汽车手动玻璃升降器耐久试验装置的设计

陈勇强

上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545005

0 引言

汽车手动玻璃升降器是由手柄驱动，并通过传动机构将汽车车窗沿玻璃导轨上升或下降，并能按要求停留在任意位置的装置；其主要功能是通过调整汽车门窗开度的大小、保证车门玻璃平稳、门窗能随时顺利开启和关闭装置，当升降器不工作时，玻璃能停留在任意位置上。汽车手动玻璃升降器是一个非常重要的汽车车身附件，它解决了乘客对车外景观的观察需求和车内身物的安全需求之间的矛盾。所以手动玻璃升降器的耐久性能也是客户选择汽车的一项重要指标。而针对汽车手动玻璃升降器耐久试验，当前国内外并没有一套成型统一的方法，部分车企甚至采用人工摇动手柄的方式进行试验，此类方法不仅给企业带来较大的人力成本，甚至还对人身安全造成巨大的威胁，试验效果极不理想。文中针对汽车外开手柄及门锁试验的问题，设计了一套耐久试验台架。

1 耐久试验要求

汽车手动玻璃升降器耐久试验，主要目的验证汽车手动玻璃升降器系统的耐久性能，发现新产品潜在的零件故障，为产品设计部门提供试验数据和改进方向。该试验要求为：试验装置需要模拟人力摇动手柄实现玻璃的上升、上堵转、下降、下堵转和中间暂停动作，以此定义为一个循环。在设定的常温、高温、低温环境下，要求能够无故障地完成对应的循环次数。试验过程中需要监控玻璃在上升过程、下降过程、堵转过程的扭矩大小。为了便于试验管理，试验过程如出现卡滞、试验超时、试验完成等情况，能够实现报警提示。同时为了确保试验数据的准确性，耐久试验台架施加在零件的载荷均要求在设计范围内，确保试验结果能够正确反映试验样件的真实状态。

2 试验装置设计过程

2.1 原材料的选择

试验装置是采用搭建台架的方式，针对台架搭建所需要的材料，对比了几种原材料的优缺点后，选择了铝合金型材作为台架的原材料。主要由于：

(1)铝型材是铝制品，在与空气、水、石油化学体系中以及高低温等恶劣环境下，具有良好的抗腐蚀性；

(2)铝型材上自带有专门的T型槽，方便台架的拆装；

(3)铝型材耐脏，且易处理，保养工作简单；

(4)铝型材轻巧，开展工作难度小，搬运方便。

使用铝合金型材搭建台架的基架之后，按照装置设计要求，将安装有手动玻璃升降器的车门以实车固定方式固定在台架上，并对车门进行固定，保证车门稳固不晃动。

2.2 传动方式的选择

试验装置的传动方式，是需要将驱动电机锁输出的扭矩传动到玻璃升降器手柄上。根据试验要求，传动方式需要满足以下要求：

(1)传动过程要求平稳;

(2)传动效率高效，以便提高扭矩监控的精度;

(3)能够解决同轴度要求高和方便安装之间的矛盾;

(4)适用于高低温等恶劣试验环境。

综合各个因素考虑，最终考虑使用齿轮传动装置为主要转动机构，同时配合传动轴、轴承及座、联轴器等装置配合完成传动。

2.3 驱动盘的选择

试验过程中，需要一个跟手柄直接接触并且驱动手柄摇动的工装。选择该驱动装置时，除需要满足台架设计要求，还要满足以下要求：

(1)能够将电机扭矩传递到手柄，是手柄实现模拟人力摇动的动作；

(2)不能够对手柄产生附加的载荷与破坏;

(3)质量轻，转动惯量小；

(4)能耐高低温等恶劣试验环境。

综合以上几个因素，在对比分析金属工装等其他工装时，最终选择采用尼龙板加工成的圆盘来作为该驱动装置。同时为了避免圆盘在运动过程中因为台架安装的误差，手柄与圆盘发生相对运动时，圆盘对手柄产生额外的破坏，在设计工程中将驱动手柄的圆孔加工成长孔，同时尺寸比手柄摇轮偏大。避免台架对玻璃升降器摇柄产生破坏，保证台架满足试验要求。

3 驱动方式的设计

试验台架的驱动方式是需要将手柄模拟人力摇动方式驱动玻璃上升和下降，扭矩大小为10 N·m左右，同时还要满足以下几个条件：

(1)驱动动力源要能够满足高低温环境要求；

(2)能够通过控制程序来实现手柄正转和反转；

(3)该动力驱动源转动速度大小可通过外加输入调节；

(4)该动力来源经济实惠，性价比高。

综合油泵、气泵、电机等各动力源性能，优先考虑使用电机作为此台架的动力源；针对各款式的电机，最终使用汽车电动玻璃升降器的驱动电机作为该试验台架的驱动装置。其优势在于：

(1)电动玻璃升降器驱动电机，其输出扭矩大小恰能匹配克服玻璃升降器的阻力保证玻璃升降器正常运行；

(2)能够匹配玻璃升降器耐久试验的高低温试验环境;

(3)该电机通过调整电源正负极输入即可实现正反转，满足试验要求；

(4)试验过程中通过调节电压大小输入可达到调整其运行速度，运行扭矩大小，能满足试验要求。同时玻璃升降器电机还具有结构简单、安装容易、易于保养等优点，适合当前耐久试验台架的选择。

4 控制系统的设计

由于此试验台架是采用电机作为动力源，在耐久试验上，对设备的耐久性能要求极高，现场采用PLC控制系统作为试验台架的控制系统。主要由于：

(1)PLC可编程方法简单易学;

(2)PLC功能强，性能价格比高;

(3)硬件配套齐全，用户使用方便;

(4)可靠性高，抗干扰能力强，综合PLC程序控制的优点，采用PLC程序控制，实现台架的机电一体化功能，不仅可以完成台架的自动控制，自动计数，同时还能够实现自动循环等功能。

试验台架的原材料和台架搭建方案都确定之后，试验台架的整体轮廓也就成型了。

如图1所示，在搭建耐久试验台架时，根据车门大小搭建完成台架基架之后，将车门按照实车固定在汽车上的方式固定安装，之后将试验零件：手动玻璃升降器，内外水切，玻璃导槽密封条、手柄等以实车装配方式安装在车门上。同时根据设计方案完成试验台架。

图1 汽车手动玻璃升降器耐久试验装置

5 台架的运行过程

根据试验要求，手动玻璃升降器耐久试验的动作要求为：玻璃上升—玻璃中间停止—玻璃上升—玻璃上堵转—车门打开—车门关闭；同时手柄的解锁力、开关门力、关门速度以及密封力均有设计值要求，试验过程中还需要对手柄的解锁力、密封力以及关门速度的大小实施监控，同时还要监控车门是否开启到位。根据此要求，现场使用PLC设计台架控制逻辑，实现试验的开展。

此次台架试验的试验原理为：

(1)试验开始前，使用扭矩传感器标定要求堵转扭矩对应的电机电压输入值；

(2)根据试验转速要求选定不同传动比的齿轮；

(3)启动设备，接通驱动电机转动；

(4)驱动机电带动主动齿轮转动，带动从动齿轮和齿条运动；

(5)从动齿轮带动驱动圆盘转动，从此带动手动玻璃升降器上升，当齿条经过接近开关2暂停一段时间后继续上升，扭矩传感器实时监控玻璃上升扭矩大小；

(6)玻璃上升到顶时，通过接近开关3将信号反馈到PLC，PLC执行玻璃堵转动作并计时；

(7)堵转完成后，休息一段时间，PLC控制接通驱动电机反向电路，电机反向转动;

(8)电机反向转动带动玻璃下降，齿条经过接近开关2时暂停一段时间后继续下降，扭矩传感器实时监控下降过程中的扭矩大小；

(9)玻璃下降到底时，通过齿条边上的接近开关1将信号反馈到PLC，PLC执行玻璃堵转动作并计时；

(10)休息一定时间后，PLC驱动玻璃重新上升;

(11)扭矩传感器实时监控接近开关1与接近开关3之间的扭矩值，当扭矩值超出试验要求即输出报警信号;

(12)以上为实现耐久试验的一个过程，一个过程完成之后，利用PLC程序的自动循环指令，将该过程又重新开始，同时加入计数累计指令，将试验次数累计，直至完成要求试验次数，同时在PLC程序中加入了其他报警功能，在试验过程中出现问题时，台架会自动报警并暂停试验，提醒巡视检查人员注意，大大减少了巡视检查人员的工作量，实现了机电一体化功能。

以上为手动玻璃升降器的运行循环过程，一个循环完成后，PLC控制程序可实现控制下一个循环开始，直至完成所有需要完成的试验次数为止。

6 结束语

通过对手动玻璃升降器耐久试验台架的研究，结合现场试验的实际需求，成功设计出汽车车门手动玻璃升降器耐久试验台架。该台架经过多次耐久试验验证之后，台架的可靠性极高，目前已应用到多项手动玻璃升降器耐久试验中，并很好地履行耐久试验台架的功能，发现了很多新产品潜在的故障，为研发部门的整改提供了方向。目前该台架已申请了国家专利，并投入在多项手动玻璃升降器耐久试验项目中。