臂式车门玻璃升降器设计方法

齐宏波

（天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心）

车门玻璃升降器是车门开闭件系统的重要组成部分。玻璃升降器的质量可靠性和操作平稳性都会影响汽车的行驶安全，所以玻璃升降器的设计必须要保证质量可靠性和操作平稳性。目前汽车玻璃升降器按结构主要分为臂式玻璃升降器和绳轮式玻璃升降器2 种成熟结构。文章将介绍臂式玻璃升降器的整体布置要求和升降器零部件设计。

1 臂式玻璃升降器的组成

臂式玻璃升降器由电动部件和钣金部件组成。其中电动部件由电动机、蜗杆、蜗轮及线束组成，钣金部件由齿扇、主动臂、从动臂、玻璃安装托架、短滑槽及座板组成。臂式玻璃升降器传动路线为：电机→蜗杆→蜗轮→小齿轮→齿扇→主动臂→玻璃安装托架→玻璃升降运动。

2 臂式升降器布置要求

2.1 玻璃升降器运动平面确定

轿车车门设计时，玻璃半径一般选在1500～2000mm之间，门框高度为350～500 mm。当玻璃安装托架跟随玻璃由上止点运行到下止点时，在车宽方向上发生最大总变形量称为总挠度（D/mm）。D 大小对升降器的运行阻力、弹性变形及耐久性有重要影响；D 太小，玻璃与密封胶条的压力值小，密封不好，行驶时玻璃晃动；但是随着D 的增大，升降器变形量增大，同时玻璃与胶条摩擦力也增大，并且玻璃升降器容易发生永久性的塑形变形。考虑到升降器本身允许的最大弹性变形以及车门的密封需要，D 根据车型大小一般在6～15 mm之间。大尺寸的升降器，D 可以取大一些，小尺寸的升降器，D 可以取小一些。整车造型时尽量避免将车窗玻璃轨迹线的圆弧半径设计得过小，使玻璃升降器难以进行布置。

由于玻璃升降器的运动轨迹是一平面，而玻璃中心面是一弧面，所以导轨运动平面和玻璃中心面之间存在一定弦高。为了使玻璃顺利升降，臂式玻璃升降器的压缩量和延伸量的分配必须满足以下条件：1）当玻璃导轨处在最高位置时，玻璃升降器的压缩量要小于13 mm；2）当玻璃导轨处在基准位置时，玻璃升降器的延伸量要小于10 mm；3）当玻璃导轨处在最低位置时，玻璃升降器的压缩量要小于15 mm。通过以上条件最终确定玻璃导轨在自由状态下升降器的运动平面。

2.2 玻璃升降器有效行程确定

首先，定义玻璃安装托架最高位置。玻璃处于最高位置时，玻璃下端距水切口的距离大于50 mm；玻璃安装托架一般水平放置，并且与玻璃导轨的夹角要小于100°。然后，定义玻璃安装托架的最低位置。前门玻璃升降器，由玻璃的高度确定玻璃升降器的行程，根据玻璃升降器的最高位置和形成定义玻璃升降器导轨的最低位置，玻璃下端与门里板下框之间的最小距离值大于15 mm，玻璃上端高出水切口最多不大于2 mm；后门玻璃升降器，玻璃下降到最低位置时，玻璃下端与门里板下框之间的最小距离大于15 mm。

滑轮位置的确定：玻璃在运动的时候，玻璃的质心在两滑轮中心线上，使玻璃在升降的时候能保持稳定，当升降器导轨处在基准位置的时候，滑轮与限位点距离大于20 mm[1]。

2.3 升降器中位线及主臂旋转中心的布置

升降器中位线一般指升降器短滑槽的中心线。中位线将升降器总行程分为上行程（X1）与下行程（X2）。对没有特殊布置要求的车门X1与X2数值大致相同，有特殊要求时，可以改变主动臂形状来实现X1与X2不同。主动臂旋转中心布置时要确定在中位线上。

2.4 升降器举升中心区的布置

举升区的布置，交叉臂的旋转中心从上止点运动到下止点扫过的区域称为升降器举升区。臂式升降器固定玻璃的2 个安装点间距较大，一般比玻璃托架的尺寸长60～100 mm。在升降器举升区内玻璃质心的少量偏移对升降器举升玻璃稳定性几乎没有影响，因此升降器主动臂旋转中心在车长方向的布置可以在保证玻璃质心落在升降器举升区的基础上适度偏向车后方向及玻璃的长边，以抵消玻璃长边滑动摩擦力和短边滑动摩擦力的不同。

2.5 升降器整体尺寸的选择

升降器整体尺寸的确定主要指主动臂长度的确定。在升降器运动到上止点和下止点位置时，主动臂长度越长，主动臂和从动臂顶端滑轮的间距越大。当驱动电机输出功率一定时，主动臂和从动臂的间距越大，升降器的举升力越大，整套机构稳定性越好。但是主动臂越长，材料消耗量越大，而且增加了同车门内部其它运动部件间干涉的可能性。一般设计过程中，在玻璃升降器运动到上止点和下止点位置时，主动臂和从动臂顶端滑轮最小距离要大于200 mm。这样初步确定了主动臂尺寸及旋转角度后，可以通过选定电机齿轮模数及齿数计算出齿扇半径及齿数。

3 实例

文章以某车型为例，介绍臂式玻璃升降器结构设计过程。

3.1 结构形式及主要部件

该车车门设计按采用交叉臂式升降器设计的车门内板，通过对车门内板数模和升降器的技术要求等分析，确认结构形式较简单的交叉臂式升降器适用于该车型。最终确定前门采用交叉臂式、后门采用单臂式结构电动玻璃升降器结构。经对车门及玻璃造型面分析后，按照臂式升降器布置要求进行初步布置，计算后得到钣金部件基本尺寸，如表1所示。

表1 升降器钣金部件基本尺寸mm

3.2 升降器电机计算

3.2.1 玻璃重量及阻力

对玻璃面积和厚度测量后，通过计算得到玻璃重量（G1）约为30 N，根据经验值初步设定玻璃上升和下降时摩擦阻力（G2）均为60 N。

以玻璃上升时摩擦阻力之和为例：

式中：f1，f2——两侧玻璃胶条对玻璃的摩擦力，N；

f3——外挡水密封条对玻璃的摩擦力，N；

f4——玻璃升降器钣金部件间摩擦力，N。

3.2.2 电机扭矩计算

升降器上升阶段受力分析，如图1所示。根据升降器的受力分析得到系统总载荷（Fup）为G1与G2之和，即：Fup=90 N。

在玻璃升降器下降阶段时，G1和升降器电机共同提供玻璃下降的驱动力。根据以上分析可得到，升降器下降阶段系统阻力Fdown为G2与G1之差，即：Fdown=30 N。

因为Fup远大于Fdown，所以玻璃升降器电机在提供足够克服Fup的扭矩下，才能正常完成玻璃升降器的升降动作。接下来仅对玻璃升降器上升/下降时所需电机扭矩进行计算。

式中：M——升降器电机输出扭矩，N·m；

F——系统阻力，N；

L——主动臂长度，m；

r——电机齿轮半径，r=0.007 m；

R——齿扇半径，m；

η——效率，通常取60%。

根据式（2），计算出前门玻璃升降器上升/下降时系统所需电机扭矩，分别为2.82，0.94 N·m；计算出后门玻璃升降器上升/下降时系统所需电机扭矩，分别为2.73，0.91 N·m。

通过以上计算得出前后门所需电机最小扭矩分别为2.82，2.73 N·m。考虑到前后门电机的通用性，只需要选择一个输出扭矩大于2.82 N·m 的电机作为驱动即可。初步选定额定扭矩为3 N·m 电机为该车升降器驱动电机。电机性能曲线图，如图2所示。

3.3 玻璃升降时间计算

玻璃上升/下降时间（t/s）为：

式中：n——电机转速，r/min；

S——行程，m。

根据图2 中电机额定工作曲线，可查到当电机承受2.82 N·m 的扭矩时，n 为 46 r/min；当电机承受 2.73 N·m的扭矩时，n 为48 r/min；当电机承受的扭矩为0.94 N·m，n 为 76 r/min；当电机承受的扭矩为 0.91 N·m，n 为76.5 r/min。代入式（3），计算得到：前后门玻璃上升时间分别为3.92，3.64 s，前后门玻璃下降时间分别为2.9，2.54 s。

经上述计算，排除原始数据及经验值的误差，本次设计所选用的电机理论上满足升降器正常升降功能要求。各个钣金部件的结构方案经计算满足强度及挠度形变要求。经计算，电动玻璃升降器总成上升或下降时间可达到小于4 s 的要求。本次设计结果在实际生产中得到验证，与理论计算结果基本相同。

4 结论

臂式升降器在汽车上应用时间较长，结构成熟。但是车门玻璃升降过程涉及零部件较多，需要设计者在前期设计过程中对臂式升降器做好布置工作。在臂式升降器布置过程中要充分考虑到玻璃的尺寸、弧度、边界形状、运动轨迹、车门钣金的刚度、结构形式及升降器的安装位置等因素。在臂式玻璃升降器结构设计过程中要注意升降器的挠度变化和电机选型等。目前臂式升降器逐渐向模块化发展，并带有防夹等功能。