臂式車門玻璃升降器設計方法

齊宏波

（天津一汽夏利汽車股份有限公司產品開發中心）

車門玻璃升降器是車門開閉件系統的重要組成部分。玻璃升降器的質量可靠性和操作平穩性都會影響汽車的行駛安全，所以玻璃升降器的設計必須要保證質量可靠性和操作平穩性。目前汽車玻璃升降器按結構主要分為臂式玻璃升降器和繩輪式玻璃升降器2 種成熟結構。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計。

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、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→蝸桿→蝸輪→小齒輪→齒扇→主動臂→玻璃安裝托架→玻璃升降運動。

2 臂式升降器布置要求

2.1 玻璃升降器運動平面確定

轎車車門設計時，玻璃半徑一般選在1500～2000mm之間，門框高度為350～500 mm。當玻璃安裝托架跟隨玻璃由上止點運行到下止點時，在車寬方向上發生最大總變形量稱為總撓度（D/mm）。D 大小對升降器的運行阻力、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生永久性的塑形變形。考慮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計得過小，使玻璃升降器難以進行布置。

由于玻璃升降器的運動軌跡是一平面，而玻璃中心面是一弧面，所以導軌運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）當玻璃導軌處在最高位置時，玻璃升降器的壓縮量要小于13 mm；2）當玻璃導軌處在基準位置時，玻璃升降器的延伸量要小于10 mm；3）當玻璃導軌處在最低位置時，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軌在自由狀態下升降器的運動平面。

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，根據玻璃升降器的最高位置和形成定義玻璃升降器導軌的最低位置，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：玻璃在運動的時候，玻璃的質心在兩滑輪中心線上，使玻璃在升降的時候能保持穩定，當升降器導軌處在基準位置的時候，滑輪與限位點距離大于20 mm[1]。

2.3 升降器中位線及主臂旋轉中心的布置

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數值大致相同，有特殊要求時，可以改變主動臂形狀來實現X1與X2不同。主動臂旋轉中心布置時要確定在中位線上。

2.4 升降器舉升中心區的布置

舉升區的布置，交叉臂的旋轉中心從上止點運動到下止點掃過的區域稱為升降器舉升區。臂式升降器固定玻璃的2 個安裝點間距較大，一般比玻璃托架的尺寸長60～100 mm。在升降器舉升區內玻璃質心的少量偏移對升降器舉升玻璃穩定性幾乎沒有影響，因此升降器主動臂旋轉中心在車長方向的布置可以在保證玻璃質心落在升降器舉升區的基礎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。在升降器運動到上止點和下止點位置時，主動臂長度越長，主動臂和從動臂頂端滑輪的間距越大。當驅動電機輸出功率一定時，主動臂和從動臂的間距越大，升降器的舉升力越大，整套機構穩定性越好。但是主動臂越長，材料消耗量越大，而且增加了同車門內部其它運動部件間干涉的可能性。一般設計過程中，在玻璃升降器運動到上止點和下止點位置時，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角度后，可以通過選定電機齒輪模數及齒數計算出齒扇半徑及齒數。

3 實例

文章以某車型為例，介紹臂式玻璃升降器結構設計過程。

3.1 結構形式及主要部件

該車車門設計按采用交叉臂式升降器設計的車門內板，通過對車門內板數模和升降器的技術要求等分析，確認結構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、后門采用單臂式結構電動玻璃升降器結構。經對車門及玻璃造型面分析后，按照臂式升降器布置要求進行初步布置，計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 升降器電機計算

3.2.1 玻璃重量及阻力

對玻璃面積和厚度測量后，通過計算得到玻璃重量（G1）約為30 N，根據經驗值初步設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 電機扭矩計算

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

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

因為Fup遠大于Fdown，所以玻璃升降器電機在提供足夠克服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/下降時所需電機扭矩進行計算。

式中：M——升降器電機輸出扭矩，N·m；

F——系統阻力，N；

L——主動臂長度，m；

r——電機齒輪半徑，r=0.007 m；

R——齒扇半徑，m；

η——效率，通常取60%。

根據式（2），計算出前門玻璃升降器上升/下降時系統所需電機扭矩，分別為2.82，0.94 N·m；計算出后門玻璃升降器上升/下降時系統所需電機扭矩，分別為2.73，0.91 N·m。

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

3.3 玻璃升降時間計算

玻璃上升/下降時間（t/s）為：

式中：n——電機轉速，r/min；

S——行程，m。

根據圖2 中電機額定工作曲線，可查到當電機承受2.82 N·m 的扭矩時，n 為 46 r/min；當電機承受 2.73 N·m的扭矩時，n 為48 r/min；當電機承受的扭矩為0.94 N·m，n 為 76 r/min；當電機承受的扭矩為 0.91 N·m，n 為76.5 r/min。代入式（3），計算得到：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。

經上述計算，排除原始數據及經驗值的誤差，本次設計所選用的電機理論上滿足升降器正常升降功能要求。各個鈑金部件的結構方案經計算滿足強度及撓度形變要求。經計算，電動玻璃升降器總成上升或下降時間可達到小于4 s 的要求。本次設計結果在實際生產中得到驗證，與理論計算結果基本相同。

4 結論

臂式升降器在汽車上應用時間較長，結構成熟。但是車門玻璃升降過程涉及零部件較多，需要設計者在前期設計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、運動軌跡、車門鈑金的剛度、結構形式及升降器的安裝位置等因素。在臂式玻璃升降器結構設計過程中要注意升降器的撓度變化和電機選型等。目前臂式升降器逐漸向模塊化發展，并帶有防夾等功能。