一种新型玻璃升降器电机的设计

羊晓晟

摘要：新能源汽车具有绿色、低碳、智能、时尚、使用成本低等特点且逐渐普及，对零部件的重量、成本 和声学表现提出了更高的要求。基于此，设计了一种新型玻璃升降器电机，采用刷架和轴承一体成型技术， 缩短电机整体长度。相较于其他市场主流电机，该新型玻璃升降器电机重量减少 40 g，通过试验验证电机 在测量点的空载空气噪声平均值降低 4 dBA，且具有稳定的工作可靠性、更高的市场经济性、良好的应用 价值和市场前景。

关键词：新能源汽车；玻璃升降器电机；声学；重量；成本

中图分类号：TP211.4；U463.853文献标识码：A

0 引言

2020 年 11 月 2 日，国务院办公厅发布的《新 能源汽车产业发展规划（2021—2035 年）》指出， 我国新能源汽车进入了加速发展的新阶段。新能源 汽车产业是当前我国汽车工业发展的重要组成部 分，直接关系到我国汽车行业的整体发展，对提高 我国汽车产业质量意义重大。发展新能源汽车产业 是我国应对资源消耗和气候变化两大挑战、治理生 态环境污染以及实现“双碳”目标的重要举措，也 是我国实现汽车行业技术创新、产品升级的重要途 径，对我国汽车产业从高速发展向高质量发展转变 具有重要的推动作用 [1]。

根据公安部发布的统计信息，截至 2023 年底， 全国机动车保有量达 4.35 亿辆，其中汽车为 3.36 亿 辆。全国新能源汽车保有量达 2 041 万辆，占汽车 总量的 6.07%；其中纯电动汽车保有量为 1 552 万 辆，占新能源汽车保有量的 76.04%。2023 年新注 册登记新能源汽车 743 万辆，占新注册登记汽车数 量的 30.25%，与 2022 年相比增加了 207 万辆，增 长率为 38.62%。新能源汽车数量从 2019 年的 120 万辆增加到 2023 年的 743 万辆，整体呈高速增长 态势。

在新能源汽车高速发展过程中，存在的问题 如下。

（1）生产成本过高。新能源汽车的生产成本主 要集中在 3 个部分：动力电池、电控系统和电机。 其中，动力电池是最昂贵的部分，其作为新能源汽 车的心脏，在整体生产成本中占比大。除了动力电 池，新能源汽车的成本还涉及电机、电力电子设 备、控制器、车辆结构、制造工艺等多个方面，因 此降低零部件的成本也是提高新能源汽车竞争力的 有效方法之一。

（2）车子自重过大。纯电新能源汽车的整车重 量通常比燃油车更加重一些，因为汽车的结构不 同，纯电新能源汽车使用电池组作为核心动力的输 出，而电池组的重量较大，一般电池组的重量达到 了 300 kg。普通家用燃油车的重量大约为 1 600 kg， 但是纯电新能源汽车的重量一般都超过了 2 000 kg。 降低新能源汽车整车重量可以有效减少电池消耗， 提高新能源汽车的续航里程，因此零部件轻量化也 是势在必行。

（3）静谧性有待提高。相较于将内燃机作为动 力源的传统燃油汽车，新能源汽车尤其是以纯电池 作为动力源的汽车，汽车静谧性显得更加重要，尤 其是车内噪声。目前如何改善车内乘员的声学环 境、减小车内噪声、进一步提高车辆座椅的舒适 性，已经成为世界各大汽车主机厂、零部件厂商、 科研单位等机构研究的热点 [2]。因此各大零部件厂 家对改善噪声的研发投入越来越多，尤其是安装布 置在车身内部的各类小型或微型电机，如座椅电 机、玻璃升降器电机、天窗电机、雨刮电机等有刷 电机。

1 玻璃升降器电机总成

为了满足日益增长的驾驶安全性和舒适性的需 求，手摇式玻璃升降器逐渐被取代，目前电动玻 璃升降器几乎已经成为汽车的基本配置。目前在中 国，已经有超过 80% 的乘用车配备了电动玻璃升 降器，而且这一比例还在继续上升。电动玻璃升降 器系统中最核心的部件就是玻璃升降器电机 [3]，通 过电机的驱动，使车窗玻璃平稳升降，所以电机 工作性能直接关系到整个玻璃升降器系统的工作 表现。

玻璃升降器電机一般由驱动部分和传动装置部 分组成（图 1），其中驱动部分是通过直流电机进 行供电，产生旋转力矩。传动装置一般由齿轮、齿 轮箱和齿轮盖板组成，齿轮传动利用齿轮的啮合原 理，通过蜗杆和齿轮的配合，将电机的旋转运动转 化为线性运动，从而实现车窗玻璃的升降。

本文设计了一款新型玻璃升降器电机，通过刷 架和轴承一体成型，缩短电机轴的长度，从而实 现低成本、轻量化和低噪声，满足当前中国市场的 需求。

2 刷架和轴承一体成型

目前市场上多数电机刷架总成里的轴承都是利 用气缸压入刷架轴承孔（图 2），采用过盈配合技 术将轴承固定在刷架脖子的轴承孔内。该方式的轴 承装配工艺相对简单，但需要更多的产线设备，并 且轴承相对于刷架的位置度需要依靠设备的精准定 位以及零部件自身精确的尺寸保证，对整个供应链 和设备都有较高的要求，所以生产过程中轴承推出 力和轴承平行度需要不定期进行调整。

采用刷架和轴承一体成型工艺，在刷架供应商 模具里提前将轴承注塑在里面。金属—塑料一体化成型技术流程如下：首先对金属零件表面进行预处 理（包括物理处理和化学处理），在金属零件表面 形成微纳米孔洞或凹槽，再将塑料以模压、注塑、 焊接等方式与金属搭接成型，从而实现金属塑料一 体化连接成型。一体化成型技术已成为当前汽车轻 量化技术重要发展方向之一，是实现汽车轻量化的 有效途径 [4]。

这种一体成型工艺的优点主要体现在：①通过 更好的轴承定位提高电机声学性能；②增大轴承推 出力；③更好地控制刷架脖子的外径尺寸，使其与 齿轮箱更匹配；④减少装配线上的压制工序，进而 降低产线投资。

如图 3 所示，通过使用相同批次的轴承和刷架 进行尺寸测量对比，相较于轴承压入刷架的方式， 轴承刷架一体成型具有更好的尺寸表现（平行度、 位置度、同轴度和垂直度）。

这些尺寸的表现直接体现在电机的运行噪声 上，轴承与刷架具有良好的位置度和同轴度，可以 有效改善电机转子的平衡量，降低电机运行过程中 因為转子高速旋转而产生的抖动，从而提升电机整 体的噪声表现，有助于提高整车静谧性。

但在轴承和刷架一体成型时，需要控制模具注 塑的模流温度以及模具和塑料粒子的清洁度，如果 注塑时模流温度过高，容易造成含油轴承的含油量 不满足标准（20%±2.5%）且油谱不合格，进而造 成轴承运转不顺畅导致电机运行过程中有杂音，严 重时甚至会出现电机卡死现象。

3 缩短电机输出轴和齿轮箱长度

电机轴扰度是指电机输出轴在旋转运行过程 中，在外力作用下弹性体发生的弯曲变形。电机 轴扰度是电机设计和生产制造过程中需要考虑的 重要参数之一，合理的扰度对传动精度和传动可 靠性有很大影响，并且能够满足各种工况下的使 用需求。

玻璃升降器电机的轴受力是垂直方向，受到的 是垂直载荷。垂直载荷情况下电机轴的扰度计算公 式为：

Δ=（5×F×L4 ）/（384×E×I）。 （1）

式中，Δ 为电机轴挠度；F 为垂直作用于轴上的载 荷大小；L 为轴的长度；E 为轴材料的弹性模量；I 为轴截面的惯性矩。

由式（1）可知，缩短轴的长度 L，可以有效 降低电机轴扰度。将三维数模导入软件 ANSYS 中 进行仿真分析，在相同边界条件下，缩短轴长度 10 mm，在 X 轴方向上，蜗杆和转子位置的轴弯曲 量分别为 0.018 mm 和 0.019 mm。相较于原本轴长 为 137 mm 的电机，两个位置的轴变形量分别减小 了 0.013 mm 和 0.006 mm，电机轴扰度明显降低， 并且车削时转子换向器表面的品质得到了提高，从而改善了电机的噪声表现。

缩短轴长度的同时也减小了齿轮箱的结构尺寸 以进行整体装配，玻璃升降器电机通过齿轮箱上 3 个安装孔直接安装在玻璃升降器系统，电机旋转的 转力直接作用于齿轮箱，这对齿轮箱的强度提出了 很高的要求。齿轮箱的强度主要是通过选用的材料 以及结构尺寸来保证，因此在缩短齿轮箱整体长度 的情况下，需要对齿轮箱的结构进行优化，可通过 优化安装孔位的筋条结构布局并且加强顶端轴承配 合处的结构强度来实现。通过仿真分析，相较于加 长版齿轮箱，缩短长度并结合了结构设计优化的齿 轮箱的冯·米塞斯应力（von Mises stress）降低了 13.7 MPa，并且远低于齿轮箱材料（GFPP-L40 材 料）的断裂极限 82 MPa。

通过减短电机轴和齿轮箱的长度，缩短了 10 mm 的电机整体长度，同时也节省了相应的原材 料，电机整体重量降低了 40 g，降低了成本。与此 同时，轻量化、小尺寸电机给客户留出了更多的安 装空间，增大了产品适用范围。

4 结论与展望

（1）本文设计了一款新型玻璃升降器电机，整体 尺寸小于市面上多数同类产品，实现了轻量化、低噪 声和低成本，是一款符合当前中国市场需求的产品。

（2）相较于原本轴长为 137 mm 的电机，电机 长度缩短了 10 mm，重量减轻 40 g，空载噪声降低 了 4 dBA。运行时的振动源（离心力）的力臂到齿 轮箱 3 个安装孔的距离缩短，对车门的冲击力矩相 对减少，同时重量的减低，也有利于缓冲对玻璃升 降器系统的冲击。

（3）未来将在现阶段的设计基础上，结合产品 的市场售后表现，通过更多的试验验证和仿真，优 化碳刷结构、弹簧释放工艺以及换向减震垫设计， 进一步降低电机的空气传播噪声和振动噪声，更好 地满足新能源汽车的静谧性需求，使产品具有更强 的市场竞争力。

参考文献

[1] 翟佳恬 . 新能源汽车的发展现状与前景分析 [J]. 汽车 实用技术，2023，48（20）：193-198.

[2] 桑帅军 . 车内声源空气噪声声学响应分析 [D]. 成都： 西南交通大学，2011.

[3] 赵匡，余辉，查三妹，等 . 汽车玻璃升降器电机选 型问题研究 [J]. 企业科技与发展，2015（增刊 2）： 14-17，20.

[4] 李查，陈静，李又兵，等 . 金属 - 塑料一体化成型 技术金属前处理方法研究进展 [J]. 工程塑料应用， 2018，46（5）：121-124，129.