某SUV車型玻璃升降器失效分析及改進

朱偉，吳晶晶，劉美麗

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某SUV車型玻璃升降器失效分析及改進

朱偉，吳晶晶，劉美麗

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

玻璃升降器是車門系統(tǒng)中的重要附件之一，其可靠性和安全性非常重要。文章從電機的機構原理和布置方法兩方面著手，分析了某SUV玻璃升降器失效的主要原因，并提出了整改措施。同時，也為玻璃升降器的設計提出了電機方面的新要求，從設計源頭杜絕此類問題的再次發(fā)生。

玻璃升降器；電機；失效分析；反向啟動電壓

前言

隨著社會的不斷發(fā)展及物質(zhì)文明的飛速進步，車輛已是人們工作、生活中不可缺少的一部分，人們在汽車上的活動時間也越來越多，車窗作為溝通車外的窗口，使用頻率很高。而玻璃升降器的主要作用就是保證車門玻璃能夠順暢地升降，以實現(xiàn)車門玻璃的開閉。一旦玻璃升降器失效，駕乘人員將無法正常通過車窗溝通車外，極大地影響駕乘人員使用的方便性和體驗感。本文就是針對某SUV發(fā)生的玻璃升降器失效問題進行的分析整改撰寫的經(jīng)驗總結，供大家分享參考。

1 問題描述

從市場售后陸續(xù)接到多例反饋：某SUV車型發(fā)生電動玻璃升降器升到頂后無法下降的問題。

2 問題分析

該故障車為左后門玻璃升降器在上止點不工作，無法下降。

按如下方式進行測試：

1）故障車確認車門線束輸入電壓正常（13V）；

2）拔出線束接插件，直接給玻璃升降器電機加反向電壓，按0.5V為一個格次由9V一直加到16V，電機不動作，繼續(xù)加到18V，電機啟動，玻璃開始下降；

3）啟動后在下止點堵轉，加反向電壓，6V時電機反向啟動（即從下上升）；

4）再次升到上止點堵轉，反向加電壓，10V時電機反向啟動（即從上下降）。

通過排查，可以初步確認電路無問題，故障點在玻璃升降器上，電機從上止點下降的反向啟動電壓要求過高，高于汽車能提供的電壓，導致玻璃升降器無法動作。

反向啟動電壓就是電機堵轉后反向啟動所需要的電壓值。

2.1 電機的結構及參數(shù)

2.1.1電機的結構

升降器電機是一種小型永磁兩極直流電動機，由定子、電樞、碳刷端蓋、齒輪箱體等幾個組件組成的。如果電機帶有防夾，遙控等自動化功能，還會加裝有電子集成模塊，由電機與電子模塊配合完成各種自動化指令。

作為電動玻璃升降器的原動力，電機和齒輪箱是其結構的關鍵，我們通常稱兩者集成的整體為電機總成。其結構如下圖1：

圖1 升降器電機結構示意圖

1.小齒輪 2.齒輪箱蓋 3.驅(qū)動輪 4.阻尼塊 5.蝸輪 6.齒輪箱 7.軸承 8碳刷 9.白攻螺釘 10.繞線轉子11.磁體 12.定子

電機的工作過程為：接通電機后，繞線轉子與電機軸轉動，通過齒輪箱內(nèi)蝸輪蝸桿減速裝置減速，帶動小齒輪轉動輸出力矩，再通過小齒輪與升降器繞線輪匹配將力矩傳遞至升降器。

2.1.2電機的參數(shù)

電機參數(shù)一般包含電機轉速(n)、扭矩(T)和工作電流(I)，電機在正常工作條件下的性能參數(shù)關系形成的曲線稱為電機性能曲線。

正常工作條件下一般指：工作溫度為23℃±5℃；工作電壓為13V。

下面以一個實際的電機性能曲線圖為例說明（見圖2）。

圖2 電機的性能曲線圖

圖2中：

紫色斜向下的實線為電機正轉時的轉速-扭矩圖；

藍色斜向下的實線為電機反轉時的轉速-扭矩圖；

紫色斜向上的實線為電機正轉時的電流-扭矩圖；

藍色斜向下的實線為電機反轉時的電流-扭矩圖；

紫色虛線為轉速-扭矩的公差要求范圍；

紅色虛線為不同扭矩狀態(tài)下的電流最大允許值。

電機正轉與反轉時的轉速-扭矩圖一般情況下設定一致，當對電機正、反轉狀態(tài)有不同要求時可以小幅度調(diào)整。

電機扭矩：T = 9550 P / n = 9550 UI /n 公式（1）

由公式（1）及性能曲線可知，電機扭矩與轉速成反比，與電流成正比。

在升降器電機能滿足正常工作電壓9V-16V的要求情況下，還會增加一項反向啟動電壓的要求。具體測試方法是電機在正常升降負載（上升1 Nm，下降3 Nm）和電壓(13V)下運轉，使電機堵轉至熱保護器斷開。待熱保護器復位后，要求電機必須能夠在8.5V電壓下反向起動。

電機堵轉后反向啟動所需要的電壓值就是反向啟動電壓，若反向啟動電壓超過汽車提供的電壓，會導致升降器堵轉后不能反向動作。

2.2 電機反向啟動電壓過高的原因分析

3.2.1結構原理分析

電機堵轉后反向啟動時的受力如下（見圖3）：

圖3 電機堵轉時方向啟動受力圖

其中：

F1、F4、F6：三個軸承徑向摩擦力

F2：磁拉力

F3：碳刷換向器摩擦力

F5：蝸桿此輪受力（包含F(xiàn)a、Ft、Fr）

F7：軸頭摩擦力

以上所有的摩擦力對應的力矩，在電機堵轉反向啟動時，都是阻力矩，假設阻力矩之和為Nf。整車電壓達不到反向啟動電壓導致升降器不能工作的原因就是：

Tm＜Nf（Tm為整車電壓對應的電機輸出扭矩）

減小阻力矩Nf即可降低反向啟動電壓。

為減小阻力矩逐項分析：

F2：磁拉力，正常屬性，斜槽、直槽弱相關

F3：碳刷換向器摩擦力，正常屬性，碳刷彈簧力弱相關

F7：軸頭摩擦力，正常屬性，軸頭潤滑弱相關

F5：蝸桿齒輪受力，正常屬性，但是與蝸桿齒輪傳動效率相關，即導程角γ、潤滑μ1、蝸桿以及齒輪材料選擇之配合摩擦系數(shù)μ2。這個是反向啟動電壓強相關因素之一。

F6、F1、F4：正常屬性，但是與結構設計關系較大，比如三點支撐或者懸臂梁結構。這個是反向啟動電壓強相關因素之二。

由上述分析可知，在電機的設計狀態(tài)確定的情況下，F(xiàn)1、F2、F3、F4、F6、F7均比較穩(wěn)定，而F5制造精度和工藝影響較大。故減小F5、提升蝸輪蝸桿的傳遞效率是減小電機反向啟動電壓的關鍵。

蝸輪蝸桿傳遞受力如下（圖4）：

圖4 蝸輪蝸桿傳遞受力圖

蝸輪蝸桿受力計算如下：

Ft1 = Fa2= 2T1/d1

Ft2 = Fa1= 2T1/d2

Fr1 = Fr2= Fa1tanα

Fn = Fa1/(cosαn·cosγ) = Fa2/(cosαn·cosγ)= 2T2 /(d2·cosαn·cosγ)

式中，T1、T2為蝸桿與蝸輪上的轉矩（Nmm）。

電機輸出扭矩計算：

蝸桿-蝸輪摩擦系數(shù)f在影響因子1、2、3設計確認不進行變更的情況下，條件4蝸桿、蝸輪齒面的表面粗糙度起到?jīng)Q定性作用。

即在設計狀態(tài)滿足要求，不做設計變更的情況下，通過調(diào)整蝸輪、蝸桿的加工方式，減小其表面粗糙度，以增大蝸輪蝸桿傳遞效率，是減小電機反向啟動電壓的有效方式。

2.2.2電機布置分析

電機根據(jù)布局方向，可分為p電機和q電機。p電機CCW（逆時針）堵轉時的反向啟動電壓比CW（順時針）堵轉的啟動電壓大。具體力學分析見表1。

表1 p電機正反轉受力分析對比圖

實際使用時，本車型左側門使用q電機，右側門使用p電機，導致電機CCW堵轉發(fā)生時，玻璃升降器在上止點位置。由于汽車玻璃一般升到頂部時放置時間較長，導致故障發(fā)生概率增大。

玻璃升降器布置時考慮左側門用p電機，右側門用q電機，這樣CCW堵轉會發(fā)生在玻璃升降器降到下止點位置時。玻璃在下止點長時間放置的幾率較小，對反向啟動電壓的影響也較小。

3 故障解決方案驗證

3.1 電機蝸桿表面粗糙度減小驗證

目前電機蝸桿使用銑削加工，表面粗糙度0.1＜Ra＜0.8；由于銑削的加工方式、刀具原因，Ra是有波動的，蝸輪蝸桿的嚙合效率因為Ra不同而波動。而采用冷擠壓蝸桿，表面粗糙度0.1＜Ra＜0.4，傳遞效率比機加工蝸桿高。

對100對電機更換冷擠壓蝸桿后再次進行反向啟動電壓測試。測試結果： p、q電機在CW堵轉和CCW堵轉時反向啟動電壓均不超過5V，反向啟動電壓均值降低效果明顯，滿足＜8.5V的要求，且一致性較高，蝸桿改進方案有效。

3.2 p、q電機左右交換安裝驗證

制作電機座板手工樣件，將前期測試反向啟動電壓較高的三個右后門電機更換到左后門測試，結果如表2：

表2 電機反向啟動電壓測試結果

測試結果表明，玻璃升降器電機布置時應考慮電機形狀（p或q），電機CW堵轉方向應與玻璃升降器上升方向一致。

4 總結

針對市場玻璃升降器在車窗頂部失效的問題，經(jīng)過細致的排查，將問題鎖定在電機上。對電機的結構原理和布置進行了分析，最終確定了問題發(fā)生的根源，并且通過實物改進驗證，確認了方案的可行性和正確性。

電機作為玻璃升降器的驅(qū)動部件，對玻璃升降器總成的性能具有極其重要的影響，玻璃升降器絕大部分故障都是由電機引發(fā)的。因此，在玻璃升降器設計過程中，不僅要對總體布置進行檢查確認，還要重視電機的選型使用，確認電機的各項參數(shù)和性能是否滿足要求。

[1] 史新華,王學紅.繩輪式玻璃升降器失效模式分析及改進.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2014（2）.

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[4] 劉銘毓.車門玻璃升降器電機齒輪箱的改進.汽車與配件[J].2016（33）.

A SUV glass regulator failure analysis and improve

Zhu Wei, Wu Jingjing, Liu Meili

( Anhui jianghuai automobile group co. LTD. Technical center, Anhui Hefei 230601 )

Glass regulator is one of the important accessories in the door system. Its reliability and safety are very important. Starting from two aspects of the mechanism and layout of the motor, this paper analyzes the main reasons for the failure of a SUV glass regulator, and puts forward some rectification measures. At the same time, new requirements for motor design are put forward for the design of glass regulator, and the recurrence of such problems is eliminated from the source of design.

Glass regulator;Motor;Failure analysis;Inverse start-up voltage

B

1671-7988(2018)16-44-04

U467

B

1671-7988(2018)16-44-04

CLC NO.: U467

朱偉，本科，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，研究方向車門系統(tǒng)設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.016