乘用車電動玻璃升降器試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

李強(qiáng)，仰蕾伊，徐中青，魏卓

（江漢大學(xué) 智能制造學(xué)院,武漢 430056）

0 引言

目前，不論是轎車還是貨車或客車，常用的電動玻璃升降器有3種：雙軌道繩索式電動玻璃升降器、單軌道繩索式電動玻璃升降器、交叉臂式電動玻璃升降器[1]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，防夾電動玻璃升降器已開始在汽車上普及應(yīng)用。汽車的防夾電動車窗（包括防夾電動天窗）可實(shí)現(xiàn)觸覺、視覺的配合。所謂觸覺，就是當(dāng)電動車窗機(jī)構(gòu)感觸到有異物在玻璃上，會自動停止玻璃上升工作。本試驗(yàn)臺就是利用觸覺感應(yīng)的電動玻璃升降器。

目前廠家生產(chǎn)的玻璃升降器試驗(yàn)臺，只能驗(yàn)證單一類型的玻璃升降器，結(jié)構(gòu)單一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳。本試驗(yàn)臺將常見的3種玻璃升降器合理有效地布置在試驗(yàn)臺上，并且對雙軌道繩索式防夾手玻璃升降器鋪設(shè)附加電路，對防夾功能進(jìn)行測試，以此評價(jià)防夾性能的優(yōu)劣。此試驗(yàn)臺不但有利于實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)，而且給專業(yè)課老師提供了教學(xué)研究平臺。

1 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)及工作原理

電動玻璃升降器演示實(shí)驗(yàn)臺主要包括支架、機(jī)體、控制面板、電子控制系統(tǒng)共4部分，外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。支架主要用來安裝固定玻璃升降器，并且機(jī)體能夠?qū)崿F(xiàn)正反360°旋轉(zhuǎn)；機(jī)體上安裝有玻璃支架，玻璃支架可以水平移動，同時(shí)為玻璃升降提供運(yùn)動軌道；電路部分包括控制面板、導(dǎo)線及電子控制系統(tǒng)，全部固定于機(jī)體上，實(shí)現(xiàn)了玻璃的升降運(yùn)動及防夾玻璃的阻力值的輸出。臺架分解圖如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺架整體圖

圖2 臺架分解圖

3種玻璃升降器通過定位孔分別固定在3塊玻璃支撐面板上[2]，支撐面板底部采用三角支架（如圖3）固定。支撐面板可以做360°正反旋轉(zhuǎn)。支架是安裝零部件的基礎(chǔ)，采用鋼制結(jié)構(gòu)，堅(jiān)固耐用，支架底部裝有萬向輪，移動靈活又便于固定。支架中部安裝軸承及軸承座（如圖4）。傳動軸的上端通過螺栓與三角支架固定連接，傳動軸的另一端由兩組軸承實(shí)現(xiàn)軸向定位。支架上還固定安裝水平滑槽，垂直滑槽下端通過滑塊與水平滑槽滑動連接，可以實(shí)現(xiàn)垂直滑槽的前后移動。垂直滑槽內(nèi)安裝玻璃，玻璃在垂直滑槽上下移動（如圖5）。高于支架的平面上還安裝有操作臺。操作臺上安裝有玻璃升降器開關(guān)、電源開關(guān)及顯示屏。

圖3 三角支架

圖4 軸承及軸承座

機(jī)體部分包括升降器支撐結(jié)構(gòu)、玻璃支架、傳動軸。升降器支撐結(jié)構(gòu)將3種玻璃升降器固定于在相互夾角呈60°的3塊面板上，3塊面板可以在圓周方向上轉(zhuǎn)動，不僅方便操作和演示而且節(jié)約空間。玻璃支架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了將3種升降器共用1 塊玻璃，將玻璃固定在導(dǎo)軌上（如 圖5），可以實(shí)現(xiàn)玻璃水平移動，玻璃上打孔，升降器上的玻璃支撐座鑲嵌長螺栓，可以保證升降器與玻璃的準(zhǔn)確結(jié)合。考慮到傳動機(jī)構(gòu)的傳動速度不是很高，為了方便演示，設(shè)計(jì)采用手動傳動，傳動軸采用兩點(diǎn)支撐[3]，支撐點(diǎn)采用軸承。考慮到軸的徑向擺動，在軸的上端固定圓柱體，保證軸的徑向穩(wěn)定性。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每種玻璃升降器要實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)動120°，因此在圓周方向上，要求有3個(gè)定位點(diǎn)，3個(gè)定位點(diǎn)采用鋼球定位裝置（如圖6、圖7）；限位裝置由現(xiàn)有材料導(dǎo)軌及滑塊設(shè)計(jì)而成（如圖8）。傳動軸定位及限位設(shè)計(jì)如圖9所示。操作面板包括電源開關(guān)、電源指示燈、升降器開關(guān)、顯示屏等。

圖5 玻璃支架

圖6 定位裝配圖

圖7 定位桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖8 限位裝置

圖9 傳動軸設(shè)計(jì)圖

2 電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)包括控制面板、導(dǎo)線及電子控制系統(tǒng)。可以控制升降器完成升降功能及實(shí)現(xiàn)防夾手功能，這部分電路是在原有電路基礎(chǔ)上對電源電路、開關(guān)電路做的設(shè)計(jì)；同時(shí)該電路系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)防夾手作用力的檢測，當(dāng)在玻璃上升時(shí)，外界施加一阻力，使玻璃下降，通過此電路可以檢測出這一阻力的最小值。

2.1 升降器電路控制原理

升降器通過開關(guān)切換電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，以實(shí)現(xiàn)升降器上升或下降。如圖10中LV ARQ開關(guān)，2號引腳接地，5號引腳接電源。當(dāng)1號引腳撥向中間的觸點(diǎn)時(shí)，電流方向?yàn)?到6。當(dāng)6號引腳撥向中間的觸點(diǎn)時(shí)，電流方向?yàn)閺?到1。由于電流方向不同，所以電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向也不同，實(shí)現(xiàn)升降器的上升和下降[4]。

圖10 升降器電路控制原理

2.2 測試電路控制原理

如圖11所示，測試電路通過MSP430F149單片機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。該單片機(jī)自帶12位AD，通過對壓力傳感器的電壓進(jìn)行采樣從而計(jì)算出壓力傳感器的電阻值，根據(jù)壓力傳感器電阻值和壓力的關(guān)系計(jì)算出實(shí)際的壓力大小。單片機(jī)同時(shí)接一12864液晶顯示屏，把單片機(jī)計(jì)算出的壓力值通過液晶顯示屏顯示，讓學(xué)生可以直觀感受到防夾手功能的作用。

圖11 測試電路控制原理

3 主要結(jié)構(gòu)材料的選取

選擇材料的基本原則是：在保證材料滿足使用性能的前提下，考慮使材料的工藝性能盡可能良好，材料的經(jīng)濟(jì)性盡量合適。綜合材料的使用價(jià)值、安全可靠性和工作壽命，主要從以下方面進(jìn)行材料的選擇。

3.1 臺架主要材料的選取

考慮到實(shí)驗(yàn)臺主體支架除了起支撐作用外還需要防銹，采用鍍鋅鋼；為了便于玻璃升降器安裝及能夠承受一定的防夾作用力，通過計(jì)算采用了20 mm的ABS板；考慮到傳動軸的轉(zhuǎn)速不是很高，采用45鋼；軸承及軸承座采用外球面式標(biāo)準(zhǔn)件。關(guān)于導(dǎo)軌材料的選擇，此試驗(yàn)臺導(dǎo)軌屬于滑動導(dǎo)軌，滑動導(dǎo)軌具有一定的動壓效應(yīng)的混合摩擦狀態(tài)。導(dǎo)軌的動壓效應(yīng)主要與導(dǎo)軌的摩擦速度、潤滑油黏度、導(dǎo)軌面的油溝尺寸和型式等有關(guān)，根據(jù)運(yùn)動速度合理設(shè)計(jì)油溝類型和尺寸，選擇合適黏度的潤滑油，以產(chǎn)生較好的動壓效果。為了提高耐磨性，導(dǎo)軌材料采用了20Cr，同時(shí)鑲嵌塑料密封條以防止灰塵進(jìn)入導(dǎo)軌內(nèi)部和降低噪聲[5]。

3.2 電子元器件的選取

單片機(jī)的種類有很多，最為常見的是51單片機(jī)，但由于51單片機(jī)一般不帶AD采樣且不方便調(diào)試，因此沒有采用。而TI的MSP430系列單片機(jī)是低功耗單片機(jī)，片內(nèi)資源豐富，IO引腳多，有12位AD，且價(jià)格適中，因此選擇MSP430F149作為主控制器[6]。

壓力傳感器一般為電阻型，本系統(tǒng)使用了薄膜電阻型壓力傳感器，其具有體積小、便于安裝、線性度好等特點(diǎn)，實(shí)測效果較好，符合設(shè)計(jì)要求。

顯示裝置一般有數(shù)碼管顯示和液晶顯示兩種，由于數(shù)碼管顯示內(nèi)容較少，效果不理想，所以選擇了液晶顯示器作為顯示裝置。液晶顯示器能顯示的內(nèi)容較多且操作方便，也便于以后功能的增加。

4 結(jié)語

將3種不同類型和型號的汽車玻璃升降器集中到一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺架上，并且用1塊玻璃演示3種升降器的上升和下降過程，逼真模擬出汽車玻璃的運(yùn)動過程；用旋轉(zhuǎn)的方式換成不同升降器，方便老師演示和學(xué)生們的正面觀看。尤其是防夾玻璃升降器，還能測量出防夾的最小力，在汽車專業(yè)領(lǐng)域有一定的研究價(jià)值。將3種不同類型和型號的汽車玻璃升降器集中到一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺架上，縮小了占地空間。在不影響試驗(yàn)功能的情況下，3種玻璃升降器共用1塊玻璃，降低了實(shí)驗(yàn)臺成本。該作品切實(shí)考慮了實(shí)際操作和演示中存在的問題，解決了專業(yè)課老師的不少難題。該作品作為實(shí)驗(yàn)教具，增加了學(xué)生對專業(yè)課的理解，提高了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的興趣。