況下仍被廣泛采用。

在單導軌繩輪式電動玻璃升降器中，升降器導軌的功能主要是對玻璃上升或下降的運動軌跡起到引導和約束作用。由于單導軌升降器在玻璃的升降過程中，對玻璃托架的位置限制約束能力不如雙導軌。因此，對于單導軌升降器，玻璃在工作過程中不可避免會出現(xiàn)適當?shù)钠D(zhuǎn)或著具有一定的偏轉(zhuǎn)趨勢。

一般而言，轎車車身的側(cè)圍結構中 B 柱強度要高于 A 柱，且前后玻璃滑槽均有一個向 B 柱的傾角。因此，使得前車門玻璃在運動中向 B 柱傾靠或者具有向 B 柱靠的趨勢，可以使升降器系統(tǒng)獲得更高的運動穩(wěn)定性。

1.2 解決問題

本文以 WEY VV9車型的左前門的玻璃升降系統(tǒng)為例，對玻璃的關閉過程進行受力分析，對于升降器系統(tǒng)的玻璃在平衡狀態(tài)下，玻璃與水切槽完全接觸，而且對玻璃的上升運動過程（上升過程鋼絲繩受力遠大于下降過程，即在高頻故障頻期）進行受力分析。

利用多學科交叉技術平臺對玻璃升降器系統(tǒng)進行三維模型仿真分析，有利于對升降器不合理的結構進行優(yōu)化設計，而且仿真樣件易于修改，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的樣件設計和制造，多體動力學仿真分析可以實現(xiàn)復雜、精確運動的量化評估處理，即可在產(chǎn)品設計過程中對其幾何模型和運動模型進行仿真分析，從而快速定位可能出現(xiàn)故障的部位及其原因，進而提高產(chǎn)品的研發(fā)效率[1]。因此，以科學嚴謹?shù)难芯糠椒?，并輔助以現(xiàn)代 CAE分析技術對產(chǎn)品機構進行運動仿真分析是保證產(chǎn)品可靠性的有效途徑。

2 解決思路

目前玻璃升降器品質(zhì)性能的差異則主要體現(xiàn)在升降器與門內(nèi)板之間的布置和匹配情況，以及升降器自身結構設計的細節(jié)上;只有合理的進行升降器的位置布局以及自身結構的設計，才能得到運動穩(wěn)定性良好、壽命周期長的產(chǎn)品[4]。

基于此，本文以 WEY VV9單導軌繩輪式電動玻璃升降為主要研究對象。首先對玻璃的升降過程進行運動學和動力學分析，利用 Creo軟件對玻璃升降器系統(tǒng)的關鍵零部件進行處理，對單導軌繩輪式玻璃升降器的運動性能進行分析研究。確定玻璃升降系統(tǒng)關鍵零部件的位置布局對升降器性能的影響情況，得到其影響規(guī)律。同時，提出提升玻璃升降器性能的優(yōu)化方案，以指導升降器的前期設計開發(fā)，從而在設計階段對玻璃升降器的質(zhì)量和性能進行管控。

本課題的主要研究內(nèi)容主要有以下幾個方面：①對玻璃升降器進行分類，由于其工作特點不同，因此根據(jù)實際車型以及車門特點選取合適的電動玻璃升降器結構類型;②針對目前玻璃升降器常見的失效模式，對單導軌繩輪式電動玻璃升降系統(tǒng)進行深入的研究，分析玻璃升降過程的受力情況，確定合理的理論舉升點位置;③利用 Creo軟件建立玻璃升降器系統(tǒng)的三維實體模型;④根據(jù)玻璃升降器相關技術要求，確定升降器的性能量化評價指標;⑤對WEY VV9車型標準門的玻璃升降器系統(tǒng)的運動性能進行多項動力學仿真分析;⑥對WEY VV9的玻璃升降器在使用過程中出現(xiàn)的玻璃升降發(fā)栽、卡滯等問題進行故障診斷，提出優(yōu)化整改方案。

3 汽車玻璃升降器設計方案

3.1 車門玻璃參數(shù)確定

首先根據(jù)玻璃升降器的相關技術要求，確定升降器運動性能的量化評價指標[5]，利用三維建模軟件 Creo建立其數(shù)字模型，然后基于多體動力學仿真分析方法，以該車型的標準門進行試驗，驗證仿真模型的可靠性，為后面升降器系統(tǒng)重要零部件的設計和布置提供數(shù)據(jù)支持。

圖1所示為車輛坐標系中 G1、G2和 G3玻璃曲線的坐標。

3.2 玻璃在車門上的干涉校核

玻璃的左右兩側(cè)都卡在玻璃導板中，如圖2（a）所示。玻璃與車門周邊件沒有發(fā)生干涉，如圖2（b）所示。

由于直接將導軌的Creo文件導入Adams/View中得到的導軌形狀及表面精度均相對較低，且復雜構造的部位會自動出現(xiàn)不可預知的形狀變化，這對玻璃（由玻璃托架帶動）的運動平穩(wěn)性影響較大。因此可以在Creo模型中分別提取升降器導軌的截面輪廓線和運動軌跡線，并以Igs的格式保存，導入到Adams/View中如圖3所示。然后在 Adams/View中利用拉伸實體功能建立升降器導軌的實體模型，其形狀精度不影響計算結果。

3.3 玻璃升降器類型的選擇

在玻璃升降器的選型中，往往根據(jù)窗的圓弧半徑和窗導軌的布置位置來確定。當窗的圓弧半徑較小，弦高較大時如圖4所示，繩輪升降機更適合這種門。

對于大窗戶，雙軌繩索升降機可以減少操作過程中可能發(fā)生的外部抖動和橫向偏移。

當玻璃弧度較小，玻璃較大且形狀不規(guī)則時，繩索提升器理論上具有較大的導軌弧度，但玻璃的理論弧形軌跡更近（與叉車相比，無高度現(xiàn)象），運行噪聲低。但叉車還有許多其他零件，例如大部分零件易于加工和組裝，使用壽命長等?；谏鲜鲅芯?，從而確定電動車窗的結構調(diào)節(jié)器如圖5所示。

3.4 車窗玻璃運行弧度的確定

如圖6所示根據(jù)滑門車窗的結構，可知：玻璃在 Z 向的行程lAB=383.4 mm;玻璃的半徑 R=3200 mm。

由勾股定理，得：sinα/2=191.7/3200

玻璃的運行弧度α=2arcsin191.7/3200=0.12弧長lAB=α·R=384 mm

3.5 叉臂組件所在平面位置的初步確定

叉臂組件和窗玻璃的窗跡空間圓應該共平面，以最大程度地減小校正后的琴弦的高度差并減少叉臂的變形，應該垂直于其布置。

4 效果應用

玻璃升降器作為汽車車身附件中使用最為頻繁、用戶的直接感知度最為明顯的零部件之一，由于其惡劣的工作環(huán)境，也間接導致其故障率居高不下。而且玻璃升降器的運動性能（平順性）的提升一直是各大汽車主機廠及玻璃升降器系統(tǒng)供應商最為關注的焦點問題。本文利用某汽車公司車身研發(fā)中心所提供的車門玻璃升降系統(tǒng)數(shù)模，結合該公司車門玻璃升降器實車的使用現(xiàn)狀，在設計開發(fā)之初就利用CAE分析軟件（Adams /View）對其進行虛擬建模分析，然后對該款玻璃升降器系統(tǒng)的關鍵零部件設計布置和常見失效模式進行了動力學、靜力學仿真分析研究，并對各種仿真分析工況進行了實車試驗圖7所示。

5 結束語

本文利用 WEY VV9 車身研發(fā)中心所提供的車門玻璃升降系統(tǒng)數(shù)模，結合該公司車門玻璃升降器實車的使用現(xiàn)狀，在設計開發(fā)之初就利用Creo軟件進行分析，然后對該款玻璃升降器系統(tǒng)的關鍵零部件設計布置進行了動力學、靜力學仿真分析研究。最終對仿真及試驗分析結果進行了科學嚴謹?shù)臍w納總結，得到了單導軌繩輪式電動玻璃升降器的布置及設計要點分析規(guī)范[6-8] ，對升降器的運動平順性有了一個更加完整而深刻的認識，從而能夠進一步有效地縮短產(chǎn)品的設計周期，提高了產(chǎn)品的競爭力。

參考文獻：

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[8] 張慧.汽車電動玻璃升降器結構設計與仿真[D].長沙：長沙理工大學，2017.

第一作者簡介：趙萌（1990-），男，陜西咸陽人，大學本科，工程師，研究領域為機械工程，已發(fā)論文10篇。

（編輯：刁少華）