淺析幾種車窗升降機(jī)構(gòu)

張靜秋，金標(biāo)

（廣東科技學(xué)院，廣東 東莞 523083）

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淺析幾種車窗升降機(jī)構(gòu)

張靜秋，金標(biāo)

（廣東科技學(xué)院，廣東 東莞 523083）

摘 要：車窗升降器是車內(nèi)所有乘員使用頻率最高的一個設(shè)備，升降器的使用品質(zhì)，如升降器開關(guān)車窗的速度、噪聲等，直接影響乘員乘車的舒適性感受。文章分析了三種車窗升降器的結(jié)構(gòu)、工作原理和各自的特點(diǎn)，其中有兩種是目前市場上流行的臂式和繩輪式，另外一種是一項新發(fā)明的軌道式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)新穎，全塑料零件，無需潤滑，傳動效率高，重量輕。

關(guān)鍵詞：車窗升降器；臂式；繩輪式；軌道式

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月份中國乘用車銷量202.4萬輛 同比增17.6%，乘用車在國內(nèi)迅速普及，人們選車早已不是僅停留在交通工具層面，舒適性、安全性等體驗(yàn)要求越來越高。操縱車窗升降是成員在車內(nèi)進(jìn)行的最頻繁的動作，車窗操縱的便捷性、安靜性直接影響了乘員的用車體驗(yàn)。目前市場上主流的車窗升降器主要有臂式玻璃升降器、繩輪式玻璃升降器，另外還有一種新型車窗升降器，下面就這三種機(jī)構(gòu)加以比較分析。

1、三種車窗升降器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 臂式玻璃升降器

臂式玻璃升降器的傳動機(jī)構(gòu)有一個由手動小齒輪或電機(jī)小齒輪驅(qū)動的扇形齒板。扇形齒板連接在一個沖壓成型的主臂上，主臂端部有個滑塊或者滾輪，主臂通過它來支撐玻璃安裝滑軌。臂式結(jié)構(gòu)又分為單臂式和叉臂式。

圖1　單臂式玻璃升降器

圖2　叉臂式玻璃升降器

單臂式玻璃升降器的結(jié)構(gòu)，見圖1。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由單臂完成傳動與支撐，這種簡單的升降器結(jié)構(gòu)只適用于玻璃較為規(guī)則，兩側(cè)為平行直邊，玻璃重量較小的情況。叉臂式玻璃升降器，見圖2。叉臂式升降器與單臂式玻璃升降器相比，叉臂式玻璃升降器本身有一個活動的支撐滾子和兩個提升滾子，這樣可以保證玻璃平行升降，提升力也較大。

1.2 繩輪式玻璃升降器

圖3、圖4所示，是兩種繩輪式玻璃升降器結(jié)構(gòu)。繩輪式機(jī)構(gòu)通過小齒輪轉(zhuǎn)動繞有鋼絲繩的卷絲筒，從而帶動鋼絲繩，鋼絲繩通過導(dǎo)槽的兩個滑輪定位后，帶動滑塊上下滑動，而實(shí)現(xiàn)玻璃的升降運(yùn)動。鋼絲繩的松緊度可用張緊輪進(jìn)行調(diào)節(jié)。繩輪式結(jié)構(gòu)又分為單導(dǎo)軌式和雙導(dǎo)軌式兩種。

圖3　單軌道繩輪式玻璃升降器

圖4　單軌道繩輪式玻璃升降器

1.3 軌道式車窗升降器

軌道式結(jié)構(gòu)[1]與臂式和繩輪式結(jié)構(gòu)相比，呈現(xiàn)了一種完全不同的設(shè)計思路，前者設(shè)計了一種新奇的傳動裝置，通過直接驅(qū)動的辦法，獲得了很高的傳動效率。圖5顯示了軌道式結(jié)構(gòu)裝配情況。一塊底板上安裝有：一對互相嚙合的小齒輪，驅(qū)動電機(jī)和減速箱，一對金屬玻璃夾板（夾板直接與車窗玻璃連接）。中間軌道與車門通過兩點(diǎn)固定，中間軌道兩側(cè)有注塑成一體的兩條齒條。底板通過內(nèi)部鎖止機(jī)構(gòu)與導(dǎo)軌緊密連接。電機(jī)通電時，通過減速器直接驅(qū)動一個小齒輪（主動輪）轉(zhuǎn)動，主動輪再驅(qū)動另一個從動齒輪轉(zhuǎn)動，兩個小齒輪通過底板帶動車窗玻璃沿軌道齒條上升或下降，完成車窗的開啟與關(guān)閉。

圖5　軌道式玻璃升降器

齒輪驅(qū)動電機(jī)通過一根特殊設(shè)計的柔韌的電纜連接到汽車電路。這個卷成線圈的電纜能夠提高電纜的使用壽命，并且降低機(jī)構(gòu)運(yùn)行時的電磁輻射。軌道曲率與車窗玻璃曲率匹配。彎曲的軌道使得齒條上的齒受到輕微扭曲。齒條上每個齒的彎曲量小于2.5-5*10-3mm，這樣的要求在加工上很容易保證，使得這種導(dǎo)軌式機(jī)構(gòu)能夠匹配各種形狀的車窗玻璃。軌道通過將連接左右齒條的中間體設(shè)計成網(wǎng)狀來保證機(jī)構(gòu)橫向剛度。軌道機(jī)構(gòu)還設(shè)置了停止緩沖減振裝置。所有結(jié)構(gòu)性塑料元件在開發(fā)過程中，均使用有限元法驗(yàn)證了在所有載荷條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。此外，在軌道模具設(shè)計和注塑過程中還進(jìn)行了模流仿真分析。所有塑料元件均采用了可再生材料。

2、玻璃升降器驅(qū)動電機(jī)

目前乘用車玻璃升降器絕大多數(shù)為電控式。由電機(jī)驅(qū)動玻璃升降機(jī)構(gòu)運(yùn)行，帶動車窗玻璃上升或下降。在各種形式的電動門窗升降器中，其電機(jī)結(jié)構(gòu)型式大同小異，一般均為永磁式直流電動機(jī)，由定子、電樞、碳刷端蓋、減速箱體等組成（圖6所示）。如果電機(jī)帶有防夾，遙控等自動化功能，電機(jī)要加裝電子集成模塊，由電機(jī)與電子模塊配合完成各種自動化指令[2]。

圖6　升降器電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3、三種車窗升降器的比較

3.1 臂式結(jié)構(gòu)和繩輪式結(jié)構(gòu)

臂式結(jié)構(gòu)，主要部件都是鈑金結(jié)構(gòu)，零件加工方便。目前在汽車上，應(yīng)用很廣。其中單臂式只有一個活動滾子，也就是說只有一個支撐點(diǎn)。因此，傳動臂與玻璃質(zhì)心之間的位置是一直在變動的，玻璃升降時，穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生傾斜、卡滯[3,4]。叉臂式玻璃升降器改善了單臂式結(jié)構(gòu)的上述缺點(diǎn)，制造工藝簡單，對車門的兼容性很強(qiáng)，也就是說，一個升降器可以布置在不同車型的車門上，可以平臺化生產(chǎn)。因此，這種結(jié)構(gòu)的玻璃升降器被廣泛采用。

但臂式機(jī)構(gòu)本身是一種平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)，卻在大多數(shù)時間里要做曲面運(yùn)動。這需要搖臂在升降車窗時，能夠在向內(nèi)或向外的方向上撓動。這種撓動力需要控制在較小的水平，因?yàn)檫@種撓動力作用在車窗密封件上會產(chǎn)生額外的摩擦力，導(dǎo)致密封件磨損，從而引發(fā)車窗風(fēng)噪或漏風(fēng)，同時搖臂撓動力會降低機(jī)構(gòu)傳動效率。臂式機(jī)構(gòu)應(yīng)用于弧形玻璃，其傳動效率甚至低于單導(dǎo)軌繩輪式結(jié)構(gòu)。在機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，撓動力會引起車門內(nèi)板的變形。在汽車的壽命期內(nèi)，這些撓動力甚至能夠?qū)е萝囬T的疲勞損壞。因此在設(shè)計時，需要在撓動力和支撐力之間做出平衡。

繩輪式結(jié)構(gòu)，最大的特點(diǎn)，傳動機(jī)構(gòu)為滾輪與鋼絲繩繞合傳動，具有“柔式”的特點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)的升降器在設(shè)計布置上，較為方便，機(jī)構(gòu)運(yùn)動所占用的空間小。而升降器本身的鋼絲繩是軟性的，安裝位置可以有更多的選擇。另外，這種結(jié)構(gòu)還有很多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，運(yùn)動時噪聲小等。因此繩輪式玻璃升降器，應(yīng)用很廣泛，大有取代叉臂式升降器的趨勢。

但繩輪式結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要使用價格較貴的拉繩，因?yàn)橐獜牟牧仙媳ＷC拉繩能夠長期可靠使用。同時拉繩在機(jī)構(gòu)中是暴露在外的，在安裝過程中容易損壞。拉繩即使受到輕微的損傷，也能導(dǎo)致拉繩過早的損壞。所以需要為拉繩加護(hù)套，而護(hù)套本身又增加了機(jī)構(gòu)的成本。

臂式和繩輪式結(jié)構(gòu)，為了保證傳動效率，都要依賴于潤滑脂[5]。機(jī)構(gòu)中的潤滑脂都是暴露的，很容易在裝配時污染到不需要潤滑脂的部件。這兩種機(jī)構(gòu)裝配都很復(fù)雜，每個單元需要30-40個裝配零件。整套機(jī)構(gòu)主要由鋼質(zhì)零件組成，因此很重，四門車窗升降機(jī)構(gòu)能為整車增重5-9Kg。復(fù)雜而數(shù)量眾多的零件需要高度自動化的裝配線，這需要高額的投入。

3.2 軌道式結(jié)構(gòu)

最近開發(fā)的軌道式機(jī)構(gòu)克服了臂式和繩輪式機(jī)構(gòu)的諸多缺點(diǎn)。這種軌道式機(jī)構(gòu)采用了直接驅(qū)動式的傳動機(jī)構(gòu)，因此具有很高的傳動效率。該機(jī)構(gòu)無需潤滑脂潤滑，即使環(huán)境溫度低至零下4攝氏度左右時，都可以保持一個穩(wěn)定的傳動效率。系統(tǒng)高傳動效率對溫度很強(qiáng)的適應(yīng)能力，允許選配尺寸更小、功率更低的電機(jī)，同時降低了系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動電流。整套機(jī)構(gòu)由塑料構(gòu)成，使得整體重量顯著減輕。

圖7　軌道式車窗升降器裝配流程

與臂式和繩輪式結(jié)構(gòu)相比，軌道式結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)流程更加簡單。圖7展示了，通過四個工位的簡單裝配，即可組裝完成一套軌道式車窗升降器。生產(chǎn)流程的復(fù)雜程度直接和零件數(shù)量和裝配類型有關(guān)。以在同一個車門上，同樣的玻璃連接方式，分別安裝一套軌道式機(jī)構(gòu)和一套繩輪式機(jī)構(gòu)進(jìn)行對比。軌道機(jī)構(gòu)總共由18個零件，其中8個是緊固件，而繩輪機(jī)構(gòu)有34個零件，其中由13個緊固件。OEM向軌道機(jī)構(gòu)供一個緊固件，同樣工序需要向繩輪機(jī)構(gòu)提供5個緊固件[1]。

在車門裝配過程中，軌道式機(jī)構(gòu)只有一套固體單元，無需安裝線纜，也無需安裝叉臂。簡化的安裝過程縮減了OEM裝配時間和成本。軌道式機(jī)構(gòu)無潤滑脂，方便了生產(chǎn)和運(yùn)輸，同時避免裝配時污染車上其它敏感部件，并減少了因潤滑脂污染而產(chǎn)生的清理費(fèi)用。

軌道式車窗升降器裝配流程如圖7。

4、兩種車窗升降器門上性能對比試驗(yàn)[1]

在一款緊湊型小車車門上，分別安裝一套軌道式機(jī)構(gòu)和一套繩輪式機(jī)構(gòu)。車窗升起時，測量電動機(jī)的驅(qū)動電流-時間曲線，車窗玻璃上升到位時測量電機(jī)失速轉(zhuǎn)速下電流-時間曲線，試驗(yàn)溫度分別為-6℃、22℃、80℃，每次試驗(yàn)電機(jī)驅(qū)動電壓14.7V。

在此試驗(yàn)中，參照對象是一套雙軌道繩輪式機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1：

表1　軌道式與繩輪式車窗升降器性能參數(shù)對比

幾組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比顯示，在所有條件下，軌道式機(jī)構(gòu)均比滾筒式機(jī)構(gòu)驅(qū)動電流低，而且舉升時間短，傳動效率改進(jìn)明顯。

5、結(jié)論

總的來看，軌道式車窗升降機(jī)構(gòu)相對于目前市場上應(yīng)用的機(jī)構(gòu)有很大改進(jìn)。軌道式機(jī)構(gòu)有著更高的傳動效率，并且溫度適應(yīng)性很強(qiáng)。高傳動效率允許選配尺寸更小、重量更輕的電機(jī)，同時降低了驅(qū)動電流，從而可以使用更細(xì)的導(dǎo)線。由于整套機(jī)構(gòu)都采用塑料件，使得每個車門可以減重約1.3Kg。使用塑料零件驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)更順滑、安靜。機(jī)構(gòu)無需潤滑，保證了汽車裝配時免于滑油污染。由于機(jī)構(gòu)小巧，節(jié)省了大量材料，使得生產(chǎn)過程簡單、低耗，節(jié)省了OEM安裝場地和裝配工人數(shù)量。

參考文獻(xiàn)

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經(jīng)營管理

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

作者簡介：張靜秋，就職于廣東科技學(xué)院機(jī)電工程系。

中圖分類號：U463.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-185-03