绳轮式轿车电动玻璃升降器机构及设计要点分析

秦伟昌

Qin Weichang

（上海实业交通电器有限公司，上海 200030）

0 引 言

随着人们对轿车舒适性的提高，对车身异响的容忍度越来越低。玻璃升降器作为车门上主要的运动附件之一，人们从原来的只关心玻璃是否能顺利关闭，到目前要求其保持玻璃运行平稳无蛇形，没有噪声异响，玻璃运行无抖动，低温启动性好（仅对电动），同时还需要有一定的防盗功能。

1 基本构成

玻璃升降器总成一般由驱动部件、导轨部件和固定玻璃的传动掣部件等构成。由于驱动部件的不同，又可以分为手动和电动两大类。玻璃升降器的基本工作原理为驱动部件带动卡滞的卷丝筒运动，将传动转换成水平运动，通过钢丝软绳带动传动掣沿导轨上下运动，传动掣连接玻璃，使其实现上下运动的功能。

手动玻璃升降器总成的驱动部件一般采用摇手柄带动卷丝筒运动，常温下其转动扭矩不大于2.5 N⋅m；电动玻璃升降器总成的驱动部件一般采用双旋向的两极永磁直流电动机，具有蜗轮蜗杆减速装置。电动机本身具有自锁功能，保证车窗玻璃在额外受压时保持不下降（例如驾驶员俯身在玻璃上时），结构的减速比通常为50：1～72：1。电动机的额定输出功率（额定负载3 N⋅m）一般在20～30 W，额定转速为50～70 r/min，堵转扭矩8～14 N⋅m，堵转电流不大于29A。电动机的热保护装置通常采用双金属片结构，少量采用热敏电阻。

随着国外对人身安全性和舒适性的重视程度的提高，防夹电动玻璃升降器总成应运而生，可以提供一键上升、软停止及防夹手等功能。其功能均靠防夹智能电动机实现。防夹智能电动机内部的智能模块上集成有霍尔效应传感器，可以检测电动机内感应磁场的变化，用于控制电动机的旋转和旋向。防夹电动玻璃升降器总成在车门上初次运行时，需要学习玻璃的上下死点位置以确定防夹区域。在防夹区域内，如果玻璃在自动上升过程中，一旦受到高于100 N（欧洲安全标准2000/4/EC）的阻碍作用，电动机内的智能模块就能发出指令，电动机将立即停止运动并向下方反转大于100 mm的距离。图1为欧洲安全标准2000/4/EC定义的防夹区域。

目前智能防夹电动机的主流供应商为 Bosch和Brose.，其市场占有率在80%以上。

2 结构系统及设计分析

电动玻璃升降器按照结构特点的不同，大致可以分为 3类：绳轮式、叉臂式和软轴式。轿车上常用的为绳轮式和叉臂式两种。其中绳轮式按导轨数量又可以分为双导轨电动玻璃升降器和单导轨电动玻璃升降器；叉臂式可以分为交叉臂式和单臂式。

2.1 绳轮式电动玻璃升降器

绳轮式电动玻璃升降器主要是通过钢丝绳，将电动机的旋转运动转化为传动掣的上下滑动，从而使固定在传动掣上的玻璃沿升降器导轨上下运动。

绳轮式电动玻璃升降器主要部件为：电动机、卷丝筒、滑轮、导轨、钢丝绳、传动掣部件、压力管和预紧弹簧等。图2为典型的单导轨玻璃升降器和双导轨玻璃升降器的结构图。

2.2 结构设计分析

由于目前的轿车设计为了降低风阻及美观，车门玻璃越来越多地被设计成了双曲率面（曲面在U方向和V方向均有曲率变化），广泛用作玻璃面设计的是一种橄榄形的双曲率面。为了保证玻璃在运动过程中平稳顺滑，无跑偏现象，需要导轨也具有和玻璃双曲率配合的双曲率。采用冲压双曲率导轨的绳轮式玻璃升降器就成了首选。确定为绳轮式升降器后，需要对采用单双导轨的结构进行分析，两者区别如下：单导轨，结构相对简单，零件少成本低，安装方便，需要车门安装空间小，有利于车门内板设计；缺点是玻璃运行时不太平稳，尤其是前门玻璃较大较不规整时。双导轨，结构复杂，零件多，成本高，安装麻烦，对车门安装空间要求大，车门内板设计难度大（车门即要保证强度要求，还需要开很大的安装工艺孔）。单双导轨的选择需要考虑升降器功能、成本和主机厂的意见。一般来说，如果前门玻璃较小，几何形状也比较规整，则通常选择单导轨结构；反之则选择双导轨结构。不过也有小部分厂家，为了追求前门玻璃升降的平稳性，要求前门必须采用双导轨结构，后门通常采用单导轨结构。选型后，需要做具体的结构设计。导轨可以称之为玻璃升降器的灵魂，也是最难设计的。首先，需要确定玻璃的提升点，以保证玻璃在上升过程中不产生扭转卡死。按照扭矩平衡计算玻璃提升点的位置，由于玻璃运动时和密封条的摩擦力理论值和实际值有较大差异，因此，在计算的基础上还需要通过经验进行修正。玻璃提升点确定后，需要在软件中对玻璃进行glassdrop运动分析，确定玻璃在整个行程中与A大面（车身造型面）在X向和Y向的偏差，一般控制在±0.5 mm之内；然后按照glassdrop的结果构造导轨空间位置和形状，完成导轨结构设计。

导轨设计完成后，还需要确定驱动部件的位置和传动掣的结构等细节问题。整个玻璃升降器结构设计完成后，需要检查升降器总成自身各零件之间、总成和玻璃、总成和车门内各部件等的安全间隙。例如，滑轮和传动掣，导轨和车门内加强板，驱动部件和车门限位器，驱动部件和玻璃等。

结构设计检查完后，整个升降器的设计只能算完成了一半，后续需要对零件的配合尺寸公差，总成安装尺寸公差（需要了解车门安装孔的形位公差）进行计算选取。工程样件出来后，还需要做严格的定型试验，只有这样，才能保证批产后的产品有一个好的质量表现。

2.3 要点分析

为了使玻璃升降平稳，无跑偏蛇行，就需要对主机厂输入的玻璃A面进行前期分析，确保在升降器的理论设计和玻璃 glassdrop运动分析时，整个行程与A大面（车身造型面）在X向和Y向的偏差在±0.5 mm之内，并且尽可能小。如果不能达到要求，需要反馈到主机厂，对造型A面进行修改，这也是前期介入车型设计的好处，可以减少后续工程设计的难度。

由于A大面属于腰鼓形面，如图3所示，理论上玻璃是沿着X轴以一定的角速度ω旋转下降；但是由于R1≠R2（R为近似拟合值，实际为NUBS曲线），则对于相同的角速度ω，玻璃A边（靠近A柱）的线速度V1=ωR1≠V2（玻璃B边）=ωR2，|R1-R2|越大，则V1和V2的差值越大，玻璃下降到底时，就会偏离A面很多，无法满足设计要求。

以某量产的两款车型为例，将玻璃行程分为5个位置，分析其Y向偏差，对比说明A大面质量好坏对玻璃升降器设计的影响。

车型A：如图4所示，A大面前后R差值很小，曲率梳很光顺，质量很好。以其为基准，进行玻璃的glassdrop运动分析，运动偏差非常小，结果很好，完全能满足设计要求（<0.5 mm）。

从图5可以看出，玻璃在Y向的最大偏差为-0.015 mm，非常好，大大优于设计要求。

车型B：如图6所示，A大面前后R差值大；曲率梳有跳变，质量较差。以其为基准，进行玻璃的 glassdrop运动分析，运动偏差大，结果不满足设计要求（<0.5 mm）。但由于零部件设计前期未介入A面分析，主机厂A面也已冻结，无法修改，结果是售后出现多起客户抱怨玻璃升降摩擦异响。

从图7可以看出，玻璃在Y向的最大偏差为-0.714 mm，不能满足设计要求。

3 结束语

通过简述绳轮式玻璃升降器的结构及设计要点，运用CATIA运动仿真，对主机厂的A面进行设计，希望在设计初期配合主机厂减少一些设计失误。

[1]高大威，高云凯，周晓燕，等. 基于鼓形面的车门玻璃及导轨设计[J]. 同济大学学报，2012，40（1）：92-96.

[2]李建如，孙汯. 轿车电动升降器典型结构与发展[J]. 上海汽车，2011（2）：42-46.

[3]李传经. 腰鼓形双曲率车门玻璃升降系统设计[J]. 北京汽车，2011（6）：16-18.