车侧窗多功能贴膜循环升降系统设计

万旭敏，李灿华

Wan Xumin，Li Canhua

（吉林大学 汽车工程学院，吉林长春 130012）

0 引 言

目前，车窗贴膜种类繁多，但也存在问题，如使用功能单一，不能多次使用等。针对这些问题，较少汽车采用技术相对较新的变色玻璃。变色玻璃虽然可以实现很多颜色的变化，但运动中的车辆遇到的光线情况复杂，相应要求多，且变色玻璃变色缓慢，会增加行车过程中的危险。文中设计了一种能够按驾驶员的需要来多次更换车窗贴膜的系统。该系统通过升降和切换车窗贴膜，从而达到贴膜的更换和多次使用的目的，并且更换的贴膜种类多、更换时间短。

1 车侧窗多功能贴膜循环升降系统的设计方案

1.1 车侧窗多功能贴膜循环升降系统的组成

车侧窗多功能贴膜循环升降系统主要由机械部分和控制部分组成，如图1和图2。系统功能实现的关键：单片机通过程序来控制机械部分运行，从而实现贴膜的升降和切换。

机械系统主要由中空玻璃、位于中空玻璃下部的密封部件、密封部件内的贴膜和驱动贴膜升降的驱动装置组成。本设计可以实现 2个以上的贴膜的升降和切换，以 2种贴膜的切换和升降为例，2种贴膜分别为贴膜a、贴膜b，图1和图2中硬质仿钢卷尺塑料边、贴膜导轨和绕线滑轮均为 2套。驱动装置如图 3，主要由驱动电机、与驱动电机的电机转轴同轴的主动齿轮、与主动齿轮啮合的从动齿轮、两端分别与电机转轴、贴膜牵引的牵引线和绕牵引线的绕线滑轮组成。

控制部分主要由按键、LED显示灯、单片机、驱动器等组成，结构如图4所示。

1.2 车侧窗多功能贴膜循环升降系统功能的实现

贴膜升降功能通过齿轮传动，带动贴膜转轴转动来实现。这种机械系统根据不同功能贴膜的数量需要相应地增加机械系统的数量。贴膜的切换功能通过单片机编程来实现，单片机编程设定多个不同模式，这些模式分别控制不同功能的贴膜升降系统，然后再根据人们对车窗的贴膜不同要求来启动相应的模式，从而实现各种不同功能贴膜的切换。

控制功能主要通过单片机实现。单片机的接口采集按键输入的操作信号，然后经过运算，最终得到1个存储量，并给出2个输出量：一个为与控制信号相对应脉冲和正、反转控制信号，经由驱动器实现对电机的控制；另一个为与控制信号相应的LED灯的控制信号。

2 车侧窗多功能贴膜循环升降系统设计的关键问题研究

2.1 贴膜的选择

现阶段，汽车贴膜主要以太阳膜为主，主要功能为隔热。太阳膜可以分为多层，主要包括抗磨层、带色PET安全基层、金属隔热层、UV吸收层、透明PET安全基层等。同时还存在一些其他功能的贴膜，比如透光膜，防爆膜等。本研究设计的机械系统可以实现 2种以上贴膜的升降和切换，以2种不同功能的贴膜为例，选取晶锐90贴膜和黑马王子，相应主要性能参数如表1，2种贴膜的透光率差距较大，可以保证在不同时间驾驶员对汽车贴膜透光的要求。

表1 贴膜性能参数

2.2 密封部件的设计

密封部件应该具有防水、防尘、良好的抗冲击能力以及良好的耐腐蚀性。文中设计的机械系统的密封部件不仅要具备以上功能，同时应具有引导贴膜升降路径、安装电机转轴和贴膜转轴的功能，由于标准的密封部件并不能满足这些功能，设计一个新的密封部件，拥有一对用于引导贴膜升降轨迹的导轨和两对安装转轴的支架。导轨和转轴支架选取聚碳酸酯作为材料，可以通过注塑成形工艺制成相应形状。转轴支架如图5所示。

密封部件通过胶接与中空玻璃底部相连接，形成一个密封的整体。同时导轨和转轴支架通过胶接的方法与密封部件的主体部分相连接构成一个完整的密封部件，如图6所示。

2.3 驱动电机参数的确定

由于车门内部空间的限制，只能选取较小尺寸的电机。电机选择的具体步骤如下：

由于贴膜转轴的半径较小，通过估算可以认为贴膜转轴转动时受力为68 N，根据公式

算出扭矩力T=0.068 N·Lm

由公式

可计算出功率P=130 W，所以选取130电机，转速为180000 r/min，这种电机能提供足够的动力，保证贴膜的正常升降。

2.4 主动齿轮和从动齿轮参数的确定

通过估算车门内部的尺寸，可知车门内部宽度一般为6～12 mm。考虑到车门内齿轮的布置，齿轮的齿顶圆直径da要小于车门内部的尺寸。基于上述原理和渐开线标准，圆柱齿轮的最小不根切齿数为 17，拟选主动齿轮的模数 m=0.5，齿数z=18，α=20°，根据公式

算出主动齿轮的分度圆直径d=9 mm，同理可以依据公式

算出齿顶圆直径da=10 mm。

对于从动齿轮来说，需要与主动齿轮相啮合，所以需要保证齿轮模数和压力角相等，m=0.5，α=20°。由于电机转速较快，需要减速增扭，从而应该选取从动齿轮的齿数z=20，同理可以依据公式（3）和公式（4）算出从动齿轮的d=10 mm和da=11 mm。通过验证可知两个齿轮的齿顶圆直径都小于车门内尺寸，能够在车门内很好地布置。齿轮作为传动件一般需要较大强度和刚度，而本研究的结构受力比较小，对于强度和刚度的要求不是很严格，所以选取的齿轮材料为聚甲醛POM。它具有很好的强度和刚度，良好的耐磨性以及很高的疲劳强度等特性，能够很好地满足该结构的各项要求。对于与齿轮相配合的各个轴来说也选取材料聚甲醛 POM，通过热成形制成贴膜转轴和电机转轴。贴膜转轴、电机转轴和齿轮之间采用花键连接实现转动的传递。

2.5 滑轮和牵引线的选取

由于车门内板和车门外板之间的间隙较小，所以需要设计较小尺寸的滑轮，采取轮材式滑轮，最大圆的直径为4 mm，通过焊接与车门顶部连接在一起。对于牵引线的选取，首先需要考虑其强度和延展性，而尼龙线正好符合这些特征，所以选取规格为标准磅数 12 kg，标准直径 0.29 mm，参考号数（dia）为3。

2.6 控制系统的硬件设计

2.6.1 电机的选用

机械装置要求执行部分的电机能实现精准的定位。在速度、位置等数字控制领域中应用日益广泛的步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。该机构是一种利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。

2.6.2 单片机的选用

AT89C51是一种低功耗高性能CMOS 8位单片微机，它除了具有与MCS—51完全兼容的若干特性外，最为突出的就是片内集成了 4 k字节Flash，可用来存放应用程序。这个Flash程序存储器除允许用一般的编程器离线编程外，还允许在应用系统中实现在线编程，并且还提供了对程序进行三级加密保护的功能。AT89C51的另一个特点是工作速度更高，晶振频率可高达24 MHz，一个机器周期仅50 ns，比MCS—51快了一倍，在电机控制中应用广泛。

2.6.3 驱动器的选用

电机驱动的关键是精确控制电机旋转的角度。单片机 AT89C51对步进电机进行控制时，需要通过I/O口输出具有一定时序的脉冲作为步进电机的控制信号。但是，仅靠该I/O输出电流无法直接驱动电机，必须加以放大以驱动步进电机。因此提出采用ULN2003来驱动步进电机。ULN2003是一种高耐压、大电流的达林顿陈列，由7个NPN达林顿管组成，每一对达林顿都串联1个2.7 kΩ的基极电阻。在5V的工作电压下与单片机直接相连，可以实现单片机对电机的精准控制。

2.7 控制系统的软件设计

本系统的软件设计主要分为按键的操作信息输入、信息存储及控制脉冲输出几部分。程序主要由控制主程序、电机控制子程序组成。根据按键操作，调用控制主程序，并作判断，根据判断调用电机控制子程序。

将车侧窗分别编号 FL，FR，BL，BR，每个车窗的控制单独设置，以FL为例。图7是单片机的总控制流程图，用以实现不同模式之间的转换控制。

电机通过克服来自传动机构的阻力实现牵引线的升降，从而带动汽车车侧窗贴膜的升降。并通过控制电机的正反转来达到控制升降的目的。电机控制子程序流程如图8所示。

3 结束语

文中设计了一种简单的贴膜升降切换系统，该系统能够根据驾驶员的不同需求，随时随地多次切换不同功能的贴膜，从而解决贴膜功能单一性、使用一次性的问题。由于时间和条件的限制，该机构并没有进行详细的机构运动分析以及没有制作出实体模型，而只是基于理论上的研究以及简单的运动干涉进行分析。以后可以深入研究该机构的原理，并制作出实体模型，便于更好地进行试验模拟。

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