車側窗多功能貼膜循環(huán)升降系統(tǒng)設計

萬旭敏，李燦華

Wan Xumin，Li Canhua

（吉林大學 汽車工程學院，吉林長春 130012）

0 引 言

目前，車窗貼膜種類繁多，但也存在問題，如使用功能單一，不能多次使用等。針對這些問題，較少汽車采用技術相對較新的變色玻璃。變色玻璃雖然可以實現(xiàn)很多顏色的變化，但運動中的車輛遇到的光線情況復雜，相應要求多，且變色玻璃變色緩慢，會增加行車過程中的危險。文中設計了一種能夠按駕駛員的需要來多次更換車窗貼膜的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過升降和切換車窗貼膜，從而達到貼膜的更換和多次使用的目的，并且更換的貼膜種類多、更換時間短。

1 車側窗多功能貼膜循環(huán)升降系統(tǒng)的設計方案

1.1 車側窗多功能貼膜循環(huán)升降系統(tǒng)的組成

車側窗多功能貼膜循環(huán)升降系統(tǒng)主要由機械部分和控制部分組成，如圖1和圖2。系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關鍵：單片機通過程序來控制機械部分運行，從而實現(xiàn)貼膜的升降和切換。

機械系統(tǒng)主要由中空玻璃、位于中空玻璃下部的密封部件、密封部件內(nèi)的貼膜和驅(qū)動貼膜升降的驅(qū)動裝置組成。本設計可以實現(xiàn) 2個以上的貼膜的升降和切換，以 2種貼膜的切換和升降為例，2種貼膜分別為貼膜a、貼膜b，圖1和圖2中硬質(zhì)仿鋼卷尺塑料邊、貼膜導軌和繞線滑輪均為 2套。驅(qū)動裝置如圖 3，主要由驅(qū)動電機、與驅(qū)動電機的電機轉軸同軸的主動齒輪、與主動齒輪嚙合的從動齒輪、兩端分別與電機轉軸、貼膜牽引的牽引線和繞牽引線的繞線滑輪組成。

控制部分主要由按鍵、LED顯示燈、單片機、驅(qū)動器等組成，結構如圖4所示。

1.2 車側窗多功能貼膜循環(huán)升降系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

貼膜升降功能通過齒輪傳動，帶動貼膜轉軸轉動來實現(xiàn)。這種機械系統(tǒng)根據(jù)不同功能貼膜的數(shù)量需要相應地增加機械系統(tǒng)的數(shù)量。貼膜的切換功能通過單片機編程來實現(xiàn)，單片機編程設定多個不同模式，這些模式分別控制不同功能的貼膜升降系統(tǒng)，然后再根據(jù)人們對車窗的貼膜不同要求來啟動相應的模式，從而實現(xiàn)各種不同功能貼膜的切換。

控制功能主要通過單片機實現(xiàn)。單片機的接口采集按鍵輸入的操作信號，然后經(jīng)過運算，最終得到1個存儲量，并給出2個輸出量：一個為與控制信號相對應脈沖和正、反轉控制信號，經(jīng)由驅(qū)動器實現(xiàn)對電機的控制；另一個為與控制信號相應的LED燈的控制信號。

2 車側窗多功能貼膜循環(huán)升降系統(tǒng)設計的關鍵問題研究

2.1 貼膜的選擇

現(xiàn)階段，汽車貼膜主要以太陽膜為主，主要功能為隔熱。太陽膜可以分為多層，主要包括抗磨層、帶色PET安全基層、金屬隔熱層、UV吸收層、透明PET安全基層等。同時還存在一些其他功能的貼膜，比如透光膜，防爆膜等。本研究設計的機械系統(tǒng)可以實現(xiàn) 2種以上貼膜的升降和切換，以2種不同功能的貼膜為例，選取晶銳90貼膜和黑馬王子，相應主要性能參數(shù)如表1，2種貼膜的透光率差距較大，可以保證在不同時間駕駛員對汽車貼膜透光的要求。

表1 貼膜性能參數(shù)

2.2 密封部件的設計

密封部件應該具有防水、防塵、良好的抗沖擊能力以及良好的耐腐蝕性。文中設計的機械系統(tǒng)的密封部件不僅要具備以上功能，同時應具有引導貼膜升降路徑、安裝電機轉軸和貼膜轉軸的功能，由于標準的密封部件并不能滿足這些功能，設計一個新的密封部件，擁有一對用于引導貼膜升降軌跡的導軌和兩對安裝轉軸的支架。導軌和轉軸支架選取聚碳酸酯作為材料，可以通過注塑成形工藝制成相應形狀。轉軸支架如圖5所示。

密封部件通過膠接與中空玻璃底部相連接，形成一個密封的整體。同時導軌和轉軸支架通過膠接的方法與密封部件的主體部分相連接構成一個完整的密封部件，如圖6所示。

2.3 驅(qū)動電機參數(shù)的確定

由于車門內(nèi)部空間的限制，只能選取較小尺寸的電機。電機選擇的具體步驟如下：

由于貼膜轉軸的半徑較小，通過估算可以認為貼膜轉軸轉動時受力為68 N，根據(jù)公式

算出扭矩力T=0.068 N·Lm

由公式

可計算出功率P=130 W，所以選取130電機，轉速為180000 r/min，這種電機能提供足夠的動力，保證貼膜的正常升降。

2.4 主動齒輪和從動齒輪參數(shù)的確定

通過估算車門內(nèi)部的尺寸，可知車門內(nèi)部寬度一般為6～12 mm?？紤]到車門內(nèi)齒輪的布置，齒輪的齒頂圓直徑da要小于車門內(nèi)部的尺寸?；谏鲜鲈砗蜐u開線標準，圓柱齒輪的最小不根切齒數(shù)為 17，擬選主動齒輪的模數(shù) m=0.5，齒數(shù)z=18，α=20°，根據(jù)公式

算出主動齒輪的分度圓直徑d=9 mm，同理可以依據(jù)公式

算出齒頂圓直徑da=10 mm。

對于從動齒輪來說，需要與主動齒輪相嚙合，所以需要保證齒輪模數(shù)和壓力角相等，m=0.5，α=20°。由于電機轉速較快，需要減速增扭，從而應該選取從動齒輪的齒數(shù)z=20，同理可以依據(jù)公式（3）和公式（4）算出從動齒輪的d=10 mm和da=11 mm。通過驗證可知兩個齒輪的齒頂圓直徑都小于車門內(nèi)尺寸，能夠在車門內(nèi)很好地布置。齒輪作為傳動件一般需要較大強度和剛度，而本研究的結構受力比較小，對于強度和剛度的要求不是很嚴格，所以選取的齒輪材料為聚甲醛POM。它具有很好的強度和剛度，良好的耐磨性以及很高的疲勞強度等特性，能夠很好地滿足該結構的各項要求。對于與齒輪相配合的各個軸來說也選取材料聚甲醛 POM，通過熱成形制成貼膜轉軸和電機轉軸。貼膜轉軸、電機轉軸和齒輪之間采用花鍵連接實現(xiàn)轉動的傳遞。

2.5 滑輪和牽引線的選取

由于車門內(nèi)板和車門外板之間的間隙較小，所以需要設計較小尺寸的滑輪，采取輪材式滑輪，最大圓的直徑為4 mm，通過焊接與車門頂部連接在一起。對于牽引線的選取，首先需要考慮其強度和延展性，而尼龍線正好符合這些特征，所以選取規(guī)格為標準磅數(shù) 12 kg，標準直徑 0.29 mm，參考號數(shù)（dia）為3。

2.6 控制系統(tǒng)的硬件設計

2.6.1 電機的選用

機械裝置要求執(zhí)行部分的電機能實現(xiàn)精準的定位。在速度、位置等數(shù)字控制領域中應用日益廣泛的步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。該機構是一種利用電磁鐵的作用原理將電脈沖信號轉換為線位移或角位移的電機。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響。

2.6.2 單片機的選用

AT89C51是一種低功耗高性能CMOS 8位單片微機，它除了具有與MCS—51完全兼容的若干特性外，最為突出的就是片內(nèi)集成了 4 k字節(jié)Flash，可用來存放應用程序。這個Flash程序存儲器除允許用一般的編程器離線編程外，還允許在應用系統(tǒng)中實現(xiàn)在線編程，并且還提供了對程序進行三級加密保護的功能。AT89C51的另一個特點是工作速度更高，晶振頻率可高達24 MHz，一個機器周期僅50 ns，比MCS—51快了一倍，在電機控制中應用廣泛。

2.6.3 驅(qū)動器的選用

電機驅(qū)動的關鍵是精確控制電機旋轉的角度。單片機 AT89C51對步進電機進行控制時，需要通過I/O口輸出具有一定時序的脈沖作為步進電機的控制信號。但是，僅靠該I/O輸出電流無法直接驅(qū)動電機，必須加以放大以驅(qū)動步進電機。因此提出采用ULN2003來驅(qū)動步進電機。ULN2003是一種高耐壓、大電流的達林頓陳列，由7個NPN達林頓管組成，每一對達林頓都串聯(lián)1個2.7 kΩ的基極電阻。在5V的工作電壓下與單片機直接相連，可以實現(xiàn)單片機對電機的精準控制。

2.7 控制系統(tǒng)的軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計主要分為按鍵的操作信息輸入、信息存儲及控制脈沖輸出幾部分。程序主要由控制主程序、電機控制子程序組成。根據(jù)按鍵操作，調(diào)用控制主程序，并作判斷，根據(jù)判斷調(diào)用電機控制子程序。

將車側窗分別編號 FL，F(xiàn)R，BL，BR，每個車窗的控制單獨設置，以FL為例。圖7是單片機的總控制流程圖，用以實現(xiàn)不同模式之間的轉換控制。

電機通過克服來自傳動機構的阻力實現(xiàn)牽引線的升降，從而帶動汽車車側窗貼膜的升降。并通過控制電機的正反轉來達到控制升降的目的。電機控制子程序流程如圖8所示。

3 結束語

文中設計了一種簡單的貼膜升降切換系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)駕駛員的不同需求，隨時隨地多次切換不同功能的貼膜，從而解決貼膜功能單一性、使用一次性的問題。由于時間和條件的限制，該機構并沒有進行詳細的機構運動分析以及沒有制作出實體模型，而只是基于理論上的研究以及簡單的運動干涉進行分析。以后可以深入研究該機構的原理，并制作出實體模型，便于更好地進行試驗模擬。

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