基于優化車窗異響的調速電機開發

韋思意　成淑儀　余輝

摘 要：側門玻璃關窗到頂瞬間的異響是被市場長期詬病的問題。在汽車技術高速發展的今天，針對此問題仍然是沒有形成較好的設計方案，因此開發一個可以有效解決側門玻璃關窗到頂瞬間異響的方案至關重要。文章從某車型開發過程中的幾種設計方案之間的對比分析入手，展示針對側門玻璃關窗到頂瞬間的異響系統設計過程中需要考慮的幾大因素，并且重點講解調速電機方案的設計點，為后續的側門玻璃關窗到頂瞬間的異響優化提供借鑒與幫助。需要說明的是，調速電機可以實現的設計方案遠不止文中展示方案，鑒于篇幅及能力所限，不足之處敬請斧正。

關鍵詞：車窗異響 沖頂異響 調速電機 變速控制

1 引言

對車窗售后維修數據的調查，車窗是客戶對于汽車功能件使用頻率最高的功能件之一，車窗質量的好壞受到消費者的關注，對消費者評價一臺車好壞有較大影響。而針對車窗的調查的數據中（2020年數據），反饋較多的是異響類問題；其中側門玻璃關窗沖頂瞬間異響則在所有異響問題中高居前三。

2 異響質量評價標準

由于車窗異響與否是用戶的主觀感受，為了更好地衡量異響標準以助于后續的改進優化，特制定了如表1所示的評價標準，目前車型異響等級一般為6級，為及格線附近水平。

3 原設計方案

車窗沖頂異響，是側門玻璃關窗到頂瞬間玻璃撞擊鈑金窗框產生的撞擊聲，其根本原因是由于玻璃的運動產生慣性導致；側門玻璃運動系統由側門玻璃、側門玻璃導槽密封條、玻璃升降器及側門鈑金組成，如圖2所示。玻璃運行到關閉位置瞬間由于慣性作用，其先撞擊玻璃導槽密封條后再撞擊到窗框停止。

玻璃運動系統比較簡單，原設計方案也沒有針對沖頂異響做充分的設計考慮，導致該異響問題比較嚴重，其中某些車型玻璃尺寸較大的該異響可達7級，急需優化控制。

4 首次優化方案

為控制玻璃沖頂異響問題，根據魚骨圖分析，確認人機料法環中料是關鍵因子，對異響起到決定性作用，是我們重點優化方向。（圖４）

而材料方面的優化，鑒于車門鈑金及側門玻璃優化的代價較大，而異響優化收效甚微還可能導致其他問題出現，比如影響到車窗玻璃運行的穩定性等，所以無法作為控制異響的優化方向；而玻璃速度的控制又沒有量產應用和相關經驗可以借鑒，因此前期的異響優化基本集中在玻璃導槽密封條上。以下幾大方面評估是密封條對異響的影響因子：

4.1 密封條材料

行業常見材料主要為TPV﹑密實膠EPDM和微發泡EPDM

4.2 密封條結構

①緩沖結構常見結構為氣道結構﹑泡管結構以及唇邊結構

②常用料厚為1.7mm和2.3mm

4.3 密封條性能

①常用硬度60A﹑70A或80A

②根據不同材料一般要求永久壓荷損失≦60%或≦40%

③壓縮符合一般要求5N/100mm﹑6N/100mm或7N/100mm

密封條設計優化方向主要是起到緩沖作用，在玻璃撞擊窗框前降低玻璃撞擊動能，以實現降低玻璃升頂瞬間的撞擊異響，經過全因子驗證確定以下效果為最優方案：泡管結構+2.3mm料厚+80A硬度+40%永久壓荷損失+7N/100mm壓縮負荷，結構設計如圖2所示。采用密封條優化的優點體現在以下幾個方面：

① 大量借用成熟結構可以減少設計風險，同時縮短設計時間，盡快將產品投放市場。

② 成本較低。

但是密封條為軟約束零件，存在比較大的永久變形等性能損失，所以缺點也較為明顯：

① 存在較大永久壓縮符合損失導致使用一段時間后效果大打折扣。

② 無法根本解決，改善效果有限，驗證后新密封條異響可優化至5級左右，經過一定程度耐久后會惡化至6級，和原設計方案表現相近。

基于以上缺點以及產品定位需求，考慮開發調速電機進一步優化沖頂異響問題。

5 調速電機優化方案

為進一步提升異響等級達到優化目標，根據全因子權重矩陣分析，如表2所示，玻璃沒有減速得分最高，為最關鍵的影響因子，因此，開發調速電機是實現異響優化目標的可行度最高方案。

直流電機調速主要采用變壓調速，而電壓的調制通常采用脈沖寬度調制（PWM），脈寬調制需要產生頻率不變、寬度可調的脈沖信號，通過對脈沖寬度的調節，使電機電樞兩端電壓的直流分量平滑變化，達到 PWM 波調壓調速的目的。通常 PWM 控制信號的產生主要采用以下4種方法：

①分立元件組成 PWM 電路：這種方法是利用分離的邏輯電子元件組成 PWM 信號電路。電路復雜，可靠性較差。

②軟件模擬法：占用 主芯片 大量資源，對主芯片的計算能力及存儲能力要求較高

③專用 PWM 集成芯片：這些芯片除了有 PWM 信號發生功能外，還有“死區”調節功能、保護功能等。但是整體成本較高

④帶PWM功能芯片：能自動產生占空比可變的 PWM 脈沖波，集成度高，成本較優。

考慮集成度及目前車窗PCB的可用空間，采用帶PWM功能芯片作為最終優化方案。

6 PWM 電路組成及原理

系統由控制電路及主電路組成，如圖5所示，控制電路由主芯片集成，主芯片需要根據霍爾信號計算車窗的實際速度，結合目標速度完成速度調節，電流調節后生成PWM波控制占空比輸出；主電路包含光隔驅動電路以及場效應管驅動電路組成；其主電路的場效應管驅動采用壓控型MOS組成的全橋電路完成驅動。

7 直流電機驅動電路設計

直流電機驅動原理如圖6，包含光電驅動電路，電機驅動電路，濾波電路及附屬電路。

主芯片輸出PWM信號后經過光電驅動，實現防反沖隔斷，再控制壓控型MOS放大實現對直流電機的驅動，MOS的G極接光電驅動后的PWM信號，源極接電機正極，漏極接12V電源，附屬電路在GS間設計保護電阻，消除高頻關斷過程產生的震蕩；信號端設計防反接保護電阻；濾波電路需要在S端設計濾波電容進行濾波，解決GS產生較大的浪涌電壓。

8 改進結果

試驗樣件搭載某車型進行效果驗證，改進前異響等級為5-6級，搭載調速電機后異響等級優化至3級，達到項目異響目標；調速前后速度變化對比見圖7，不難看出調速優化后玻璃在停止前有明顯的減速過程，除此之外調速后也可以實現對玻璃全行程的速度控制，使玻璃前部分行程速度接近勻速運行，提升了全行程電機的運行聲音品質，改進效果令人滿意。

經過搭載調速的方案，通過表3不難看出針對沖頂異響的控制，調速方案的優化效果表現要明顯優于其他方案，同時也達到了異響質量的優化目標。

（注：評分1為技術中心成員評價結果的平均分值，評分2為質量部成員評價結果的平均分值，評分3為外部人員評價結果的平均分值）

9 結語

本文主要結合了車型開發過程中出現問題作為案例，在優化改進問題的過程中進行歸納，總結了汽車玻璃沖頂異響問題的開發經驗，為新產品的開發提供了思路和參考。同時深入分享的PWM的詳細硬件方案，經過驗證證明整個系統具有較高的精度和可靠性，取得令人滿意的結果。

參考文獻：

[1]王銀玲等.基于P87LPC768的調速控制器的設計與應用.制造與設計.2005．

[2]呂平寶，謝劍英.基于80C196KC的直流電機PWM調速控制器的設計與應用.測控技術.2002．