浅析几种车窗升降机构

张静秋，金标

（广东科技学院，广东 东莞 523083）



浅析几种车窗升降机构

张静秋，金标

（广东科技学院，广东 东莞 523083）

摘 要：车窗升降器是车内所有乘员使用频率最高的一个设备，升降器的使用品质，如升降器开关车窗的速度、噪声等，直接影响乘员乘车的舒适性感受。文章分析了三种车窗升降器的结构、工作原理和各自的特点，其中有两种是目前市场上流行的臂式和绳轮式，另外一种是一项新发明的轨道式结构，其结构新颖，全塑料零件，无需润滑，传动效率高，重量轻。

关键词：车窗升降器；臂式；绳轮式；轨道式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.061

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-185-03

前言

2015年11月份中国乘用车销量202.4万辆 同比增17.6%，乘用车在国内迅速普及，人们选车早已不是仅停留在交通工具层面，舒适性、安全性等体验要求越来越高。操纵车窗升降是成员在车内进行的最频繁的动作，车窗操纵的便捷性、安静性直接影响了乘员的用车体验。目前市场上主流的车窗升降器主要有臂式玻璃升降器、绳轮式玻璃升降器，另外还有一种新型车窗升降器，下面就这三种机构加以比较分析。

1、三种车窗升降器结构和工作原理

1.1 臂式玻璃升降器

臂式玻璃升降器的传动机构有一个由手动小齿轮或电机小齿轮驱动的扇形齿板。扇形齿板连接在一个冲压成型的主臂上，主臂端部有个滑块或者滚轮，主臂通过它来支撑玻璃安装滑轨。臂式结构又分为单臂式和叉臂式。

图1　单臂式玻璃升降器

图2　叉臂式玻璃升降器

单臂式玻璃升降器的结构，见图1。其结构特点是由单臂完成传动与支撑，这种简单的升降器结构只适用于玻璃较为规则，两侧为平行直边，玻璃重量较小的情况。叉臂式玻璃升降器，见图2。叉臂式升降器与单臂式玻璃升降器相比，叉臂式玻璃升降器本身有一个活动的支撑滚子和两个提升滚子，这样可以保证玻璃平行升降，提升力也较大。

1.2 绳轮式玻璃升降器

图3、图4所示，是两种绳轮式玻璃升降器结构。绳轮式机构通过小齿轮转动绕有钢丝绳的卷丝筒，从而带动钢丝绳，钢丝绳通过导槽的两个滑轮定位后，带动滑块上下滑动，而实现玻璃的升降运动。钢丝绳的松紧度可用张紧轮进行调节。绳轮式结构又分为单导轨式和双导轨式两种。

图3　单轨道绳轮式玻璃升降器

图4　单轨道绳轮式玻璃升降器

1.3 轨道式车窗升降器

轨道式结构[1]与臂式和绳轮式结构相比，呈现了一种完全不同的设计思路，前者设计了一种新奇的传动装置，通过直接驱动的办法，获得了很高的传动效率。图5显示了轨道式结构装配情况。一块底板上安装有：一对互相啮合的小齿轮，驱动电机和减速箱，一对金属玻璃夹板（夹板直接与车窗玻璃连接）。中间轨道与车门通过两点固定，中间轨道两侧有注塑成一体的两条齿条。底板通过内部锁止机构与导轨紧密连接。电机通电时，通过减速器直接驱动一个小齿轮（主动轮）转动，主动轮再驱动另一个从动齿轮转动，两个小齿轮通过底板带动车窗玻璃沿轨道齿条上升或下降，完成车窗的开启与关闭。

图5　轨道式玻璃升降器

齿轮驱动电机通过一根特殊设计的柔韧的电缆连接到汽车电路。这个卷成线圈的电缆能够提高电缆的使用寿命，并且降低机构运行时的电磁辐射。轨道曲率与车窗玻璃曲率匹配。弯曲的轨道使得齿条上的齿受到轻微扭曲。齿条上每个齿的弯曲量小于2.5-5*10-3mm，这样的要求在加工上很容易保证，使得这种导轨式机构能够匹配各种形状的车窗玻璃。轨道通过将连接左右齿条的中间体设计成网状来保证机构横向刚度。轨道机构还设置了停止缓冲减振装置。所有结构性塑料元件在开发过程中，均使用有限元法验证了在所有载荷条件下的结构强度。此外，在轨道模具设计和注塑过程中还进行了模流仿真分析。所有塑料元件均采用了可再生材料。

2、玻璃升降器驱动电机

目前乘用车玻璃升降器绝大多数为电控式。由电机驱动玻璃升降机构运行，带动车窗玻璃上升或下降。在各种形式的电动门窗升降器中，其电机结构型式大同小异，一般均为永磁式直流电动机，由定子、电枢、碳刷端盖、减速箱体等组成（图6所示）。如果电机带有防夹，遥控等自动化功能，电机要加装电子集成模块，由电机与电子模块配合完成各种自动化指令[2]。

图6　升降器电机结构示意图

3、三种车窗升降器的比较

3.1 臂式结构和绳轮式结构

臂式结构，主要部件都是钣金结构，零件加工方便。目前在汽车上，应用很广。其中单臂式只有一个活动滚子，也就是说只有一个支撑点。因此，传动臂与玻璃质心之间的位置是一直在变动的，玻璃升降时，稳定性较差，容易产生倾斜、卡滞[3,4]。叉臂式玻璃升降器改善了单臂式结构的上述缺点，制造工艺简单，对车门的兼容性很强，也就是说，一个升降器可以布置在不同车型的车门上，可以平台化生产。因此，这种结构的玻璃升降器被广泛采用。

但臂式机构本身是一种平面运动机构，却在大多数时间里要做曲面运动。这需要摇臂在升降车窗时，能够在向内或向外的方向上挠动。这种挠动力需要控制在较小的水平，因为这种挠动力作用在车窗密封件上会产生额外的摩擦力，导致密封件磨损，从而引发车窗风噪或漏风，同时摇臂挠动力会降低机构传动效率。臂式机构应用于弧形玻璃，其传动效率甚至低于单导轨绳轮式结构。在机构运转过程中，挠动力会引起车门内板的变形。在汽车的寿命期内，这些挠动力甚至能够导致车门的疲劳损坏。因此在设计时，需要在挠动力和支撑力之间做出平衡。

绳轮式结构，最大的特点，传动机构为滚轮与钢丝绳绕合传动，具有“柔式”的特点。这种结构的升降器在设计布置上，较为方便，机构运动所占用的空间小。而升降器本身的钢丝绳是软性的，安装位置可以有更多的选择。另外，这种结构还有很多优点，如结构紧凑，重量轻，运动时噪声小等。因此绳轮式玻璃升降器，应用很广泛，大有取代叉臂式升降器的趋势。

但绳轮式结构的设计需要使用价格较贵的拉绳，因为要从材料上保证拉绳能够长期可靠使用。同时拉绳在机构中是暴露在外的，在安装过程中容易损坏。拉绳即使受到轻微的损伤，也能导致拉绳过早的损坏。所以需要为拉绳加护套，而护套本身又增加了机构的成本。

臂式和绳轮式结构，为了保证传动效率，都要依赖于润滑脂[5]。机构中的润滑脂都是暴露的，很容易在装配时污染到不需要润滑脂的部件。这两种机构装配都很复杂，每个单元需要30-40个装配零件。整套机构主要由钢质零件组成，因此很重，四门车窗升降机构能为整车增重5-9Kg。复杂而数量众多的零件需要高度自动化的装配线，这需要高额的投入。

3.2 轨道式结构

最近开发的轨道式机构克服了臂式和绳轮式机构的诸多缺点。这种轨道式机构采用了直接驱动式的传动机构，因此具有很高的传动效率。该机构无需润滑脂润滑，即使环境温度低至零下4摄氏度左右时，都可以保持一个稳定的传动效率。系统高传动效率对温度很强的适应能力，允许选配尺寸更小、功率更低的电机，同时降低了系统运转的驱动电流。整套机构由塑料构成，使得整体重量显著减轻。

图7　轨道式车窗升降器装配流程

与臂式和绳轮式结构相比，轨道式结构的生产流程更加简单。图7展示了，通过四个工位的简单装配，即可组装完成一套轨道式车窗升降器。生产流程的复杂程度直接和零件数量和装配类型有关。以在同一个车门上，同样的玻璃连接方式，分别安装一套轨道式机构和一套绳轮式机构进行对比。轨道机构总共由18个零件，其中8个是紧固件，而绳轮机构有34个零件，其中由13个紧固件。OEM向轨道机构供一个紧固件，同样工序需要向绳轮机构提供5个紧固件[1]。

在车门装配过程中，轨道式机构只有一套固体单元，无需安装线缆，也无需安装叉臂。简化的安装过程缩减了OEM装配时间和成本。轨道式机构无润滑脂，方便了生产和运输，同时避免装配时污染车上其它敏感部件，并减少了因润滑脂污染而产生的清理费用。

轨道式车窗升降器装配流程如图7。

4、两种车窗升降器门上性能对比试验[1]

在一款紧凑型小车车门上，分别安装一套轨道式机构和一套绳轮式机构。车窗升起时，测量电动机的驱动电流-时间曲线，车窗玻璃上升到位时测量电机失速转速下电流-时间曲线，试验温度分别为-6℃、22℃、80℃，每次试验电机驱动电压14.7V。

在此试验中，参照对象是一套双轨道绳轮式机构。试验数据见表1：

表1　轨道式与绳轮式车窗升降器性能参数对比

几组试验数据对比显示，在所有条件下，轨道式机构均比滚筒式机构驱动电流低，而且举升时间短，传动效率改进明显。

5、结论

总的来看，轨道式车窗升降机构相对于目前市场上应用的机构有很大改进。轨道式机构有着更高的传动效率，并且温度适应性很强。高传动效率允许选配尺寸更小、重量更轻的电机，同时降低了驱动电流，从而可以使用更细的导线。由于整套机构都采用塑料件，使得每个车门可以减重约1.3Kg。使用塑料零件驱动机构运转，系统运转更顺滑、安静。机构无需润滑，保证了汽车装配时免于滑油污染。由于机构小巧，节省了大量材料，使得生产过程简单、低耗，节省了OEM安装场地和装配工人数量。

参考文献

[1] David A.Choby, Paul J.Fenelon.An Efficient Light Weight all Plastic Dual Rack and Pinion Window Lift Mechanism for Automo -tive Vehicles[J].SAE 2004-01-0007.

[2] 田永,韦俊.汽车电动车窗的设计与开发[J].电气制造,2013.6.

[3] 周余瑾.汽车玻璃升降器设计研究[D].长沙:湖南大学,2011.9.

[4] 鲁伟.汽车玻璃升降器结构研究与仿真[D].武汉:武汉理工大学,2008.5.

[5] 李光乐,蓝秉理等.汽车玻璃升降器脂润滑耐久性试验台研究[J].润滑与密封,2013.8.

经营管理

Study on Characteristics of Three Kinds of Car Window Lift Mechanism

Zhang Jingqiu, Jin Biao
( Guangdong University Of Science&Technology, Guangdong Dongguan 523083 )

Abstract:Car window lift is used most frequently by passengers，whose comfortable experience is directly influenced by the lift running quanlity, such as the time to raise the class, running noise.Here, three kinds of car window lift mechanism were studied in order to illustrate their construct, working principle and other characteristics.The three mechanisms are Arm & Sector, Drum & Cable and Rack lift.The Rack lift is a new developed mechanism, which is inherently more efficient with its unique design.The Rack lift is greaseless and constructed of plastic, which offers significant weight reductions.

Keywords:car window lift; arm & sector; drum & cable; rack lift

作者简介：张静秋，就职于广东科技学院机电工程系。

中图分类号：U463.8

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-185-03