關于繩輪式電動玻璃升降器設計方法的研究

高凱，王強（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230000）

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關于繩輪式電動玻璃升降器設計方法的研究

高凱，王強
（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230000）

摘要：汽車玻璃升降系統作為車門五大系統之一。使用頻率高，用戶可直觀判斷升降系統的好壞。升降系統由于受到造型限制、車門鈑金、車門系統零部件等多方面影響，一直都是車門系統設計的難點?，F通過對繩輪式玻璃升降器的布置和計算，闡述汽車玻璃升降系統和整車匹配的設計要求。

關鍵詞：玻璃曲率；運動軌跡線；撓度；運動校核；斷面設計

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U463.85+3Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-12-06

引言

繩輪式玻璃升降器作為玻璃升降器類型的一種， 因其總體剛度好，對玻璃支撐區域寬、上下過程穩定性好，常運用于乘用車、SUV車型和多功能車型。繩輪式玻璃升降器的布置和計算，是玻璃升降器系統的難點，其撓度分配、升降器安裝位置等設計直接關系到玻璃升降系統的安裝便利性和運動可靠性。

本文以前門玻璃升降系統設計進行分析，重點介紹繩輪式升降器設計和布置的要點，并對電動玻璃升降器后期的發展趨勢進行簡單的介紹。

1、升降器介紹

1.1功能介紹

升降器主要由電機、機械升降機構和控制系統三大部分組成，是由直流電機驅動，通過卷絲筒、繩索等傳動，使車窗玻璃上升或下降到需要位置，并能在該位置停留的一種裝置。

1.2分類介紹

1.2.1升降器的分類

升降器按結構形式可分為單導軌式和雙導軌式，按動力分類可分為電動式和手動式（卷簧式平衡彈簧）。

1.2.2組成及工作原理

繩輪式升降器典型結構圖見圖1。

升降器的導軌總成1通過上下部分的安裝支架分別固定在門內鈑金上，卷絲機構4連同電機5 也固定在車門內鈑金上，車窗玻璃通過自攻螺釘固定在滑塊2 上（見圖2），電機采用防水電機。電機接受控制系統傳遞的信號做正或反轉，使卷絲機構中絲筒旋轉，收縮或放長拉絲3，使滑塊沿導軌總成上下運動，從而帶動車窗玻璃沿前后玻璃導向槽作上下運動。

圖1

圖2

1.3一般要求

1）玻璃升降平順，工作可靠；

2）無沖擊和阻滯現象，無異響；

3）升降器的關閉力應符合產品圖樣的技術要求；

4）升降器上升速度應在70 mm/s～200 mm/s之間。

2、繩輪式玻璃升降器結構設計

2.1升降器設計要點

1）設計擬合的玻璃面同外造型面偏差盡量?。?/p>

2）確定的玻璃導槽以及玻璃升降臂導軌的軌跡線,要能保證玻璃沿著設計的升降臂導軌升降過程中,玻璃前后端運動軌跡同玻璃導槽的各向間隙變化控制在一定的工程范圍之內；

3）玻璃從上止點下降到下止點過程中,在窗臺處不發生干涉；

4）玻璃下降過程中與車門內外板間安裝的其他部件不干涉；

5）玻璃升降器系統的裝配順序符合生產線要求，特別是玻璃的安裝必須方便簡易。

2.2升降器布置設計過程簡述

1）根據車身外造型面，用環面玻璃車門設計理論，構造玻璃所在環，并根據門窗密封條斷面尺寸等，確定玻璃外表面或中面。

2）用環面玻璃車門設計理論，確定玻璃升降導軌的基準線。根據車身外表面造型的玻璃邊界線，確定玻璃初始位置各邊界線。其中,玻璃初始位置前后邊界線可作為玻璃導槽的中心線。分析玻璃沿升降壁導軌運動過程中同玻璃呢槽的壓縮情況。

3）依據玻璃導槽中心線及其結構斷面，確定玻璃導槽結構；

4）根據玻璃及運動軌跡確定升降器滑塊和導槽的位置。

5）根據車門整體布置確定升降器固定結構。

6）對升降器作運動DMU分析。

2.3升降器布置設計的重要環節

2.3.1升降器結構的選擇

升降器結構的選擇依據主要有以下幾點：

1）整車的市場定位及開閉件分組的分解成本。

根據分解成本選擇合適的結構類型，如單導軌、雙導軌、門板模塊等。

2）升降器的功能定義

根據整車產品配置表中要求的升降器功能如一鍵升降、防夾功能等進行升降器電機的選擇。

3）造型定義輸出的限制

根據造型定義的玻璃曲面來選擇合適的升降器類型，如曲率半徑較大，則臂式升降器、繩輪式升降器都可以選擇，如曲率半徑較小后為雙曲率玻璃，則建議采用繩輪式升降器。

4）車門布置空間的限制

根據不同車型車門的大小選擇合適的升降器類型，前門玻璃一般較大，且形狀分布不均勻，在成本允許的情況下建議選用雙導軌升降器，提高運行平穩性。

2.3.2玻璃面的分析及擬合

（1）玻璃面的種類

乘用車的設計中，由于造型風格的不同，體現在玻璃面上的形式也有區別，常見的玻璃面形式有單曲率玻璃和雙曲率玻璃。單曲率玻璃也就是常說的柱形玻璃面，即在X向，玻璃的斷面為一直線，只在Z向為一規則曲線。

雙曲率玻璃是近幾年新車型中常見的玻璃面形式，也就是存在X、Z兩個方向上的曲率。雙曲率玻璃面通常又有圓環面和腰鼓面兩種形式。見圖3：

圖3

（2）玻璃面的分析

1）窗沿線與玻璃面的關系

玻璃在運動中，與門外板止口（外劈水條的安裝面）的距離是在很小的范圍內波動。我們在分析時，可視此距離為不變量，因此窗沿線與玻璃面是平行關系。

2）小圓的擬合

以點云或CAS面中的窗沿線為基準，做垂直窗沿線的平面，玻璃面與這些平面相交，得到一系列曲線c1，c2，c3……用這些曲線擬合圓，盡量將圓逼近曲線。找到這些小圓的圓心，測量小圓的半徑。分析這些小圓，如果半徑相對接近，對小圓的圓心坐標及半徑取平均值，以此做出眾多小圓的平均小圓作為玻璃面的標準小圓。此時的玻璃面存在兩種可能，圓心在一條直線上，則為圓柱面；圓心分布在曲線上，則玻璃面為圓環面。如果小圓半徑呈規律變化，中間位置相對大，兩端小，圓心分布為直線，則玻璃面為腰鼓面。

圖4　垂直窗沿線的一系列平面與玻璃面相交所得的c1，c2，c3……

3）大圓的擬合

通過眾小圓的圓心擬合曲線L。以眾小圓的圓心每三點作平面，將曲線向平面上投影得到，找到一條與L最接近的曲線Lt。分析Lt為直線還是曲線，如果為曲線，用曲線Lt擬合大圓C。結合對小圓的分析，此時可以確定玻璃面的性質，并進行玻璃面的最好制作。

圖5

4）玻璃面的制作

柱面：小圓c沿曲線Lt運動所得（可以將圓柱面視為圓環面的特殊形式）。

圓環面：小圓c沿曲線Lt運動所得。

腰鼓面：取小圓1/4圓弧點擬合曲線，繞曲線Lt作回轉運動。

2.3.3玻璃運動軌跡的確定

2.3.3.1 玻璃面為圓柱面運動軌跡的確定

規則的圓柱面，玻璃的運動軌跡是選擇和直線運動的合成，也就是螺旋線運動，可以充分滿足玻璃的升降運動。下圖以前門為例說明玻璃運動軌跡的確定過程：

A：B柱處玻璃邊界的上端點。

A1：A點在圓柱面軸線的投影點。

B：B柱處玻璃邊界的下端點。

B1：B點在圓柱面軸線的投影點。

AA1：B柱玻璃邊界上端點與其投影點的連線。

BB1：B柱玻璃邊界下端點與其投影點的連線。

α：AA1與BB1的夾角。

l: A1、B1兩點間的距離。

圖6

由以上可知：當玻璃由A點運動到B點時，玻璃轉動的角度為α，玻璃沿圓柱軸線的執行運動距離為l，由此可得l/α=p/360，p為螺旋線的螺距，由此可得：p=360×l/α。

在CATIA中，可以用求得的螺距進行螺旋線的制作，先求得前門玻璃后導軌中心線，再根據布置需要，以相同螺距制作前導軌中心線。同時根據定義的導軌中心線對造型進行修正。此時玻璃的運動以柱面中心線為旋轉軸做螺旋線運動，運動偏差為0。但在實際的制造中，許多供應商沒有能力制造如螺旋線這樣的空間曲線玻璃導軌，玻璃導軌的實際曲線是與螺旋線盡量接近的平面曲線，玻璃運動的偏差就是平面曲線與螺旋線的偏差，通常將此偏差控制在X向0.1mm，Y 向0.5mm以內。在CATIA中用SCREW JOINT進行運動校核。

3.2玻璃面為雙曲率面（圓環面、腰鼓面）運動軌跡的確定

對于雙曲率玻璃面，如果定義玻璃的運動仍是螺旋線運動，需借助柱面進行運動軌跡的確定。過程如下：

選取兩個小圓圓心o1，o2做直線L，使直線盡量接近曲線Lt。用擬合的小圓c沿此直線運動得圓柱面。與雙曲率玻璃面相交得兩條交線，調整o1，o2的坐標值，使兩條交線盡量接近造型設定的玻璃邊界線。以得到的交線為參照做前后螺旋線，保證螺距相同，使螺旋線盡量解決交線。這兩條螺旋線就是玻璃的導軌中心線。同時根據求得的螺旋線修正造型線。運動偏差控制及運動校核同3.1。

2.3.4 升降器的布置

2.3.4.1 升降器布置應考慮的要素

1）電機的位置

根據門內的空間，電機的位置要盡量靠前。以減小門的轉動慣量。

2）施力點的確定

升降器對玻璃施力點的確定是布置的關鍵，保證玻璃在升降運動中的運行平穩。

3）升降器行程的保證

前門玻璃全部下降后，玻璃的上邊沿超出外劈水條上沿的距離在0-3mm之間。后門允許不完全降下，但在空間運行的情況下盡量增加下降的距離。

4）運動空間的保證

運動件的最小運動間隙不小于12mm，運動件與非要打緊件的距離不小于10mm。

5）總裝工藝保證

玻璃升降器的安裝、玻璃的安裝要保證足夠的操作空間。

4.2升降器布置的力學原理及施力點的確定

玻璃上升過程的受力分析(見圖7)，其中：

l：前導槽與玻璃接觸長度。

m:后導槽與玻璃接觸長度。

n：外劈水條與玻璃接觸長度（此值為一變化值）。

B：玻璃水平寬度。

y:滑塊施力點距玻璃后導槽距離。

a:重心距玻璃后導槽距離。

u：玻璃與密封條之間單位長度的摩擦力。

f1=u×l f2=u×m f3=u×n

圖7

M=∑MG+∑Mf1+∑Mf2+∑Mf3

∑M上=G（y-a）-ul（B-y）cosα+umycosα+un(y-1/2n)——①

當∑M上≥0時，玻璃能保證平穩運行。

玻璃下降過程的受力分析（見圖8）：

∑M下=G（y-a）-ul（B-y）cosα-umycosα-un(y-1/2n)——②

當∑M下≥0時，玻璃能保證平穩運行。

由①②式來設定y值，確定玻璃升降器施力點的位置，從而確定升降器導軌的位置。

圖8

4.3玻璃邊界的設定

為例保證玻璃在導軌中的平穩運行，彌補玻璃運動中在前后方向的偏差，玻璃邊界與呢槽的最小距離應保證為2.0mm±0.5mm。

玻璃的下邊界根據玻璃安裝托架的位置及玻璃安裝的可行性進行切割，但通常要保證玻璃在劈水條下的距離不小于30mm。

4.4玻璃的運動校核

在CATIA中，用SCREW JOINT進行運動校核，主要檢查玻璃在X向、Y向相對玻璃導軌的跳動量，螺旋線運動軌跡可以將運動偏差控制在X向0.1以內，Y向0.5以內。同時還要檢查玻璃升降過程中相對劈水條的跳動量，此跳動值要控制在劈水條與玻璃是干涉量以內，保證劈水條的密封及刮水作用。

4.5升降器安裝的設計

升降器安裝一般有7個螺母固定，其中4個固定升降器導軌，3個用于固定升降器電機。車門內板鈑金孔位需按以下要求設計。升降器導軌安裝孔為1個定位孔，3個調節孔；電機安裝孔均為圓孔：1個定位孔，2個調節孔，以上所有孔位均在同一平面。如圖9所示：

電機本體單獨安裝在鈑金上，與導軌不存在剛性連接，安裝孔與鈑金邊沿距離最小保證在10mm以上，以防止在顛簸路段以及關門時對內板的碰撞。

圖9

3、升降器的校核要點

3.1升降器自身結構的校核

1）玻璃升降器的導軌總成的弧度影響：它與車窗玻璃及前后導向槽的一致性。

圖10

對圖10中的整個升降系統進行設計分析，運用軟件把前后玻璃導向槽、車窗玻璃、門框導軌、玻璃升降器導軌的外形輪廓線抽取出來，得到圖11的結果。

圖11

在對圖11所示的升降系統進行分析，可以看出車窗玻璃、升降器導軌及前后玻璃導槽的幾個型線都是平行的，整個系統在玻璃升降過程中，理論上不應出現車窗玻璃脫離前后導槽，或者是車窗玻璃前傾、后傾，導致與導向槽的間隙過小的現象。

圖12

對圖12 進行分析：系統布置時，玻璃升降器導軌、車窗玻璃、前導向槽的弧度銜接和一致性都很好，這樣從理論上排除了設計時的缺陷。

2）滑塊的影響：

考慮到車門鈑金及升降器的制造精度，一般很難保證每一個升降器與整個系統達到很完美的匹配，所以一般滑塊與導軌之間應有一定的活動間隙，用來保證滑塊在上升或下降過程中不斷微調自身與導軌之間的位置以減小車窗玻璃在運動過程中的摩擦阻力。

滑塊自身有一定的自由度，但如果與導軌之間的活動間隙太大，在升降器啟動的瞬間滑塊將左右晃動，程度嚴重將造成固定在滑塊上的車窗玻璃發生大幅度前傾，導致車窗玻璃無法順利上升。所以在設計升降器時對滑塊與導軌之間的距離將做嚴格要求（見圖13），一般設定此數值為0.8mm± 0.2mm。

圖13

3.2玻璃弧度的的校核

1）Z 軸方向的弧度

玻璃在Z 軸方向的弧度應與前后玻璃導向槽的弧度保持一致，否則易出現當玻璃在導向槽上下運動時，玻璃偏向導向槽的一面，導軌玻璃對呢槽的作用力變大，在同一呢槽表面磨擦系數一樣的情況下，必然導致升降阻力變大，從而影響玻璃在導軌中順利地升降。

2）X 軸方向的球面

球面偏差易導致和外劈水條的間隙過緊，使車窗玻璃在上升時，外劈水條對它的作用阻力過大。

3.3前玻璃導向槽的校核

1）自身弧度與升降器的弧度的一致性

圖14

通過圖12，可以看出在設計時，前導向槽的弧度是可以的，在實際生產中，由于工裝、焊裝等因素，有可能使導向槽出現如圖14 所示的偏面，這對于整個系統來講是致命的。因車窗玻璃的運動方向還是它的設計方向，導致玻璃在上升運動時，在Y 軸方向給予導向槽的槽壁一個壓力F，導軌最終在Z 軸方向磨擦力的增大。從而影響玻璃在導軌中的順利地升降。

2）前導向槽的安裝支架的影響

前導向槽的安裝支架相對車身的位置，影響了車窗玻璃與玻璃導軌的空間位置關系（ X方向）。作圖14中的B-B 截面得圖15，車窗玻璃在導向槽的上段和下段與導軌面的距離Z值不一致且很小，極度情況出現Z≤2mm 情況。加上呢槽的截面寬度，玻璃在X 方向就已給了導向槽壓力F1，這種情況是絕對不允許出現的。

圖15

3）導軌的截面，截面的一致性

在圖15 中要嚴格控制A 的尺寸。車窗玻璃的厚度在一般的情況下都為3.2mm或3.5mm，呢槽安裝在導軌中，玻璃在沿著玻璃導軌導向的運動過程中，它與呢槽的間隙應是均勻并有一定的活動量（圖中X 值），如果導軌的截面在人為不知的因素下，減小1-2mm,整個環境體現出來就是在橫向方向上呢槽對玻璃的壓力F2 增大，引起升降的阻力增大，影響整個系統的正常工作。同時導軌的截面的尺寸必須嚴格控制一致性，否則容易出現部分區域阻力大，部分區域阻力小，玻璃升降器在升降過程中出現抖動現象。

3.4后玻璃導向槽的校核

后玻璃導向槽對升降器系統的影響基本同前導向槽一致。因各種車型采用的結構不同略有影響輕重之分，如前玻璃導向槽為焊裝件，后玻璃導向槽為安裝件，前導向槽的影響就較后導向槽大。

3.5呢槽的校核

呢槽能減緩玻璃和導向槽的作用力，使他們之間的硬接觸變為軟接觸，但它更重要的作用是在玻璃和導向槽之間密封，起防塵、防雨、隔音等作用。

1）呢槽的截面

呢槽的截面主要是影響了圖15 中的F2，它與圖15 中的尺寸A 關系是一致的：A 值小，截面尺寸?。籄 值大，截面尺寸可以大。

2）呢槽的表面處理

呢槽表面摩擦系數的高低是影響系統升降的重要一環，它直接影響了圖8 中的F2。因目前還沒有很好的方法來測量呢槽表面磨擦系數，所以只能通過外觀、表面手感來衡量，再則通過升降時間的長短來間接評價表面磨擦系數。

3.6車門內外板之間距離的校核

內外板之間的距離主要影響了內外劈水條與車門玻璃的間隙。在內外劈水條的截面一致的情況下，如果圖9 中的尺寸A 生產尺寸大于設計尺寸，將減弱內外劈水條對玻璃的壓力F。但是如果尺寸A 太大，將導致劈水條對車門的密封性不好。

圖16

4、總結

由于玻璃升降器在布置過程有不同的分析方法，所以在設計過程中布置的方法可能存在差異，但原理是基本相同的。本論文以具體項目為依托，簡單介紹了繩輪式玻璃升降器的選擇和布置方法。設計完成后，在裝車過程必須通過相關的試驗進行多輪驗證，確保設計產品的可靠性。玻璃升降系統一直都為車門系統的設計為難點，同樣對產品制造和裝配精度都有較高的要求，因此作為一個設計人員必須要學會對不同種類升降器的選擇和布置。通過項目開發及后期的試驗驗證，針對設計過程出現的問題點需要應給與重視，優化設計方案，并形成相應的設計規范，，避免在以后車型設計開發過程中出現類似的問題。

The Design Method of Cable-Drum Glass Regulator

Gao Kai,Wang Qiang
（Technology Center of AnHui Jianghuai Automobile Company Co. Ltd, Anhui Hefei 230000）

Abstract:The regulator system is one of the important component of the door and is often used by the customer. The vehicle modeling and the parts of the system limit we design the system ,we think it’s hard to design the regulator. We design and decorate the cross arm regulator and matching the vehicle design.

Keywords:Glass curvature; Glass move datum line; The deflection; Swing check; Section design

中圖分類號：U463.85+3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988 （2016）05-12-06

作者簡介：高凱，就職于安徽江淮股份有限公司。