乘用车电动玻璃升降器试验台设计

李强，仰蕾伊，徐中青，魏卓

（江汉大学 智能制造学院,武汉 430056）

0 引言

目前，不论是轿车还是货车或客车，常用的电动玻璃升降器有3种：双轨道绳索式电动玻璃升降器、单轨道绳索式电动玻璃升降器、交叉臂式电动玻璃升降器[1]。随着电子技术的发展，防夹电动玻璃升降器已开始在汽车上普及应用。汽车的防夹电动车窗（包括防夹电动天窗）可实现触觉、视觉的配合。所谓触觉，就是当电动车窗机构感触到有异物在玻璃上，会自动停止玻璃上升工作。本试验台就是利用触觉感应的电动玻璃升降器。

目前厂家生产的玻璃升降器试验台，只能验证单一类型的玻璃升降器，结构单一，实验教学效果不佳。本试验台将常见的3种玻璃升降器合理有效地布置在试验台上，并且对双轨道绳索式防夹手玻璃升降器铺设附加电路，对防夹功能进行测试，以此评价防夹性能的优劣。此试验台不但有利于实验课程的开设，而且给专业课老师提供了教学研究平台。

1 试验台结构及工作原理

电动玻璃升降器演示实验台主要包括支架、机体、控制面板、电子控制系统共4部分，外观结构如图1所示。支架主要用来安装固定玻璃升降器，并且机体能够实现正反360°旋转；机体上安装有玻璃支架，玻璃支架可以水平移动，同时为玻璃升降提供运动轨道；电路部分包括控制面板、导线及电子控制系统，全部固定于机体上，实现了玻璃的升降运动及防夹玻璃的阻力值的输出。台架分解图如图2所示。

图1 实验台架整体图

图2 台架分解图

3种玻璃升降器通过定位孔分别固定在3块玻璃支撑面板上[2]，支撑面板底部采用三角支架（如图3）固定。支撑面板可以做360°正反旋转。支架是安装零部件的基础，采用钢制结构，坚固耐用，支架底部装有万向轮，移动灵活又便于固定。支架中部安装轴承及轴承座（如图4）。传动轴的上端通过螺栓与三角支架固定连接，传动轴的另一端由两组轴承实现轴向定位。支架上还固定安装水平滑槽，垂直滑槽下端通过滑块与水平滑槽滑动连接，可以实现垂直滑槽的前后移动。垂直滑槽内安装玻璃，玻璃在垂直滑槽上下移动（如图5）。高于支架的平面上还安装有操作台。操作台上安装有玻璃升降器开关、电源开关及显示屏。

图3 三角支架

图4 轴承及轴承座

机体部分包括升降器支撑结构、玻璃支架、传动轴。升降器支撑结构将3种玻璃升降器固定于在相互夹角呈60°的3块面板上，3块面板可以在圆周方向上转动，不仅方便操作和演示而且节约空间。玻璃支架结构实现了将3种升降器共用1 块玻璃，将玻璃固定在导轨上（如 图5），可以实现玻璃水平移动，玻璃上打孔，升降器上的玻璃支撑座镶嵌长螺栓，可以保证升降器与玻璃的准确结合。考虑到传动机构的传动速度不是很高，为了方便演示，设计采用手动传动，传动轴采用两点支撑[3]，支撑点采用轴承。考虑到轴的径向摆动，在轴的上端固定圆柱体，保证轴的径向稳定性。根据设计要求，每种玻璃升降器要实现正反转动120°，因此在圆周方向上，要求有3个定位点，3个定位点采用钢球定位装置（如图6、图7）；限位装置由现有材料导轨及滑块设计而成（如图8）。传动轴定位及限位设计如图9所示。操作面板包括电源开关、电源指示灯、升降器开关、显示屏等。

图5 玻璃支架

图6 定位装配图

图7 定位杆内部结构图

图8 限位装置

图9 传动轴设计图

2 电路设计

电路设计包括控制面板、导线及电子控制系统。可以控制升降器完成升降功能及实现防夹手功能，这部分电路是在原有电路基础上对电源电路、开关电路做的设计；同时该电路系统还可以实现防夹手作用力的检测，当在玻璃上升时，外界施加一阻力，使玻璃下降，通过此电路可以检测出这一阻力的最小值。

2.1 升降器电路控制原理

升降器通过开关切换电动机的运转方向，以实现升降器上升或下降。如图10中LV ARQ开关，2号引脚接地，5号引脚接电源。当1号引脚拨向中间的触点时，电流方向为1到6。当6号引脚拨向中间的触点时，电流方向为从6到1。由于电流方向不同，所以电动机运转方向也不同，实现升降器的上升和下降[4]。

图10 升降器电路控制原理

2.2 测试电路控制原理

如图11所示，测试电路通过MSP430F149单片机进行控制和数据处理。该单片机自带12位AD，通过对压力传感器的电压进行采样从而计算出压力传感器的电阻值，根据压力传感器电阻值和压力的关系计算出实际的压力大小。单片机同时接一12864液晶显示屏，把单片机计算出的压力值通过液晶显示屏显示，让学生可以直观感受到防夹手功能的作用。

图11 测试电路控制原理

3 主要结构材料的选取

选择材料的基本原则是：在保证材料满足使用性能的前提下，考虑使材料的工艺性能尽可能良好，材料的经济性尽量合适。综合材料的使用价值、安全可靠性和工作寿命，主要从以下方面进行材料的选择。

3.1 台架主要材料的选取

考虑到实验台主体支架除了起支撑作用外还需要防锈，采用镀锌钢；为了便于玻璃升降器安装及能够承受一定的防夹作用力，通过计算采用了20 mm的ABS板；考虑到传动轴的转速不是很高，采用45钢；轴承及轴承座采用外球面式标准件。关于导轨材料的选择，此试验台导轨属于滑动导轨，滑动导轨具有一定的动压效应的混合摩擦状态。导轨的动压效应主要与导轨的摩擦速度、润滑油黏度、导轨面的油沟尺寸和型式等有关，根据运动速度合理设计油沟类型和尺寸，选择合适黏度的润滑油，以产生较好的动压效果。为了提高耐磨性，导轨材料采用了20Cr，同时镶嵌塑料密封条以防止灰尘进入导轨内部和降低噪声[5]。

3.2 电子元器件的选取

单片机的种类有很多，最为常见的是51单片机，但由于51单片机一般不带AD采样且不方便调试，因此没有采用。而TI的MSP430系列单片机是低功耗单片机，片内资源丰富，IO引脚多，有12位AD，且价格适中，因此选择MSP430F149作为主控制器[6]。

压力传感器一般为电阻型，本系统使用了薄膜电阻型压力传感器，其具有体积小、便于安装、线性度好等特点，实测效果较好，符合设计要求。

显示装置一般有数码管显示和液晶显示两种，由于数码管显示内容较少，效果不理想，所以选择了液晶显示器作为显示装置。液晶显示器能显示的内容较多且操作方便，也便于以后功能的增加。

4 结语

将3种不同类型和型号的汽车玻璃升降器集中到一个实验台架上，并且用1块玻璃演示3种升降器的上升和下降过程，逼真模拟出汽车玻璃的运动过程；用旋转的方式换成不同升降器，方便老师演示和学生们的正面观看。尤其是防夹玻璃升降器，还能测量出防夹的最小力，在汽车专业领域有一定的研究价值。将3种不同类型和型号的汽车玻璃升降器集中到一个实验台架上，缩小了占地空间。在不影响试验功能的情况下，3种玻璃升降器共用1块玻璃，降低了实验台成本。该作品切实考虑了实际操作和演示中存在的问题，解决了专业课老师的不少难题。该作品作为实验教具，增加了学生对专业课的理解，提高了学生对实验课的兴趣。