汽車玻璃升降系統(tǒng)對(duì)窗框鈑金作用力研究分析

魏文華　萬(wàn)佳　滕淑紅

摘 要：本文主要分析玻璃升降系統(tǒng)受力情況，玻璃上升到窗框頂部，對(duì)窗框鈑金的作用力分析以及力值過(guò)大的解決措施。

關(guān)鍵詞：玻璃升降器 電動(dòng)車窗 玻璃防夾 窗框 CAE

1 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車已經(jīng)進(jìn)入尋常百姓家，汽車玻璃升降不僅涉及到窗框飾條的外觀，同時(shí)也是運(yùn)動(dòng)安全件。玻璃升降功能包括手動(dòng)搖窗機(jī)[1]和電動(dòng)玻璃升降器，手動(dòng)搖窗機(jī)已基本淘汰，市場(chǎng)上絕大部分都是電動(dòng)升降玻璃。電動(dòng)一鍵升降成為目前車型主流配置，但對(duì)于配備一鍵上升功能的玻璃升降器，法規(guī)有防夾力[2]小于100N的要求，即增加了對(duì)乘客及兒童的誤夾傷的保護(hù)。在防夾區(qū)域內(nèi)，玻璃能在玻璃升降器的作用力下能正常上升而不被誤堵轉(zhuǎn)造成玻璃向下運(yùn)動(dòng)而上升不到頂部，在超出防夾區(qū)域，玻璃上升到門(mén)框頂部時(shí)，對(duì)鈑金作用力值又不能過(guò)大，但又要滿足玻璃和泥槽的密封性要求，這一系列力的關(guān)系問(wèn)題一直是汽車玻璃升降系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，本文對(duì)這一痛點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行探討。

2 玻璃升降系統(tǒng)受力分析

玻璃上升過(guò)程受力情況：玻璃升降器開(kāi)關(guān)通電后，開(kāi)啟上升功能，玻璃受到自身重力G，玻璃運(yùn)動(dòng)方向與水平線夾角θ，玻璃前端泥槽內(nèi)外唇邊的摩擦力f1（為簡(jiǎn)化說(shuō)明問(wèn)題，將泥槽內(nèi)外唇邊摩擦力合并在一起），玻璃后端泥槽內(nèi)外唇邊的摩擦力f2（為簡(jiǎn)化說(shuō)明問(wèn)題，將泥槽內(nèi)外唇邊摩擦力合并在一起），內(nèi)水切、外水切摩擦力f3（為簡(jiǎn)化說(shuō)明問(wèn)題，將內(nèi)水切、外水切對(duì)玻璃的摩擦力合并在一起），泥槽的滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ1，壓荷N1（100mm長(zhǎng)），水切的摩擦系數(shù)μ2，壓荷N2（100mm長(zhǎng)），玻璃前端斜邊長(zhǎng)度L1，玻璃后端斜邊長(zhǎng)度L2，與水切完全接觸配合的長(zhǎng)度L3，受力分析如下圖1所示。

車窗玻璃勻速上升過(guò)程：

F=f1+f2+f3+G1

=μ1*N1*L1/100+μ1*N1*L2/100+μ2*N2 *L3/100+mg*sinθ

車窗玻璃勻速下降過(guò)程：

F+G1=f1+f2+f3

下降過(guò)程，由于玻璃重力與運(yùn)動(dòng)方向相同，玻璃升降器電機(jī)作用力小于上升過(guò)程，因此，在分析、選擇玻璃升降器電機(jī)時(shí)，只做玻璃上升過(guò)程的受力分析。

3 玻璃升降器電機(jī)初步選擇

查看現(xiàn)有玻璃升降器電機(jī)產(chǎn)品，初選玻璃升降器電機(jī)，分析其電機(jī)特性曲線，如下圖2所示。

從上圖2中，可以找到電機(jī)效率最大時(shí)的扭矩在橫坐標(biāo)上約2.5Nm，電機(jī)堵轉(zhuǎn)扭矩Ts為10Nm，電機(jī)轉(zhuǎn)輪半徑R=20mm（由供應(yīng)商提供或數(shù)模測(cè)量），轉(zhuǎn)輪上的鋼絲繩上拉力為F=T/r，即：

F輪=Ts/R=10Nm/20mm*1000=500N

假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)輪上的鋼絲繩上拉力F輪傳遞到玻璃升降器活動(dòng)塊對(duì)玻璃的作用力效能η，則：

F玻璃=500η…………

玻璃上升過(guò)程堵轉(zhuǎn)力[3]：

F堵轉(zhuǎn)力=F玻璃-F阻力…………

玻璃升降系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)力：為玻璃最大上升力減去玻璃上升阻力。

玻璃勻速上升，即F輪'=2.5Nm/20mm*100=125N

F阻力=F玻璃'=125η…………

將、代入公式中：

F堵轉(zhuǎn)力=F玻璃-F阻力=500η-125η=375η

長(zhǎng)按玻璃升降器開(kāi)關(guān)，可取消玻璃一鍵上升功能，此時(shí)的玻璃上升堵轉(zhuǎn)力值不受法規(guī)防夾力100N的限制，測(cè)量本車型玻璃升降系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)力：

F堵轉(zhuǎn)力=245N

所以：375 Nη=245N

η=0.65

玻璃勻速上升過(guò)程：

F阻力= F玻璃=125η=125*0.65=81.25N

即：玻璃上升的泥槽和水切阻滯力最優(yōu)設(shè)計(jì)為81.25N。本車型玻璃面積0.345m2（設(shè)計(jì)數(shù)模測(cè)量），玻璃厚度3.5mm，密度2500Kg/m3，可計(jì)算玻璃重力

G=m*g=0.345*2500*3.5*10-3*10=30N

玻璃上升過(guò)程，泥槽、水切摩擦力阻力f = F-G* sinθ

在玻璃升降器系統(tǒng)上作輔助直線，測(cè)量θ=76°

sin76°=0.97

因此：f=F-G*sinθ=81.25–30*sin76°=81.25-30*0.97=52.15N

即玻璃上升時(shí)受到水切和泥槽的摩擦力為52.15N。

根據(jù)該摩擦力值可設(shè)計(jì)泥槽的壓荷、動(dòng)摩擦系數(shù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)泥槽壓荷斷面。

4 玻璃防夾要求[3]

車窗防夾的定義是在車窗上升期間，如果遇到障礙物，會(huì)自動(dòng)退下去。在國(guó)標(biāo)里有具體的參數(shù)要求：車窗的防夾范圍和防夾力。防夾系統(tǒng)必須在車窗玻璃敞露邊角與車窗密封條之間采光口的 4mm-200mm 范圍內(nèi)正常工作，以滿足前述法規(guī)要求。防夾系統(tǒng)限制車窗玻璃產(chǎn)生的防夾力，不得超出100N。

5 玻璃升降防夾原理[4]

常見(jiàn)玻璃升降器防夾分為霍爾防夾和紋波防夾，（a）對(duì)于霍爾防夾，通過(guò)霍爾元件產(chǎn)生的波形，根據(jù)波形脈沖的相位即可判斷出電機(jī)的運(yùn)行方向。

在操控上升下降過(guò)程中，最頂端脈沖數(shù)為零且計(jì)數(shù)從零開(kāi)始，上升過(guò)程中根據(jù)當(dāng)前的計(jì)數(shù)值減計(jì)數(shù)，下降過(guò)程中根據(jù)當(dāng)前的計(jì)數(shù)值加計(jì)數(shù)。因此，通過(guò)霍爾傳感器的脈沖輸出及計(jì)數(shù)方向可實(shí)時(shí)確定車窗的當(dāng)前位置，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定是否在防夾區(qū)域內(nèi)。

操作玻璃車窗上升時(shí)，同時(shí)檢測(cè)電機(jī)電流值和霍爾脈沖周期，在電機(jī)達(dá)到防夾閾值時(shí)，若霍爾脈沖周期急劇增大且50ms，即可判斷上升到頂。在防夾區(qū)域是，電流增大，脈沖寬度不斷增大，判斷遇阻夾住東西，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

（b）對(duì)于紋波防夾，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)流過(guò)碳刷時(shí)的電流產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)通過(guò)紋波信號(hào)采集，調(diào)理轉(zhuǎn)化成方波，波形與霍爾防夾相同，不同之處在于方波周期。防夾原理同霍爾防夾，即檢測(cè)電流大小和方波個(gè)數(shù)，判斷玻璃升降力值和位置。

6 頂部窗框鈑金受力分析

玻璃上升到頂部尼槽時(shí)，已離開(kāi)防夾區(qū)域，不受防夾堵轉(zhuǎn)力最大100N的限制，而且玻璃需與泥槽在頂部密封，需要玻璃頂住泥槽較大的力值才停止運(yùn)動(dòng)。

本論文選擇的電機(jī)無(wú)防夾堵轉(zhuǎn)力值245N，即為對(duì)窗框頂部鈑金的堵轉(zhuǎn)力值。

對(duì)窗框鈑金進(jìn)行CAE受力分析，施加245N作用力。

CAE有限元分析如下圖3。

窗框鈑金材料為寶鋼HC300，整體式車門(mén)窗框，內(nèi)板一體沖壓成型，初始設(shè)計(jì)料厚0.7mm。由上圖3CAE分析，可以看出窗框上部最大變形量2.856mm，變形量較大，而且裝配在內(nèi)板上的泥槽由于鈑金的變形而向上翻轉(zhuǎn)，影響泥槽外觀。

7 解決措施研究

（1）增加車門(mén)內(nèi)鈑金壁厚，由0.7mm更改為0.8mm。

再次做CAE仿真分析，窗框上部最大變形量由2.86mm下降到2.63mm，下降量0.23mm，下降率8%，變形量降低效果不是太大。如下圖4所示。

（2）在變形處增加沉臺(tái)，增加鈑金強(qiáng)度和反變形。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，沉臺(tái)寬度40mm，深度2mm，位置距端部80mm，可以有效解決該問(wèn)題，但是，在鈑金上沖壓沉臺(tái)是鈑金沖壓第一道序，如果在第一道序增加沉臺(tái)，涉及到后續(xù)所有工序模具的更改，修模費(fèi)用高，可做臨時(shí)方案，手工用工裝增加沉臺(tái)。

（3）在上升到頂時(shí)，通過(guò)電流的脈沖的變化率，將最大力值限制在200N，可以完美的解決該問(wèn)題，但由于需要重新標(biāo)定，費(fèi)用和周期都很長(zhǎng)，可作為新車型開(kāi)發(fā)實(shí)施方案。

（4）在玻璃升降上增加一個(gè)限力裝置

根據(jù)玻璃升降器的行程及玻璃頂住泥槽頂部膠條，確定玻璃升降器上的限位位置。

（5）限位結(jié)構(gòu)用剛性材料焊接或鉚接在玻璃升降器導(dǎo)軌上，經(jīng)過(guò)制作零部件裝車，做淋雨試驗(yàn)，部分試驗(yàn)車玻璃內(nèi)側(cè)會(huì)漏水。原因分析，玻璃升降器、限位位置以及安裝玻璃升降器的安裝孔、鈑金頂部翻邊都存在制造偏差，活動(dòng)塊升到玻璃升降器限位處，存在限位過(guò)高或過(guò)低的問(wèn)題，如果限位過(guò)高，玻璃對(duì)門(mén)框鈑金頂升力過(guò)大，問(wèn)題解決效果不明顯，過(guò)低，則玻璃接觸不到窗框鈑金泥槽底部，出現(xiàn)玻璃與泥槽密封不嚴(yán)，漏水風(fēng)險(xiǎn)。

（6）限位結(jié)構(gòu)用有一定硬度的彈性材料制作，在計(jì)算好的理論限位位置，玻璃升降器導(dǎo)軌上沖壓一個(gè)安裝孔，制作橡膠限位塊，中間空心，限位塊套在限位柱上，然后鉚接在導(dǎo)軌沖壓安裝孔上。如下圖5所示。

制作上述樣件，裝配上車門(mén)，通過(guò)調(diào)試橡膠塊硬度和限位擋點(diǎn)位置，能解決玻璃升降器頂升力過(guò)大問(wèn)題，而且不存在漏水，橡膠件彈性可以吸收制造過(guò)程的零部件尺寸公差。

8 橡膠限位玻璃升降器耐久試驗(yàn)

玻璃升降器橡膠限位存在被玻璃升降器活動(dòng)塊撞擊出現(xiàn)破損風(fēng)險(xiǎn)，因此，對(duì)其進(jìn)行玻璃升降耐久試驗(yàn)，要求2萬(wàn)次。在做完2萬(wàn)次試驗(yàn)后：玻璃升降器限位柱由于玻璃升降器活動(dòng)塊不斷的向上沖擊，造成向上偏1mm，橡膠塊基本無(wú)破損，滿足功能要求。試驗(yàn)后如下圖6所示。

9 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)玻璃升降系統(tǒng)受力分析，介紹防夾原理，提出防夾區(qū)域外即玻璃上升到泥槽頂部玻璃堵轉(zhuǎn)力大的問(wèn)題解決方案。

對(duì)于在玻璃升降器上增加限位，本人做了專門(mén)的研究分析和試驗(yàn)，確定在玻璃升降器上增加橡膠限位的可行性，值得同行借鑒。

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