汽車玻璃升降器輕量化的設計

黃春田

(上海實業交通電器有限公司，上海 200030)

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汽車玻璃升降器輕量化的設計

黃春田

(上海實業交通電器有限公司，上海 200030)

實施輕量化的途徑一般是應用新材料、優化結構、減少冗余功能等方式。針對一款傳統繩輪式汽車玻璃升降器，通過設計一款新型軸銷螺釘，改變系統的受力方式，從而使鋁鎂合金材料得以應用，達到輕量化設計目標；同時為緊固件與鋁合金板材的壓鉚工藝提供了參考。

汽車玻璃升降器；軸銷螺釘；鋁合金；汽車輕量化

0 引言

汽車輕量化是現代汽車工業技術發展的方向，對節省能源、降低排放、提高性能、汽車產業健康發展都具有重要意義。鋁合金材料替代鋼制材料，在汽車輕量化方面有廣泛的應用，這里著重介紹鋁合金材料在汽車玻璃升降器方面的應用。

一臺汽車中有4個升降器，實現輕量化對整車輕量化意義重大。升降器系統主要由導軌部分、罩殼部分、滑塊部分、鋼絲繩部分組成。在傳統升降器結構(見圖1)設計中，罩殼、滑塊部分已經有多個零件的材料是工程塑料；導軌因為需承擔玻璃升降的主要負載，并且因為加工成型的原因，材料采用冷軋鋼板，常規采用1.2 mm厚普通冷軋鋼板，近幾年開始已經將普通鋼板改為高強度鋼板，厚度由原來的1.2 mm減薄為1.0 mm；繼續實施輕量化有很大困難。

圖1 傳統單導軌升降器結構(有軸銷和螺釘兩個零件)

文中介紹一種設計方法，把導軌的材料由常用的高強度鋼板改為鋁鎂合金材料。為控制成本，材料的厚度增加不能過大。從以往產品開發的過程中對導軌的CAE模擬分析可以看出，導軌最大應力值超過鋁鎂合金材料的性能標準。經過分析，通過改變升降器系統內的受力方式，把螺釘和軸銷整合成一個零件，成為一種新型軸銷螺釘，把升降器系統的主要負載加載到車門板上，減少導軌自身承擔的負載，從而使鋁鎂合金材料的強度性能滿足此產品的強度需求，達到升降器輕量化目標。

1 傳統的玻璃升降器的缺點

導軌上需要用到兩個零件，其中壓鉚螺釘(見圖2)或焊接螺釘用于把導軌固定到車門板上，因為焊接工藝控制難度大、成本高，已經很少采用，基本都采用壓鉚螺釘的結構。另外升降器中都需要用到滑輪或類似用來改變受力方向的零件，這種零件采用具有潤滑性能的塑料材料，需要固定到導軌上，通常采用軸銷(結構見圖3)鉚接到導軌上；升降器工作過程中承受來自玻璃的負載，大部分通過滑輪、軸銷施加到導軌上，導軌承受所有的負載，再通過壓鉚螺釘傳遞到車門板上。

圖2 壓鉚螺釘結構圖

圖3 軸銷結構圖

傳統采用的軸銷與導軌的接觸圓面直徑需要在φ11 mm以上，軸銷尾部直徑一般為8 mm，采用碾鉚的工藝固定到導軌上，碾鉚后直徑達到11 mm(Min)；壓鉚螺釘一般規格為M6，頭部直徑11 mm，厚度2 mm，止轉筋的高度需要在0.4 mm以上；導軌的材料采用高強度冷軋鋼板HX220LAD+Z140，材料厚度1.0 mm。

按照升降器組裝到車門上的實際工作狀態，對升降器總成進行CAE模擬分析，分析結果見圖4。可以看到：局部應力值最大約152 MPa，未超過冷軋鋼板材料的屈服強度，但在壓鉚螺釘和軸銷接觸面周圍兩處均出現最大應力點。

在汽車鈑金件的鋁鎂合金應用中，用得較多的材料為5系鋁鎂合金。經過分析比較，作者選擇GB/T 3880.2-2006 5182，相同厚度的導軌質量可以減輕約65%，但屈服強度也減小了約50%。為了不過多增加材料成本，鋁合金材料的厚度選用1.25 mm。從表1可以看出：如果采用相同的結構，鋁合金材料的屈服強度是不能滿足受力要求的。如果加大軸銷的直徑，那么滑輪中心孔直徑等也需要作相應的調整，導致成本上升和滑輪布置困難，所以需要改變升降器的結構，來改變升降器系統受力狀態。

表1 兩種材料的性能數據對比

2 新型玻璃升降器結構設計

此設計中，采用一種新的結構，把軸銷與螺釘設計成一體，這樣玻璃升降的大部分負載通過滑輪、軸銷直接施加到車門板，導軌本身需要承載的負載大大減小，從而降低對導軌材料的強度要求，導軌材料所需要的厚度減小。通過減少零件的數量和材料的厚度，達到輕量化的目標。改變結構后玻璃升降器結構及軸銷螺釘結構見圖5。

圖5 改變結構后玻璃升降器結構及軸銷螺釘結構

首先運用CAE分析，檢驗新結構下導軌的受力情況，分析結果見圖6。

圖6 采用軸銷螺釘后導軌CAE分析

可以看出：相同的車門負載，通過受力變換，導軌本身所承受的應力強度下降了，未超出選用鋁合金材料的強度允許范圍。

從受力分析上看，此次設計滿足輕量化的要求，但在軸銷螺釘的結構方面，作了多次調整，才達到壓鉚強度的要求。

當導軌的材料更換為鋁合金，采用傳統工藝進行壓鉚聯接會出現壓鉚異常的問題，軸銷與導軌的接合強度難以達到要求，并且導軌受力部位的應力值超出了鋁合金材料的強度性能標準。

軸銷螺釘與導軌的壓鉚工藝，是這個產品設計實施中的一大難點。在實際壓鉚工藝中，軸銷螺釘在壓鉚到導軌上時，無法對導軌安裝面作整形，必然導致安裝面的凸起變形；這一變形量超過0.1 mm 后，就會出現安裝面與車門板貼合不良，導致鎖緊扭矩不足的問題。為解決這個問題，需要降低止轉筋的高度和寬度，從而減小壓入后的體積變化，止轉筋的高度由原來的0.5～0.65 mm減小到0.3～0.45 mm。當導軌的材料變換為鋁合金，材料的屈服強度也減小了50%以上，更容易出現壓鉚強度不足和壓鉚面變形大的問題。如圖7所示，為保證降低止轉筋后的松脫扭矩，設計中在軸銷螺釘根部增加一圈止退槽；壓鉚的工裝下模由原來的平面改為有一圈凸筋，壓鉚過程中，凸筋壓迫導軌材料，產生塑性變形進入到止退筋中，保證緊固件軸向頂出力1 kN(Min)，同時提升了緊固件的松脫扭矩20%。隨機抽取30個零件樣品進行壓鉚強度的測試，軸向頂出力均值為1.15 kN，松脫扭矩均值為8.6 N·m，滿足客戶6.0 N·m(Min)的規格。

圖7 軸銷螺釘壓鉚模具結構示意圖

3 結束語

這樣把軸銷與螺釘設計成一體，兩個零件合為一個零件，綜合質量減少3 g，一車4門用量12個，質量減輕約36 g；另外導軌材料采用鋁合金，厚度1.25 mm，單個導軌質量由230 g下降到110 g，減輕了約120 g，整車6根導軌質量下降約720 g；兩個零件質量減小貢獻了約780 g。通過減少零件的數量和應用新材料，達到輕量化的目標。已對此軸銷螺釘申請實用新型專利，專利號：ZL 201520158346.4。

【1】馮美斌.汽車輕量化技術中新材料的發展及應用[J].汽車工程,2006,28(3):213-220. FENG M B.Development and Application of New Materials in Automotive Lightweighting Technologies[J].Automotive Engineering,2006,28(3):213-220.

Lightweight Design for Automotive Window Regulator

HUANG Chuntian

(Shanghai SIIC Transportation Electric Co.,Ltd.,Shanghai 200030,China)

The implementation ways of lightweight are the application of new materials, structural optimization, reducing redundant functions etc. Aiming at a traditional rope wheeled automotive window regulator, a new pulley hub fixing screw was designed, so the force way of the system was changed,then the aluminum magnesium alloy material was applied to achieve the goal of lightweight design.At the same time, it provides a reference for the riveting technology of fastener and aluminum alloy plate.

Automotive window regulator;Pulley hub fixing screw;Aluminium alloy;Automotive lightweight

2016-06-12

黃春田(1972—)，男，本科，工程師，主要從事汽車玻璃升降器產品的研發。E-mail:hct800@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.011

U463.83+5

B

1674-1986(2016)11-046-04