关于绳轮式电动玻璃升降器设计方法的研究

高凯，王强（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230000）



关于绳轮式电动玻璃升降器设计方法的研究

高凯，王强
（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230000）

摘要：汽车玻璃升降系统作为车门五大系统之一。使用频率高，用户可直观判断升降系统的好坏。升降系统由于受到造型限制、车门钣金、车门系统零部件等多方面影响，一直都是车门系统设计的难点。现通过对绳轮式玻璃升降器的布置和计算，阐述汽车玻璃升降系统和整车匹配的设计要求。

关键词：玻璃曲率；运动轨迹线；挠度；运动校核；断面设计

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U463.85+3Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-12-06

引言

绳轮式玻璃升降器作为玻璃升降器类型的一种， 因其总体刚度好，对玻璃支撑区域宽、上下过程稳定性好，常运用于乘用车、SUV车型和多功能车型。绳轮式玻璃升降器的布置和计算，是玻璃升降器系统的难点，其挠度分配、升降器安装位置等设计直接关系到玻璃升降系统的安装便利性和运动可靠性。

本文以前门玻璃升降系统设计进行分析，重点介绍绳轮式升降器设计和布置的要点，并对电动玻璃升降器后期的发展趋势进行简单的介绍。

1、升降器介绍

1.1功能介绍

升降器主要由电机、机械升降机构和控制系统三大部分组成，是由直流电机驱动，通过卷丝筒、绳索等传动，使车窗玻璃上升或下降到需要位置，并能在该位置停留的一种装置。

1.2分类介绍

1.2.1升降器的分类

升降器按结构形式可分为单导轨式和双导轨式，按动力分类可分为电动式和手动式（卷簧式平衡弹簧）。

1.2.2组成及工作原理

绳轮式升降器典型结构图见图1。

升降器的导轨总成1通过上下部分的安装支架分别固定在门内钣金上，卷丝机构4连同电机5 也固定在车门内钣金上，车窗玻璃通过自攻螺钉固定在滑块2 上（见图2），电机采用防水电机。电机接受控制系统传递的信号做正或反转，使卷丝机构中丝筒旋转，收缩或放长拉丝3，使滑块沿导轨总成上下运动，从而带动车窗玻璃沿前后玻璃导向槽作上下运动。

图1

图2

1.3一般要求

1）玻璃升降平顺，工作可靠；

2）无冲击和阻滞现象，无异响；

3）升降器的关闭力应符合产品图样的技术要求；

4）升降器上升速度应在70 mm/s～200 mm/s之间。

2、绳轮式玻璃升降器结构设计

2.1升降器设计要点

1）设计拟合的玻璃面同外造型面偏差尽量小；

2）确定的玻璃导槽以及玻璃升降臂导轨的轨迹线,要能保证玻璃沿着设计的升降臂导轨升降过程中,玻璃前后端运动轨迹同玻璃导槽的各向间隙变化控制在一定的工程范围之内；

3）玻璃从上止点下降到下止点过程中,在窗台处不发生干涉；

4）玻璃下降过程中与车门内外板间安装的其他部件不干涉；

5）玻璃升降器系统的装配顺序符合生产线要求，特别是玻璃的安装必须方便简易。

2.2升降器布置设计过程简述

1）根据车身外造型面，用环面玻璃车门设计理论，构造玻璃所在环，并根据门窗密封条断面尺寸等，确定玻璃外表面或中面。

2）用环面玻璃车门设计理论，确定玻璃升降导轨的基准线。根据车身外表面造型的玻璃边界线，确定玻璃初始位置各边界线。其中,玻璃初始位置前后边界线可作为玻璃导槽的中心线。分析玻璃沿升降壁导轨运动过程中同玻璃呢槽的压缩情况。

3）依据玻璃导槽中心线及其结构断面，确定玻璃导槽结构；

4）根据玻璃及运动轨迹确定升降器滑块和导槽的位置。

5）根据车门整体布置确定升降器固定结构。

6）对升降器作运动DMU分析。

2.3升降器布置设计的重要环节

2.3.1升降器结构的选择

升降器结构的选择依据主要有以下几点：

1）整车的市场定位及开闭件分组的分解成本。

根据分解成本选择合适的结构类型，如单导轨、双导轨、门板模块等。

2）升降器的功能定义

根据整车产品配置表中要求的升降器功能如一键升降、防夹功能等进行升降器电机的选择。

3）造型定义输出的限制

根据造型定义的玻璃曲面来选择合适的升降器类型，如曲率半径较大，则臂式升降器、绳轮式升降器都可以选择，如曲率半径较小后为双曲率玻璃，则建议采用绳轮式升降器。

4）车门布置空间的限制

根据不同车型车门的大小选择合适的升降器类型，前门玻璃一般较大，且形状分布不均匀，在成本允许的情况下建议选用双导轨升降器，提高运行平稳性。

2.3.2玻璃面的分析及拟合

（1）玻璃面的种类

乘用车的设计中，由于造型风格的不同，体现在玻璃面上的形式也有区别，常见的玻璃面形式有单曲率玻璃和双曲率玻璃。单曲率玻璃也就是常说的柱形玻璃面，即在X向，玻璃的断面为一直线，只在Z向为一规则曲线。

双曲率玻璃是近几年新车型中常见的玻璃面形式，也就是存在X、Z两个方向上的曲率。双曲率玻璃面通常又有圆环面和腰鼓面两种形式。见图3：

图3

（2）玻璃面的分析

1）窗沿线与玻璃面的关系

玻璃在运动中，与门外板止口（外劈水条的安装面）的距离是在很小的范围内波动。我们在分析时，可视此距离为不变量，因此窗沿线与玻璃面是平行关系。

2）小圆的拟合

以点云或CAS面中的窗沿线为基准，做垂直窗沿线的平面，玻璃面与这些平面相交，得到一系列曲线c1，c2，c3……用这些曲线拟合圆，尽量将圆逼近曲线。找到这些小圆的圆心，测量小圆的半径。分析这些小圆，如果半径相对接近，对小圆的圆心坐标及半径取平均值，以此做出众多小圆的平均小圆作为玻璃面的标准小圆。此时的玻璃面存在两种可能，圆心在一条直线上，则为圆柱面；圆心分布在曲线上，则玻璃面为圆环面。如果小圆半径呈规律变化，中间位置相对大，两端小，圆心分布为直线，则玻璃面为腰鼓面。

图4　垂直窗沿线的一系列平面与玻璃面相交所得的c1，c2，c3……

3）大圆的拟合

通过众小圆的圆心拟合曲线L。以众小圆的圆心每三点作平面，将曲线向平面上投影得到，找到一条与L最接近的曲线Lt。分析Lt为直线还是曲线，如果为曲线，用曲线Lt拟合大圆C。结合对小圆的分析，此时可以确定玻璃面的性质，并进行玻璃面的最好制作。

图5

4）玻璃面的制作

柱面：小圆c沿曲线Lt运动所得（可以将圆柱面视为圆环面的特殊形式）。

圆环面：小圆c沿曲线Lt运动所得。

腰鼓面：取小圆1/4圆弧点拟合曲线，绕曲线Lt作回转运动。

2.3.3玻璃运动轨迹的确定

2.3.3.1 玻璃面为圆柱面运动轨迹的确定

规则的圆柱面，玻璃的运动轨迹是选择和直线运动的合成，也就是螺旋线运动，可以充分满足玻璃的升降运动。下图以前门为例说明玻璃运动轨迹的确定过程：

A：B柱处玻璃边界的上端点。

A1：A点在圆柱面轴线的投影点。

B：B柱处玻璃边界的下端点。

B1：B点在圆柱面轴线的投影点。

AA1：B柱玻璃边界上端点与其投影点的连线。

BB1：B柱玻璃边界下端点与其投影点的连线。

α：AA1与BB1的夹角。

l: A1、B1两点间的距离。

图6

由以上可知：当玻璃由A点运动到B点时，玻璃转动的角度为α，玻璃沿圆柱轴线的执行运动距离为l，由此可得l/α=p/360，p为螺旋线的螺距，由此可得：p=360×l/α。

在CATIA中，可以用求得的螺距进行螺旋线的制作，先求得前门玻璃后导轨中心线，再根据布置需要，以相同螺距制作前导轨中心线。同时根据定义的导轨中心线对造型进行修正。此时玻璃的运动以柱面中心线为旋转轴做螺旋线运动，运动偏差为0。但在实际的制造中，许多供应商没有能力制造如螺旋线这样的空间曲线玻璃导轨，玻璃导轨的实际曲线是与螺旋线尽量接近的平面曲线，玻璃运动的偏差就是平面曲线与螺旋线的偏差，通常将此偏差控制在X向0.1mm，Y 向0.5mm以内。在CATIA中用SCREW JOINT进行运动校核。

3.2玻璃面为双曲率面（圆环面、腰鼓面）运动轨迹的确定

对于双曲率玻璃面，如果定义玻璃的运动仍是螺旋线运动，需借助柱面进行运动轨迹的确定。过程如下：

选取两个小圆圆心o1，o2做直线L，使直线尽量接近曲线Lt。用拟合的小圆c沿此直线运动得圆柱面。与双曲率玻璃面相交得两条交线，调整o1，o2的坐标值，使两条交线尽量接近造型设定的玻璃边界线。以得到的交线为参照做前后螺旋线，保证螺距相同，使螺旋线尽量解决交线。这两条螺旋线就是玻璃的导轨中心线。同时根据求得的螺旋线修正造型线。运动偏差控制及运动校核同3.1。

2.3.4 升降器的布置

2.3.4.1 升降器布置应考虑的要素

1）电机的位置

根据门内的空间，电机的位置要尽量靠前。以减小门的转动惯量。

2）施力点的确定

升降器对玻璃施力点的确定是布置的关键，保证玻璃在升降运动中的运行平稳。

3）升降器行程的保证

前门玻璃全部下降后，玻璃的上边沿超出外劈水条上沿的距离在0-3mm之间。后门允许不完全降下，但在空间运行的情况下尽量增加下降的距离。

4）运动空间的保证

运动件的最小运动间隙不小于12mm，运动件与非要打紧件的距离不小于10mm。

5）总装工艺保证

玻璃升降器的安装、玻璃的安装要保证足够的操作空间。

4.2升降器布置的力学原理及施力点的确定

玻璃上升过程的受力分析(见图7)，其中：

l：前导槽与玻璃接触长度。

m:后导槽与玻璃接触长度。

n：外劈水条与玻璃接触长度（此值为一变化值）。

B：玻璃水平宽度。

y:滑块施力点距玻璃后导槽距离。

a:重心距玻璃后导槽距离。

u：玻璃与密封条之间单位长度的摩擦力。

f1=u×l f2=u×m f3=u×n

图7

M=∑MG+∑Mf1+∑Mf2+∑Mf3

∑M上=G（y-a）-ul（B-y）cosα+umycosα+un(y-1/2n)——①

当∑M上≥0时，玻璃能保证平稳运行。

玻璃下降过程的受力分析（见图8）：

∑M下=G（y-a）-ul（B-y）cosα-umycosα-un(y-1/2n)——②

当∑M下≥0时，玻璃能保证平稳运行。

由①②式来设定y值，确定玻璃升降器施力点的位置，从而确定升降器导轨的位置。

图8

4.3玻璃边界的设定

为例保证玻璃在导轨中的平稳运行，弥补玻璃运动中在前后方向的偏差，玻璃边界与呢槽的最小距离应保证为2.0mm±0.5mm。

玻璃的下边界根据玻璃安装托架的位置及玻璃安装的可行性进行切割，但通常要保证玻璃在劈水条下的距离不小于30mm。

4.4玻璃的运动校核

在CATIA中，用SCREW JOINT进行运动校核，主要检查玻璃在X向、Y向相对玻璃导轨的跳动量，螺旋线运动轨迹可以将运动偏差控制在X向0.1以内，Y向0.5以内。同时还要检查玻璃升降过程中相对劈水条的跳动量，此跳动值要控制在劈水条与玻璃是干涉量以内，保证劈水条的密封及刮水作用。

4.5升降器安装的设计

升降器安装一般有7个螺母固定，其中4个固定升降器导轨，3个用于固定升降器电机。车门内板钣金孔位需按以下要求设计。升降器导轨安装孔为1个定位孔，3个调节孔；电机安装孔均为圆孔：1个定位孔，2个调节孔，以上所有孔位均在同一平面。如图9所示：

电机本体单独安装在钣金上，与导轨不存在刚性连接，安装孔与钣金边沿距离最小保证在10mm以上，以防止在颠簸路段以及关门时对内板的碰撞。

图9

3、升降器的校核要点

3.1升降器自身结构的校核

1）玻璃升降器的导轨总成的弧度影响：它与车窗玻璃及前后导向槽的一致性。

图10

对图10中的整个升降系统进行设计分析，运用软件把前后玻璃导向槽、车窗玻璃、门框导轨、玻璃升降器导轨的外形轮廓线抽取出来，得到图11的结果。

图11

在对图11所示的升降系统进行分析，可以看出车窗玻璃、升降器导轨及前后玻璃导槽的几个型线都是平行的，整个系统在玻璃升降过程中，理论上不应出现车窗玻璃脱离前后导槽，或者是车窗玻璃前倾、后倾，导致与导向槽的间隙过小的现象。

图12

对图12 进行分析：系统布置时，玻璃升降器导轨、车窗玻璃、前导向槽的弧度衔接和一致性都很好，这样从理论上排除了设计时的缺陷。

2）滑块的影响：

考虑到车门钣金及升降器的制造精度，一般很难保证每一个升降器与整个系统达到很完美的匹配，所以一般滑块与导轨之间应有一定的活动间隙，用来保证滑块在上升或下降过程中不断微调自身与导轨之间的位置以减小车窗玻璃在运动过程中的摩擦阻力。

滑块自身有一定的自由度，但如果与导轨之间的活动间隙太大，在升降器启动的瞬间滑块将左右晃动，程度严重将造成固定在滑块上的车窗玻璃发生大幅度前倾，导致车窗玻璃无法顺利上升。所以在设计升降器时对滑块与导轨之间的距离将做严格要求（见图13），一般设定此数值为0.8mm± 0.2mm。

图13

3.2玻璃弧度的的校核

1）Z 轴方向的弧度

玻璃在Z 轴方向的弧度应与前后玻璃导向槽的弧度保持一致，否则易出现当玻璃在导向槽上下运动时，玻璃偏向导向槽的一面，导轨玻璃对呢槽的作用力变大，在同一呢槽表面磨擦系数一样的情况下，必然导致升降阻力变大，从而影响玻璃在导轨中顺利地升降。

2）X 轴方向的球面

球面偏差易导致和外劈水条的间隙过紧，使车窗玻璃在上升时，外劈水条对它的作用阻力过大。

3.3前玻璃导向槽的校核

1）自身弧度与升降器的弧度的一致性

图14

通过图12，可以看出在设计时，前导向槽的弧度是可以的，在实际生产中，由于工装、焊装等因素，有可能使导向槽出现如图14 所示的偏面，这对于整个系统来讲是致命的。因车窗玻璃的运动方向还是它的设计方向，导致玻璃在上升运动时，在Y 轴方向给予导向槽的槽壁一个压力F，导轨最终在Z 轴方向磨擦力的增大。从而影响玻璃在导轨中的顺利地升降。

2）前导向槽的安装支架的影响

前导向槽的安装支架相对车身的位置，影响了车窗玻璃与玻璃导轨的空间位置关系（ X方向）。作图14中的B-B 截面得图15，车窗玻璃在导向槽的上段和下段与导轨面的距离Z值不一致且很小，极度情况出现Z≤2mm 情况。加上呢槽的截面宽度，玻璃在X 方向就已给了导向槽压力F1，这种情况是绝对不允许出现的。

图15

3）导轨的截面，截面的一致性

在图15 中要严格控制A 的尺寸。车窗玻璃的厚度在一般的情况下都为3.2mm或3.5mm，呢槽安装在导轨中，玻璃在沿着玻璃导轨导向的运动过程中，它与呢槽的间隙应是均匀并有一定的活动量（图中X 值），如果导轨的截面在人为不知的因素下，减小1-2mm,整个环境体现出来就是在横向方向上呢槽对玻璃的压力F2 增大，引起升降的阻力增大，影响整个系统的正常工作。同时导轨的截面的尺寸必须严格控制一致性，否则容易出现部分区域阻力大，部分区域阻力小，玻璃升降器在升降过程中出现抖动现象。

3.4后玻璃导向槽的校核

后玻璃导向槽对升降器系统的影响基本同前导向槽一致。因各种车型采用的结构不同略有影响轻重之分，如前玻璃导向槽为焊装件，后玻璃导向槽为安装件，前导向槽的影响就较后导向槽大。

3.5呢槽的校核

呢槽能减缓玻璃和导向槽的作用力，使他们之间的硬接触变为软接触，但它更重要的作用是在玻璃和导向槽之间密封，起防尘、防雨、隔音等作用。

1）呢槽的截面

呢槽的截面主要是影响了图15 中的F2，它与图15 中的尺寸A 关系是一致的：A 值小，截面尺寸小；A 值大，截面尺寸可以大。

2）呢槽的表面处理

呢槽表面摩擦系数的高低是影响系统升降的重要一环，它直接影响了图8 中的F2。因目前还没有很好的方法来测量呢槽表面磨擦系数，所以只能通过外观、表面手感来衡量，再则通过升降时间的长短来间接评价表面磨擦系数。

3.6车门内外板之间距离的校核

内外板之间的距离主要影响了内外劈水条与车门玻璃的间隙。在内外劈水条的截面一致的情况下，如果图9 中的尺寸A 生产尺寸大于设计尺寸，将减弱内外劈水条对玻璃的压力F。但是如果尺寸A 太大，将导致劈水条对车门的密封性不好。

图16

4、总结

由于玻璃升降器在布置过程有不同的分析方法，所以在设计过程中布置的方法可能存在差异，但原理是基本相同的。本论文以具体项目为依托，简单介绍了绳轮式玻璃升降器的选择和布置方法。设计完成后，在装车过程必须通过相关的试验进行多轮验证，确保设计产品的可靠性。玻璃升降系统一直都为车门系统的设计为难点，同样对产品制造和装配精度都有较高的要求，因此作为一个设计人员必须要学会对不同种类升降器的选择和布置。通过项目开发及后期的试验验证，针对设计过程出现的问题点需要应给与重视，优化设计方案，并形成相应的设计规范，，避免在以后车型设计开发过程中出现类似的问题。

The Design Method of Cable-Drum Glass Regulator

Gao Kai,Wang Qiang
（Technology Center of AnHui Jianghuai Automobile Company Co. Ltd, Anhui Hefei 230000）

Abstract:The regulator system is one of the important component of the door and is often used by the customer. The vehicle modeling and the parts of the system limit we design the system ,we think it’s hard to design the regulator. We design and decorate the cross arm regulator and matching the vehicle design.

Keywords:Glass curvature; Glass move datum line; The deflection; Swing check; Section design

中图分类号：U463.85+3

文献标识码：A

文章编号：1671-7988 （2016）05-12-06

作者简介：高凯，就职于安徽江淮股份有限公司。