電動升降器的有限元分析

崔興龍， 徐革， 毛勇， 李連海， 鞠傳勝

（1.遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司，遼寧阜新123000；2.全球物流（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215324；3.沈陽鼓風機集團核電泵業有限公司，沈陽110869）

電動升降器的有限元分析

崔興龍1， 徐革1， 毛勇2， 李連海3， 鞠傳勝3

（1.遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司，遼寧阜新123000；2.全球物流（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215324；3.沈陽鼓風機集團核電泵業有限公司，沈陽110869）

采用有限元分析方法，對汽車的電動升降器進行了受力和形變分析。分別對玻璃升降器從下止檔開始上升狀態和上升到上止檔堵轉狀態進行了研究，對其原始數據進行了數學分析。應用Nastran軟件建立了有限元模型，對其整體裝配進行了有限元分析，對其主、從動臂進行了形變和應力分析。結果表明，主動臂在靠近長滑槽側的折彎處形變量最大，在渦卷彈簧固定銷處附近形變量最小；渦卷彈簧固定鉚釘處附近有最大應力，在與從動臂連接處附近有最小應力。靠近長滑槽側的從動臂在其折彎處形變量最大，靠近短滑槽側的從動臂在與滑塊連接處附近形變量最小；靠近長滑槽側的從動臂在其折彎處有最大應力，靠近短滑槽側的從動臂在與滑塊連接處附近有最小應力。

有限元；升降器；形變量；應力

0 引言

1980年代末電動升降器首次登陸中國市場，隨后的十幾年里，經過不斷地研究，國內公司自主開發了電動升降器。我國于2000年7月發布了自己的首個行業標準，但與先進國家的規范相比要求較低。目前國內的電動升降器供應商的最大問題在于其技術能力不強，生產規模太小，故無法形成自己的系列產品，參與國際競爭［1］。

汽車玻璃升降器是汽車配件市場中常見的標準配件，是汽車的重要組成部分。汽車玻璃升降器按傳動結構分為臂式、柔式、絲杠式升降器；按操縱方式分為手動、電動、液動升降器。臂式升降器又可分為單臂式和雙臂式，雙臂式又包括交叉臂式和平行臂式升降器［2-4］。本文主要研究的是電動交叉臂式升降器。其特點是整體剛度好，對玻璃支撐區域寬，可保障玻璃平行升降，提升力較大，故運行比較平穩，被普遍采用［5-6］。臂式玻璃升降器的傳動機構為齒輪齒扇嚙合傳動，除齒輪外其主要結構均為板式結構，加工方便成本低。但由于其采用懸臂式支撐結構，故工作壓力大。其涉及的零部件較多，均為串聯，受車門安裝定位要求限制較多，加之工作環境惡劣及用戶使用不當，故而成為整部汽車中出現故障最多的部件之一［7～11］。

目前，已經有很多學者應用有限元對連桿機構進行研究，高崇金［12］利用有限元分析了高空作業車臂架，并進行了平衡系統設計；王鎮乾［13］利用有限元分析了梭車轉向四連桿機構，并進行了優化設計；梁永江［14］進行了四連桿飛剪機的優化設計研究；沈曉麗［15］等進行了液壓機械臂連桿有限元分析。有限元分析方法局限性小，計算精度高，較傳統的計算方法有很大優勢，已廣泛應用于機械領域中。

本文采用有限元分析方法，對電動升降器從下止檔開始上升狀態和上升到上止檔堵轉狀態進行研究，并對主、從動臂的形變量和應力進行詳細分析。

1 力學分析

由于升降器在整個運動過程中受外力均勻平穩，故對升降器從下止檔位置開始上升狀態和上升到上止檔堵轉狀態進行受力分析，獲得其受力與運動的關系。升降器各部件形狀較復雜，現將其簡化為連桿機構，添加固定載荷及零位移面約束條件。由于升降器的主、從動臂在工作過程中受力復雜且零件結構不均勻，故其性能要求相對高于其他零件，因此本文僅對升降器的主、從動臂進行了受力和形變分析。對主、從動臂進行受力分析，建立力及力矩平衡方程。由圖1可知，與主動臂和從動臂受力分析相關的零件包括：電機齒輪、齒扇、固定鉚釘、渦卷彈簧、固定銷、長滑槽、短滑槽、固定板（短滑槽連接板和滑塊忽略不計）。渦卷彈簧對主動臂的作用力相對較小，可設為零。

圖1 升降器

圖2 從下止檔位置開始上升狀態受力分析

1.1 從下止檔位置開始

上升狀態受力分析

啟動電機（LK30電機），車窗玻璃從下止檔位置開始上升，升降器受力分析如圖2所示。在圖2（a）中齒扇受圓周力Fi和徑向力Fr的作用，徑向力 Fr是由電機產生的，圓周力Fi是由電機齒輪帶動齒扇轉動時的接觸產生的，受力點在齒輪與齒扇接觸點處，長滑槽受均布力Fz的作用，該力主要是由玻璃的重力產生的。由于車床的限制要求長滑槽僅有Z軸的平動，需要對長滑槽的其他5個自由度進行約束，而固定銷和短滑槽等屬于固定約束。

圖2（b）對主動臂進行受力分析，以E為支點，得力平衡方程：

圖2（c）把兩個從動臂看作一個整體，以D為支點，對其進行受力分析得力平衡方程：

1.2 上升到上止檔堵轉狀態受力分析

車窗玻璃上升到上止檔位置時，受車門阻力堵轉，升降器的受力分析如圖3所示。在圖3（a）中齒扇受圓周力Fi和徑向力Fr的作用，徑向力Fr是由電機產生的，圓周力Fi是由電機齒輪帶動齒扇轉動時的接觸產生的，受力點在齒輪與齒扇接觸處，長滑槽受均布力Fz的作用，該力主要是由玻璃的重力產生的。此時圓周力Fi和徑向力Fr大小基本沒變，而均布力Fz變大了，由于車床的限制要求長滑槽僅有Z軸的平動，需要對長滑槽的其他5個自由度進行約束，而固定銷和短滑槽等屬于固定約束。具體分析方法同上所述，在此不再贅述。

圖3 上升到上止檔堵轉狀態受力分析

2 建立有限元分析模型

利用三維設計軟件UGNX按原尺寸建立幾何模型，并進行整體裝配建模。其中主動臂和從動臂模型如圖4、圖5所示。

圖4 主動臂

圖5 從動臂

1）材料的選擇。根據實際情況，升降器材料為優質碳素結構鋼，牌號為08鋼。根據國標GB/T 699-1999在相關機械手冊獲得材料機械性能如表1所示。

2）邊界條件的確定。（1）約束條件：約束固定板的全部自由度，將其固定；約束主動臂的5個自由度，使其僅能圍繞固定銷轉動；其他零件的自由度由升降器的結構和運動來約束。（2）載荷條件：在齒扇處和長滑槽處添加給定的載荷Fi=64.9N，Fr=30.0N，從下止檔位置開始上升狀態長滑槽Z軸受力：Fz=100N；玻璃上升到上止檔堵轉狀態長滑槽Z軸受力：Fz=140N。

表1 08鋼的機械性能

3）網格的劃分。單元類型為CTETRA（10），即十節點（包括頂點和各棱中點）四面體。四節點（僅包括頂點）四面體要素的解析結果受要素尺寸影響較大，而十節點四面體要素的解析結果受要素尺寸的影響相對較小，故選用十節點四面體。網格單元大小為2 mm，網格質量的中節點方法采用混合法，最大雅克比值為10。

3 結果分析

3.1 從下止檔位置開始上升狀態

利用有限元分析軟件Nastran對電動升降器玻璃從下止檔位置開始上升狀態裝配結構進行有限元分析，并從中提取出主、從動臂的分析結果如圖6、圖7所示。

圖6 主動臂有限元分析

圖7 從動臂有限元分析

圖8 主動臂有限元分析

圖6（a）為主動臂形變分析結果。從圖中可以看出，主動臂在靠近長滑槽側的折彎處（即標記“Maximum”）具有最大形變量為0.038 53 mm，在渦卷彈簧固定銷處附近（即標記“Minimum”）具有最小形變量為0.000 055 40 mm。圖6（b）為主動臂應力分析結果。從圖中可以看出，主動臂在渦卷彈簧固定鉚釘處附近（即標記“Maximum”）具有最大應力為14.2 MPa，在與從動臂連接處附近（即標記“Minimum”）具有最小應力為0.020 14 MPa。

圖7（a）為從動臂形變分析結果。從圖中可以看出，靠近長滑槽側的從動臂在其折彎處（即標記“Maximum”）有最大形變量為0.035 68 mm，靠近短滑槽側的從動臂在與滑塊連接處附近（即標記“Minimum”）有最小形變量為0.003 858 mm。圖7（b）為從動臂應力分析結果。從圖中可以看出，靠近長滑槽側的從動臂在其折彎處（即標記“Maximum”）有最大應力為6.577 MPa，靠近短滑槽側的從動臂在與滑塊連接處附近（即標記“Minimum”）有最小應力為0.008 166 MPa。

3.2 上升到上止檔堵轉狀態

對電動升降器裝配結構進行有限元分析，并從中提取出主、從動臂的分析結果如圖8所示。

圖8（a）為主動臂形變分析結果。從圖中可以看出，主動臂在靠近長滑槽側的折彎處（即標記“Maximum”）處有最大形變量為0.055 21 mm，在渦卷彈簧固定銷處附近（即標記“Minimum”）有最小形變量為0.00007332mm。圖8（b）為主動臂應力分析結果。從圖中可以看出，主動臂在渦卷彈簧固定銷附近的折彎處（即標記“Maximum”）有最大應力為 13.51 MPa，在與從動臂連接處附近（即標記“Minimum”）有最小應力為0.024 82 MPa。

圖9（a）為從動臂形變分析結果。從圖中可以看出，靠近長滑槽側的從動臂在其折彎處（即標記“Maximum”）形變量最大為0.05125mm，靠近短滑槽側的從動臂在與滑塊連接處附近（即標記“Minimum”）形變量最小為0.007126mm。圖9（b）為從動臂應力分析結果。從圖中可以看出，靠近長滑槽側的從動臂在其折彎處（即標記“Maximum”）有最大應力為11.61 MPa，兩個從動臂在連接處附近（即標記“Minimum”）有最小應力為0.011 42 MPa。

上述結果表明，該升降器的主、從動臂在車窗玻璃從下止檔位置開始上升及上升到上止檔堵轉兩種狀態，其應力和形變量從強度角度分析完全符合設計要求。

4 結語

圖9 從動臂有限元分析

本文的意義在于用有限元分析法分析電動升降器的應力形變狀態，取代了傳統的理論分析。通過有限元分析軟件進行靜態分析，計算出主、從動臂的最大應力和形變量，從下止檔位置開始上升狀態主、從動臂形變量較小，但是上升到上止檔堵轉狀態它們的形變量較大，接近于許用的變形量，故其有剛度不足的缺陷，有必要對電動升降器連桿進行結構改進。同時，雖然在載荷的作用下產生的等效應力遠小于材料的許用應力，但是為連桿機構的疲勞分析提供相應數據，對該類型的升降器疲勞壽命的計算有一定借鑒作用。

［1］ 曹云翔.升降器及其發展概況［J］.汽車電器，2011（4）：3-5.

［2］ 蔣斌.玻璃升降器的結構與發展［J］.汽車技術，1996（10）：1-2.

［3］ 陳敏，武和霞，杜志彬.汽車玻璃升降機構的設計研究［J］.汽車與配件，2011（1）：38-39.

［4］ 周余瑾.汽車玻璃升降器設計研究［D］.長春：湖南大學，2012.

［5］ 莫建偉，韋樂俠.汽車交叉臂式玻璃升降器設計要點討論［J］.汽車技術，2009（4）：1-2.

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［7］ 李建如，孫汯.轎車電動玻璃升降機典型結構與發展［J］.上海汽車，2011（2）：42－46.

［8］ 張曉春.車門玻璃升降失效原因分析［D］.大連：大連理工大學，2003.

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［14］ 梁永江.四連桿飛剪機的優化設計研究［D］.長沙：湖南大學，2009.

［15］ 沈曉麗，李健，宋述停，等.液壓機械臂連桿有限元分析［J］.制造自動化，2011（16）：58-62.

（編輯黃 荻）

Finite Element Analysis of Electric Riesr

CUI Xinglong1， XU Ge1， MAO Yong2， LI Lianhai3， JU Chuansheng3
（1.Liaoning Datang International Fuxin Coal Gas Co.,Ltd.,Fuxin 123000,China;2.SCHENKER Logistics Co.,Ltd., Suzhou 215324,China;3.Sbw Nuclear Power Company,Shenyang 110869,China）

By using the finite element analysis method,pressure and deformation of the automobile electric glass riser were analysed.Respectively the riesr on the state beginning to rise from the next stop and the state rising to stop locked-rotor was studied,and the raw data was analysed.By Nastran the finite element model was established,and by the finite element analysis method the whole assembly was studied,deformation and pressure of the active and random arm were analysed.The results show that the deformation of the active arm has a maximum in the bending near the long chute side,and a minimum in near the fixed pin of the scroll spring.The pressure of the active arm has a maximum in near the retaining rivet of scroll spring,and a minimum in the random arm joint.The deformation of the random arm near the long chute has a maximum in the bending,and the deformation of the random arm near the short chute has a minimum in the slider joint.The pressure of the random arm near the long chute has a maximum in the bending,and the pressure of the random arm near the short chute has a minimum in the slider joint.

finite element;riesr;deformation;pressure

U 463.85

A

1002－2333（2014）05－0181－04

崔興龍（1970—），男，工程師，從事機械設計制造工作。

2014-03-07