自动化车窗玻璃升降器的研究与设计

赵萌 林蔚然 杨忠昌 王龙兵 周冰科 曹猛

摘要：以车门设计为中心，讨论了玻璃升降机结构的部分设计，介绍了升降机的结构设计和模拟仿真。车门系统是实现门窗调节器车门附件、车窗升降器等汽车车窗玻璃升降相关的汽车附件。玻璃托架通过玻璃升降器上下移动，放置在门玻璃托架的导槽或导轨上。目前，有两种常见的玻璃升降器上下移动，叉臂驱动和绳轮驱动。后者可以适应曲率较高的散热器上的玻璃运动，还有手摇式操作两种操作方式。在车门的设计和布置上，正确选择和配置门窗升降机、窗口升降台是让机器轻便可靠的关键。

关键词：玻璃升降器;汽车车门系统;仿真

中图分类号：TP23文献标志码：A

文章编号：1009-9492（2021）11-0141-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research and Design of Automatic Window Regulator

Zhao Meng ，Lin Weiran，Yang Zhongchang，Wang Longbing，Zhou Bingke，Cao Meng

（Fundamental Industry Training Center， Tsinghua University， Beijing 100084， China）

Abstract： The door design was took as the center， the partial design of the glass lift structure was discussed， the lift structure design and the simulation simulation were introduced. Door system is to achieve door and window regulator door accessories， window elevators and other car window glass lifting related car accessories. The glass bracket moves up and up and down through the glass hoist and is placed on the guide groove or guide rail of the door glass bracket. At present， there are two common glass lifts moving up and down， fork arm drive and rope wheel drive. The latter can adapt to the glass motion on the high curvature radiator， and there are two modes of hand operation. In the door design and layout， the correct selection and configuration of door and window lift， window lift are the key to make the machine light and reliable. Key words： window regulator; car door system; simulation

0 引言

控制車窗玻璃上下移动的机械就是车窗玻璃升降器，其是汽车构造中非常重要的组成部分，其构造性能会很大程度上影响整车的性能，甚至是影响到行车过程中的安全问题。因此车在窗玻璃升降器的设计过程中，需要考虑到稳定性和密闭性。

随着电动玻璃升降器广泛地应用在各类轿车、面包车、卡车等车型上[1]，其升降性能品质的优劣也将直接影响消费者的购买欲以及使用汽车的感受。玻璃升降器作为整车系统中使用频率极高的车身附件之一，其工作环境非常恶劣，而且在使用过程中极少对其进行维护，这些都导致了玻璃升降器成为整车系统中故障频率最高的车身附件之一。玻璃升降器几乎是使用最为频繁但却从来不采取任何保养措施的一个车身附件系统，这也间接导致了其在使用过程中故障频发，这些问题都给整车厂的售后服务以及消费者带来了极大地烦恼。因此，提高其升降性能品质己成为当务之急。

本文以最新推出的 SUV 车型WEY VV9为例，对玻璃的升降过程进行运动学和动力学分析[2]，基于 Creo软件平台建立玻璃升降器系统模型，对单导轨绳轮式玻璃升降器的运动性能进行分析研究。确定玻璃升降系统关键零部件的位置布局对升降器性能的影响情况，得到其影响规律。同时，提出提升玻璃升降器性能的优化方案，以指导升降器的前期设计开发，从而在设计阶段对玻璃升降器的质量和性能进行管控。

1 汽车玻璃升降器的结构设计

1.1 技术难点

中国的电动玻璃起重器行业标准基本采用国外先进企业标准。额定负载很大，达到120 N ，最大残余力为355 N 。耐久性测试要求每个周期最多移动1次，玻璃每个周期必须移动8次。为了实现这些目标，电动机和传动机构提出了更高的要求。

在汽车玻璃升降器的选型方面，通常以具体车型的车门导轨位置布局和玻璃造型曲面弧度半径作为主要参考依据，同时考虑工艺及成本问题来确定。其中玻璃造型面的弧度是确定选用哪种升降器结构的一个重要的参考指标。当玻璃曲面的曲率较大时，绳轮式玻璃升降器的导轨弧度可以做到和玻璃曲面的理论运行弧度轨迹几乎一致，此时应该选择使用绳轮式升降器;玻璃重量较大时，选择使用双导轨升降器更为合适。

一般而言，玻璃的横向跨度 L>780 mm 时，选用双导轨绳轮式玻璃升降器比较合适。当玻璃曲面的曲率半径较大时，例如当玻璃面的曲率半径 R>1500 mm时，绳轮式玻璃升降器导轨的弧度和玻璃的理论运行轨迹更为接近，此时应选用绳轮式玻璃升降器[2]。此外，由于叉臂式升降器也能满足各方面的性能要求，而且具有零件少、装配便捷、使用寿命长以及价格低等优点，因此，目前情况下仍被广泛采用。

在单导轨绳轮式电动玻璃升降器中，升降器导轨的功能主要是对玻璃上升或下降的运动轨迹起到引导和约束作用。由于单导轨升降器在玻璃的升降过程中，对玻璃托架的位置限制约束能力不如双导轨。因此，对于单导轨升降器，玻璃在工作过程中不可避免会出现适当的偏转或着具有一定的偏转趋势。

一般而言，轿车车身的侧围结构中 B 柱强度要高于 A 柱，且前后玻璃滑槽均有一个向 B 柱的倾角。因此，使得前车门玻璃在运动中向 B 柱倾靠或者具有向 B 柱靠的趋势，可以使升降器系统获得更高的运动稳定性。

1.2 解决问题

本文以 WEY VV9车型的左前门的玻璃升降系统为例，对玻璃的关闭过程进行受力分析，对于升降器系统的玻璃在平衡状态下，玻璃与水切槽完全接触，而且对玻璃的上升运动过程（上升过程钢丝绳受力远大于下降过程，即在高频故障频期）进行受力分析。

利用多学科交叉技术平台对玻璃升降器系统进行三维模型仿真分析，有利于对升降器不合理的结构进行优化设计，而且仿真样件易于修改，实现虚拟现实的样件设计和制造，多体动力学仿真分析可以实现复杂、精确运动的量化评估处理，即可在产品设计过程中对其几何模型和运动模型进行仿真分析，从而快速定位可能出现故障的部位及其原因，进而提高产品的研发效率[1]。因此，以科学严谨的研究方法，并辅助以现代 CAE分析技术对产品机构进行运动仿真分析是保证产品可靠性的有效途径。

2 解决思路

目前玻璃升降器品质性能的差异则主要体现在升降器与门内板之间的布置和匹配情况，以及升降器自身结构设计的细节上;只有合理的进行升降器的位置布局以及自身结构的设计，才能得到运动稳定性良好、寿命周期长的产品[4]。

基于此，本文以 WEY VV9单导轨绳轮式电动玻璃升降为主要研究对象。首先对玻璃的升降过程进行运动学和动力学分析，利用 Creo软件对玻璃升降器系统的关键零部件进行处理，对单导轨绳轮式玻璃升降器的运动性能进行分析研究。确定玻璃升降系统关键零部件的位置布局对升降器性能的影响情况，得到其影响规律。同时，提出提升玻璃升降器性能的优化方案，以指导升降器的前期设计开发，从而在设计阶段对玻璃升降器的质量和性能进行管控。

本课题的主要研究内容主要有以下几个方面：①对玻璃升降器进行分类，由于其工作特点不同，因此根据实际车型以及车门特点选取合适的电动玻璃升降器结构类型;②针对目前玻璃升降器常见的失效模式，对单导轨绳轮式电动玻璃升降系统进行深入的研究，分析玻璃升降过程的受力情况，确定合理的理论举升点位置;③利用 Creo软件建立玻璃升降器系统的三维实体模型;④根据玻璃升降器相关技术要求，确定升降器的性能量化评价指标;⑤对WEY VV9车型标准门的玻璃升降器系统的运动性能进行多项动力学仿真分析;⑥对WEY VV9的玻璃升降器在使用过程中出现的玻璃升降发栽、卡滞等问题进行故障诊断，提出优化整改方案。

3 汽车玻璃升降器设计方案

3.1 车门玻璃参数确定

首先根据玻璃升降器的相关技术要求，确定升降器运动性能的量化评价指标[5]，利用三维建模软件 Creo建立其数字模型，然后基于多体动力学仿真分析方法，以该车型的标准门进行试验，验证仿真模型的可靠性，为后面升降器系统重要零部件的设计和布置提供数据支持。

图1所示为车辆坐标系中 G1、G2和 G3玻璃曲线的坐标。

3.2 玻璃在车门上的干涉校核

玻璃的左右两侧都卡在玻璃导板中，如图2（a）所示。玻璃与车门周边件没有发生干涉，如图2（b）所示。

由于直接将导轨的Creo文件导入Adams/View中得到的导轨形状及表面精度均相对较低，且复杂构造的部位会自动出现不可预知的形状变化，这对玻璃（由玻璃托架带动）的运动平稳性影响较大。因此可以在Creo模型中分别提取升降器导轨的截面轮廓线和运动轨迹线，并以Igs的格式保存，导入到Adams/View中如图3所示。然后在 Adams/View中利用拉伸实体功能建立升降器导轨的实体模型，其形状精度不影响计算结果。

3.3 玻璃升降器类型的选择

在玻璃升降器的选型中，往往根据窗的圆弧半径和窗导轨的布置位置来确定。当窗的圆弧半径较小，弦高较大时如图4所示，绳轮升降机更适合这种门。

对于大窗户，双轨绳索升降机可以减少操作过程中可能发生的外部抖动和横向偏移。

当玻璃弧度较小，玻璃较大且形状不规则时，绳索提升器理论上具有较大的导轨弧度，但玻璃的理论弧形轨迹更近（与叉车相比，无高度现象），运行噪声低。但叉车还有许多其他零件，例如大部分零件易于加工和组装，使用寿命长等。基于上述研究，从而确定电动车窗的结构调节器如图5所示。

3.4 车窗玻璃运行弧度的确定

如图6所示根据滑门车窗的结构，可知：玻璃在 Z 向的行程lAB=383.4 mm;玻璃的半径 R=3200 mm。

由勾股定理，得：sinα/2=191.7/3200

玻璃的运行弧度α=2arcsin191.7/3200=0.12弧长lAB=α·R=384 mm

3.5 叉臂组件所在平面位置的初步确定

叉臂组件和窗玻璃的窗迹空间圆应该共平面，以最大程度地减小校正后的琴弦的高度差并减少叉臂的变形，应该垂直于其布置。

4 效果应用

玻璃升降器作为汽车车身附件中使用最为频繁、用户的直接感知度最为明显的零部件之一，由于其恶劣的工作环境，也间接导致其故障率居高不下。而且玻璃升降器的运动性能（平顺性）的提升一直是各大汽车主机厂及玻璃升降器系统供应商最为关注的焦点问题。本文利用某汽车公司车身研发中心所提供的车门玻璃升降系统数模，结合该公司车门玻璃升降器实车的使用现状，在设计开发之初就利用CAE分析软件（Adams /View）对其进行虚拟建模分析，然后对该款玻璃升降器系统的关键零部件设计布置和常见失效模式进行了动力学、静力学仿真分析研究，并对各种仿真分析工况进行了实车试验图7所示。

5 结束语

本文利用 WEY VV9 车身研发中心所提供的车门玻璃升降系统数模，结合该公司车门玻璃升降器实车的使用現状，在设计开发之初就利用Creo软件进行分析，然后对该款玻璃升降器系统的关键零部件设计布置进行了动力学、静力学仿真分析研究。最终对仿真及试验分析结果进行了科学严谨的归纳总结，得到了单导轨绳轮式电动玻璃升降器的布置及设计要点分析规范[6-8] ，对升降器的运动平顺性有了一个更加完整而深刻的认识，从而能够进一步有效地缩短产品的设计周期，提高了产品的竞争力。

参考文献：

[1] 吴云龙.基于多体动力学仿真方法的玻璃升降器运动性能分析与优化[D].长沙：湖南大学，2018.

[2] 张世中，路向前，兰天亮.浅议电动玻璃升降器的设计及布置[J].价值工程，2015，34（14）：79-82.

[3] 鲁伟.汽车车门玻璃升降器结构研究与仿真[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[4] 秦伟昌.绳轮式轿车电动玻璃升降器机构及设计要点分析[J].北京汽车，2013（6）：27-31.

[5] 李野，张楠，陈博.玻璃升降器的设计[J].科技风，2019（1）：9.

[6] 左小刚.汽车玻璃升降器的冲压模设计及数值模拟[D].乌鲁木齐：新疆大学，2007.

[7] 盛下，杨爽，陈昊.玻璃升降器复合拉深模的设计[J].科技风，2019（2）：11.

[8] 张慧.汽车电动玻璃升降器结构设计与仿真[D].长沙：长沙理工大学，2017.

第一作者简介：赵萌（1990-），男，陕西咸阳人，大学本科，工程师，研究领域为机械工程，已发论文10篇。

（编辑：刁少华）