趙萌 林蔚然 楊忠昌 王龍兵 周冰科 曹猛

摘要：以車門設(shè)計(jì)為中心，討論了玻璃升降機(jī)結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計(jì)，介紹了升降機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模擬仿真。車門系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)門窗調(diào)節(jié)器車門附件、車窗升降器等汽車車窗玻璃升降相關(guān)的汽車附件。玻璃托架通過玻璃升降器上下移動(dòng)，放置在門玻璃托架的導(dǎo)槽或?qū)к壣?。目前，有兩種常見的玻璃升降器上下移動(dòng)，叉臂驅(qū)動(dòng)和繩輪驅(qū)動(dòng)。后者可以適應(yīng)曲率較高的散熱器上的玻璃運(yùn)動(dòng)，還有手搖式操作兩種操作方式。在車門的設(shè)計(jì)和布置上，正確選擇和配置門窗升降機(jī)、窗口升降臺(tái)是讓機(jī)器輕便可靠的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：玻璃升降器;汽車車門系統(tǒng);仿真

中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0141-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（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動(dòng)的機(jī)械就是車窗玻璃升降器，其是汽車構(gòu)造中非常重要的組成部分，其構(gòu)造性能會(huì)很大程度上影響整車的性能，甚至是影響到行車過程中的安全問題。因此車在窗玻璃升降器的設(shè)計(jì)過程中，需要考慮到穩(wěn)定性和密閉性。

隨著電動(dòng)玻璃升降器廣泛地應(yīng)用在各類轎車、面包車、卡車等車型上[1]，其升降性能品質(zhì)的優(yōu)劣也將直接影響消費(fèi)者的購買欲以及使用汽車的感受。玻璃升降器作為整車系統(tǒng)中使用頻率極高的車身附件之一，其工作環(huán)境非常惡劣，而且在使用過程中極少對其進(jìn)行維護(hù)，這些都導(dǎo)致了玻璃升降器成為整車系統(tǒng)中故障頻率最高的車身附件之一。玻璃升降器幾乎是使用最為頻繁但卻從來不采取任何保養(yǎng)措施的一個(gè)車身附件系統(tǒng)，這也間接導(dǎo)致了其在使用過程中故障頻發(fā)，這些問題都給整車廠的售后服務(wù)以及消費(fèi)者帶來了極大地?zé)?。因此，提高其升降性能品質(zhì)己成為當(dāng)務(wù)之急。

本文以最新推出的 SUV 車型WEY VV9為例，對玻璃的升降過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[2]，基于 Creo軟件平臺(tái)建立玻璃升降器系統(tǒng)模型，對單導(dǎo)軌繩輪式玻璃升降器的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析研究。確定玻璃升降系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的位置布局對升降器性能的影響情況，得到其影響規(guī)律。同時(shí)，提出提升玻璃升降器性能的優(yōu)化方案，以指導(dǎo)升降器的前期設(shè)計(jì)開發(fā)，從而在設(shè)計(jì)階段對玻璃升降器的質(zhì)量和性能進(jìn)行管控。

1 汽車玻璃升降器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)難點(diǎn)

中國的電動(dòng)玻璃起重器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基本采用國外先進(jìn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。額定負(fù)載很大，達(dá)到120 N ，最大殘余力為355 N 。耐久性測試要求每個(gè)周期最多移動(dòng)1次，玻璃每個(gè)周期必須移動(dòng)8次。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了更高的要求。

在汽車玻璃升降器的選型方面，通常以具體車型的車門導(dǎo)軌位置布局和玻璃造型曲面弧度半徑作為主要參考依據(jù)，同時(shí)考慮工藝及成本問題來確定。其中玻璃造型面的弧度是確定選用哪種升降器結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要的參考指標(biāo)。當(dāng)玻璃曲面的曲率較大時(shí)，繩輪式玻璃升降器的導(dǎo)軌弧度可以做到和玻璃曲面的理論運(yùn)行弧度軌跡幾乎一致，此時(shí)應(yīng)該選擇使用繩輪式升降器;玻璃重量較大時(shí)，選擇使用雙導(dǎo)軌升降器更為合適。

一般而言，玻璃的橫向跨度 L>780 mm 時(shí)，選用雙導(dǎo)軌繩輪式玻璃升降器比較合適。當(dāng)玻璃曲面的曲率半徑較大時(shí)，例如當(dāng)玻璃面的曲率半徑 R>1500 mm時(shí)，繩輪式玻璃升降器導(dǎo)軌的弧度和玻璃的理論運(yùn)行軌跡更為接近，此時(shí)應(yīng)選用繩輪式玻璃升降器[2]。此外，由于叉臂式升降器也能滿足各方面的性能要求，而且具有零件少、裝配便捷、使用壽命長以及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前情況下仍被廣泛采用。

在單導(dǎo)軌繩輪式電動(dòng)玻璃升降器中，升降器導(dǎo)軌的功能主要是對玻璃上升或下降的運(yùn)動(dòng)軌跡起到引導(dǎo)和約束作用。由于單導(dǎo)軌升降器在玻璃的升降過程中，對玻璃托架的位置限制約束能力不如雙導(dǎo)軌。因此，對于單導(dǎo)軌升降器，玻璃在工作過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)或著具有一定的偏轉(zhuǎn)趨勢。

一般而言，轎車車身的側(cè)圍結(jié)構(gòu)中 B 柱強(qiáng)度要高于 A 柱，且前后玻璃滑槽均有一個(gè)向 B 柱的傾角。因此，使得前車門玻璃在運(yùn)動(dòng)中向 B 柱傾靠或者具有向 B 柱靠的趨勢，可以使升降器系統(tǒng)獲得更高的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

1.2 解決問題

本文以 WEY VV9車型的左前門的玻璃升降系統(tǒng)為例，對玻璃的關(guān)閉過程進(jìn)行受力分析，對于升降器系統(tǒng)的玻璃在平衡狀態(tài)下，玻璃與水切槽完全接觸，而且對玻璃的上升運(yùn)動(dòng)過程（上升過程鋼絲繩受力遠(yuǎn)大于下降過程，即在高頻故障頻期）進(jìn)行受力分析。

利用多學(xué)科交叉技術(shù)平臺(tái)對玻璃升降器系統(tǒng)進(jìn)行三維模型仿真分析，有利于對升降器不合理的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且仿真樣件易于修改，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的樣件設(shè)計(jì)和制造，多體動(dòng)力學(xué)仿真分析可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、精確運(yùn)動(dòng)的量化評估處理，即可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對其幾何模型和運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行仿真分析，從而快速定位可能出現(xiàn)故障的部位及其原因，進(jìn)而提高產(chǎn)品的研發(fā)效率[1]。因此，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯糠椒?，并輔助以現(xiàn)代 CAE分析技術(shù)對產(chǎn)品機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析是保證產(chǎn)品可靠性的有效途徑。

2 解決思路

目前玻璃升降器品質(zhì)性能的差異則主要體現(xiàn)在升降器與門內(nèi)板之間的布置和匹配情況，以及升降器自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)上;只有合理的進(jìn)行升降器的位置布局以及自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，才能得到運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性良好、壽命周期長的產(chǎn)品[4]。

基于此，本文以 WEY VV9單導(dǎo)軌繩輪式電動(dòng)玻璃升降為主要研究對象。首先對玻璃的升降過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，利用 Creo軟件對玻璃升降器系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行處理，對單導(dǎo)軌繩輪式玻璃升降器的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析研究。確定玻璃升降系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的位置布局對升降器性能的影響情況，得到其影響規(guī)律。同時(shí)，提出提升玻璃升降器性能的優(yōu)化方案，以指導(dǎo)升降器的前期設(shè)計(jì)開發(fā)，從而在設(shè)計(jì)階段對玻璃升降器的質(zhì)量和性能進(jìn)行管控。

本課題的主要研究內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：①對玻璃升降器進(jìn)行分類，由于其工作特點(diǎn)不同，因此根據(jù)實(shí)際車型以及車門特點(diǎn)選取合適的電動(dòng)玻璃升降器結(jié)構(gòu)類型;②針對目前玻璃升降器常見的失效模式，對單導(dǎo)軌繩輪式電動(dòng)玻璃升降系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究，分析玻璃升降過程的受力情況，確定合理的理論舉升點(diǎn)位置;③利用 Creo軟件建立玻璃升降器系統(tǒng)的三維實(shí)體模型;④根據(jù)玻璃升降器相關(guān)技術(shù)要求，確定升降器的性能量化評價(jià)指標(biāo);⑤對WEY VV9車型標(biāo)準(zhǔn)門的玻璃升降器系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行多項(xiàng)動(dòng)力學(xué)仿真分析;⑥對WEY VV9的玻璃升降器在使用過程中出現(xiàn)的玻璃升降發(fā)栽、卡滯等問題進(jìn)行故障診斷，提出優(yōu)化整改方案。

3 汽車玻璃升降器設(shè)計(jì)方案

3.1 車門玻璃參數(shù)確定

首先根據(jù)玻璃升降器的相關(guān)技術(shù)要求，確定升降器運(yùn)動(dòng)性能的量化評價(jià)指標(biāo)[5]，利用三維建模軟件 Creo建立其數(shù)字模型，然后基于多體動(dòng)力學(xué)仿真分析方法，以該車型的標(biāo)準(zhǔn)門進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真模型的可靠性，為后面升降器系統(tǒng)重要零部件的設(shè)計(jì)和布置提供數(shù)據(jù)支持。

圖1所示為車輛坐標(biāo)系中 G1、G2和 G3玻璃曲線的坐標(biāo)。

3.2 玻璃在車門上的干涉校核

玻璃的左右兩側(cè)都卡在玻璃導(dǎo)板中，如圖2（a）所示。玻璃與車門周邊件沒有發(fā)生干涉，如圖2（b）所示。

由于直接將導(dǎo)軌的Creo文件導(dǎo)入Adams/View中得到的導(dǎo)軌形狀及表面精度均相對較低，且復(fù)雜構(gòu)造的部位會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)不可預(yù)知的形狀變化，這對玻璃（由玻璃托架帶動(dòng)）的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性影響較大。因此可以在Creo模型中分別提取升降器導(dǎo)軌的截面輪廓線和運(yùn)動(dòng)軌跡線，并以Igs的格式保存，導(dǎo)入到Adams/View中如圖3所示。然后在 Adams/View中利用拉伸實(shí)體功能建立升降器導(dǎo)軌的實(shí)體模型，其形狀精度不影響計(jì)算結(jié)果。

3.3 玻璃升降器類型的選擇

在玻璃升降器的選型中，往往根據(jù)窗的圓弧半徑和窗導(dǎo)軌的布置位置來確定。當(dāng)窗的圓弧半徑較小，弦高較大時(shí)如圖4所示，繩輪升降機(jī)更適合這種門。

對于大窗戶，雙軌繩索升降機(jī)可以減少操作過程中可能發(fā)生的外部抖動(dòng)和橫向偏移。

當(dāng)玻璃弧度較小，玻璃較大且形狀不規(guī)則時(shí)，繩索提升器理論上具有較大的導(dǎo)軌弧度，但玻璃的理論弧形軌跡更近（與叉車相比，無高度現(xiàn)象），運(yùn)行噪聲低。但叉車還有許多其他零件，例如大部分零件易于加工和組裝，使用壽命長等?；谏鲜鲅芯?，從而確定電動(dòng)車窗的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)器如圖5所示。

3.4 車窗玻璃運(yùn)行弧度的確定

如圖6所示根據(jù)滑門車窗的結(jié)構(gòu)，可知：玻璃在 Z 向的行程lAB=383.4 mm;玻璃的半徑 R=3200 mm。

由勾股定理，得：sinα/2=191.7/3200

玻璃的運(yùn)行弧度α=2arcsin191.7/3200=0.12弧長lAB=α·R=384 mm

3.5 叉臂組件所在平面位置的初步確定

叉臂組件和窗玻璃的窗跡空間圓應(yīng)該共平面，以最大程度地減小校正后的琴弦的高度差并減少叉臂的變形，應(yīng)該垂直于其布置。

4 效果應(yīng)用

玻璃升降器作為汽車車身附件中使用最為頻繁、用戶的直接感知度最為明顯的零部件之一，由于其惡劣的工作環(huán)境，也間接導(dǎo)致其故障率居高不下。而且玻璃升降器的運(yùn)動(dòng)性能（平順性）的提升一直是各大汽車主機(jī)廠及玻璃升降器系統(tǒng)供應(yīng)商最為關(guān)注的焦點(diǎn)問題。本文利用某汽車公司車身研發(fā)中心所提供的車門玻璃升降系統(tǒng)數(shù)模，結(jié)合該公司車門玻璃升降器實(shí)車的使用現(xiàn)狀，在設(shè)計(jì)開發(fā)之初就利用CAE分析軟件（Adams /View）對其進(jìn)行虛擬建模分析，然后對該款玻璃升降器系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)布置和常見失效模式進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)仿真分析研究，并對各種仿真分析工況進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)圖7所示。

5 結(jié)束語

本文利用 WEY VV9 車身研發(fā)中心所提供的車門玻璃升降系統(tǒng)數(shù)模，結(jié)合該公司車門玻璃升降器實(shí)車的使用現(xiàn)狀，在設(shè)計(jì)開發(fā)之初就利用Creo軟件進(jìn)行分析，然后對該款玻璃升降器系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)布置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)仿真分析研究。最終對仿真及試驗(yàn)分析結(jié)果進(jìn)行了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臍w納總結(jié)，得到了單導(dǎo)軌繩輪式電動(dòng)玻璃升降器的布置及設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析規(guī)范[6-8] ，對升降器的運(yùn)動(dòng)平順性有了一個(gè)更加完整而深刻的認(rèn)識(shí)，從而能夠進(jìn)一步有效地縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高了產(chǎn)品的競爭力。

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第一作者簡介：趙萌（1990-），男，陜西咸陽人，大學(xué)本科，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械工程，已發(fā)論文10篇。

（編輯：刁少華）