汽车玻璃升降器系统设计

学校代码：_ 学 号：_ 论文题目：汽车玻璃升降器系统设计学位类别： 学科专业： 学生姓名： 导师姓名： 完成时间： 汽车玻璃升降器系统设计中 文 摘 要在汽车开闭件系统里，玻璃升降系统极为关键，是其中一个不可或缺的部分，其所起到的作用是可以让车门钣金中运行的玻璃保持平稳，同时还能确保玻璃可以停留于车窗中的某个高度。本次论文讨论了在汽车研发过程中，就车门系统而言有关叉臂式玻璃升降器的设计要求D和布置的条件。驱动电机的正向和反向运转带动主动臂和从动臂上下运动，从而实现车窗玻璃的开启和关闭。玻璃升降器的类型很多，应用比较多的玻璃升降器中，划分了2个类型，即绳轮式、叉臂式，而升降器的类型更多，比如柔式、软轴式等多种。就比式升降器来说还包含单臂式、双臂式、和交叉臂式玻璃升降器。绳轮式多用于大弧度的玻璃曲面。玻璃升降器驱动分手动和电动两种驱动方式，现如今电动驱动已经逐渐替代了手动驱动，一般常见的面包车卡车大多还是用手动方式。关键词：开闭件；交叉臂式；电动驱动；AbstractGlass lifting system is open and close car accessories to decorate one of the important composition, it provides the glass in the door of the sheet metal moves up and down smooth running conditions, and can make the glass in the frame height at any place to stay.In the process of automobile research and development, this paper discussed in terms of the door system on the fork arm type glass riser design requirements and the conditions of the arrangement.Forward and reverse operation of the driven motor drive the driving arm and driven arm up and down movement, so as to realize the opening and closing of the window glass.Glass, levelers many types of common glass elevator mainly has the fork arm type and rope wheel in two forms, a flexible shaft type, soft type, belt type glass elevator.For than type elevator also contains a single arm type, arms, and cross arm type glass elevator.Rope wheel for big radian of the glass surface.Glass elevator drive and electric drive mode, break up gradually replaced manual drive, electric drive has generally most common van truck or a manual way.Keyword：closures；The fork arm type；dynamic drive。ABSTRACT3第一章 绪论141.1 玻璃升降器的国内外现状141.1.1 国外汽车玻璃升降器的发展141.1.2 我国汽车玻璃升降器的发展151.2选题的目的和意义161.3 本章小结17第二章 汽车玻璃升降器结构特点182.1 汽车玻璃升降器分类182.2 汽车玻璃升降器结构特点182.2.1手动玻璃升降器结构特点182.2.2 电动玻璃升降器结构特点192.2.3单臂式玻璃升降器结构特点202.2.4交叉臂式玻璃升降器结构特点202.2.5 平行臂式玻璃升降器结构特点212.2.6柔式玻璃升降器结构特点222.2.7绳轮式玻璃升降器结构特点222.2.8 带式玻璃升降器结构特点232.2.9软轴式玻璃升降器结构特点24第三章 汽车玻璃升降器受力分析及运动分析253.1 机构的运动简图253.2 受力分析253.2.1运动过程的简化假设253.2.2玻璃升降器的安装位置263.2.3玻璃托架的受力分析273.2.4从动臂的受力分析283.2.5主动臂的受力分析293.2.6小齿轮的受力分析293.3 运动分析303.3.1滑块的轨迹方程及速度303.3.2玻璃托架轨迹方程及速度313.4 导向槽板及玻璃托架的内槽长设计要求313.5 本章小结32第四章 玻璃升降器的设计334.1 玻璃升降器的设计流程334.2 玻璃升降器设计的输入条件334.3 玻璃升降器的形式选择334.4 两种常见的玻璃升降器的设计35表4.1 两类常见玻璃升降器结构对比354.5 交叉臂式玻璃升降器设计要点354.5.1 确定玻璃升降器的最高位置354.5.2 确定玻璃升降器的最低位置354.5.3 确定电机支架安装平面364.5.4 确定玻璃升降器厚度364.5.5 升降器挠度布置374.5.6 确定玻璃升降器中位线位置384.5.7 确定玻璃升降器的大小384.5.8 确定升降臂和平衡臂的比例关系384.5.9 确定升降器支撑中心区与玻璃质心线394.5.10 确定滑轮位置404.5.11 电机布置尽可能靠前端，减小关门时惯性力矩。404.5.12 升降器与玻璃受力分析404.5.13 升降器传动比的选取424.5.14 大、小齿轮的设计434.5.15 平衡弹簧设计计算43第四章 车门玻璃升降系统设计校核和性能验算454.1 总布置校核454.2 空间校核454.3 玻璃运动分析校核454.4 玻璃升降器电机功率验算464.5 玻璃升降器升降速度验算464.6 汽车玻璃升降器的基本要求47第五章 结束语495.1总结495.2展望49致谢51第一章 绪论1.1 玻璃升降器的国内外现状 汽车玻璃升降器是指按一定的驱动方式将汽车车窗玻璃沿玻璃导槽升起或下降, 并能停留在任意位置的装置。考虑到一些特殊的玻璃调整装置 (如某些轿车可调开度的三角窗玻璃、太阳顶窗等),在国外汽车行业的有关技术资料中，玻璃升降器的用词为Window Regulator,其意为玻璃调整器，称其为玻璃调整器似乎更为确切。由于玻璃的位置调整多为上下运动,故我们通常称之为玻璃升降器。1.1.1 国外汽车玻璃升降器的发展玻璃升降器的发展，是跟随着汽车工业的发展而发展。最开始，人们只是通过力手动来操纵玻璃的开闭。后来，随着电气工业的发展，从高档豪华车开始，渐渐开采用电子来操控玻璃的关闭。手动升降器是通过人力施加一个扭矩给升降器的手柄，而带动升降器工作，以达到玻璃升降的功能，这种升降器结构，因零件简单，成本低而被广泛采用。而电动升降器则不同，只要轻轻按住升降器的控制开关，接通电机的流，电机就可以带动升降器工作，从而自动实现玻璃升降的功能。这种结构增加一个电机，成本相应增加了很多。在汽车追求舒适便捷的今天，这种结构逐渐被推广，渐渐的代了手动升降器。 八十年代以后，在新技术的推动下，电动玻璃升降器的发展更是突飞猛进。在技术上，表现在电机技术、电子控制系统、传动结构几个方面。在电机技术改进上，由于许多新电磁材料的运用，电机体积较以前大大减小，效率大为提高，而功率基本不变。同时，一些电子元件也运用于电机上，增加了对电机过压、过流、过热的保护，使电机的可靠性增加，在电机生产上，由于采用了柔性制造技术，从而满足了小批量多品种的市场需求。 在电子控制系统应用方面，为了提高乘车的安全性和舒适性，开始出现增加了电子控制模块的智能型电动玻璃升降器。智能型电动玻璃升降器，既能保持升降器具有足够的动力，又可以消除在运行过程中头手不小心被夹住的危险。2。 在传动结构的改进上，主要是围绕增加系统运行的平稳性、减小系统运行的摩擦等进行了创新。在绳轮式玻璃升降器方面，电机与机械的接口利用类似离合器的结构，如德国Kichert申请有关行星齿轮传动的专利，提出了电机电源结构切断时，仍可用手柄摇动，提高了电动玻璃升降器的可靠性。在臂式玻璃升降器方面，最先出现的是单臂式玻璃升降器。单臂式玻璃升降器的结构特点是只有一个升降臂, 结构最简单。但是单臂式只有一点支撑玻璃，支撑点与玻璃质心相对位置在升降时变化较大，会使玻璃歪斜、卡滞,影响与玻璃导槽的正常配合，升降不平稳，故使用不很普遍。主要使用于车门窗框上具有平行的玻璃导槽上。如我国的BJ1040、NJ130、CA1090 等车型, 日本丰田及五十铃系列轻型货车前门等采用单臂式玻璃升降器。 接着出现了平行双臂式玻璃升降器。平行双臂式玻璃升降器结构相对比较简单、紧凑,其 T 形连杆在工作过程中始终保持水平状态，能够较好的支撑玻璃。但由于支承宽度较小, 工作载荷变化较大, 因而运动平稳性不如交叉双臂式,这种结构应用也不多。使用平行臂式玻璃升降器的车型有东风 EQ1090 载货车、标致 504等。最后才出现了交叉双臂式玻璃升降器。交叉双臂式玻璃升降器是由两交叉臂端部支撑玻璃的。在运动过程中，支撑中心始终接近玻璃质心，支承宽度较大，因此升降较为平稳，被普遍采用。这种结构可以用于车门窗框上具有非平行的玻璃导槽上的玻璃升降。采用交叉臂式玻璃升降器的车型比较多, 有SC1010、BJ1041Q、NJ1061、SXZ1035W、EQ1141G、金杯轻型客车, 日本丰田、五十铃轻型货车, 三菱轻型客车等。 1.1.2 我国汽车玻璃升降器的发展 随着汽车产业的不断发展，也带动了汽车零部件产业的发展，特别是汽车玻璃降器产业的不断发展。汽车配件行业净利润率很高，比整车企业还要高出2%3%。因此可以说汽车和零部件行业是很有发展潜力的行业。在全世界，汽车行业的产品占世界贸易总额十分之一，但在中国，汽车类产品出口额仅占总体出口额的1.5%，占全行业销售额的1%，在中国机电产品中是排在最后的。随着汽车产业的迅速发展，这为汽车升降器市场提供了一个较大的发展空间，在新车生产中用电动升降器替代目前的手动升降器成为趋势，中高档智能升降器的发展前景广阔。目前国内的汽车升降器发展前景看好，但外资、合资企业实力雄厚，并不断加大投资力度，本土升降器企业面临着巨大冲击2。我国 1981 年开始推行载重汽车用玻璃升降器技术条件标准，在此基础上，根据汽车玻璃升降器在我国的制造、使用和检测情况，同时参照国际上更为先进的技术标准和数据，修定并在 1991 年颁布、实施了汽车行业标准汽车用玻璃升降器试验方法 QC/T29026 和汽车用玻璃升降器技术条件QC/T29027，标准详细规定了汽车玻璃升降器的基本性能及测试方法。由于当前我国使用的主要为臂式升降器，其它类型特别是柔式升降器的相关技术标准和资料数据还不充足，故上述标准还只是适用于臂式升降器，其它 类型升降器仅可作为参照来执行。臂式升降器有着制造工艺简单，成本低的特点，目前国内 80%左右的车门玻璃升降器选择了采用臂式升降器。2014 年，国家工业和信息化部在综合分析国外汽车相关的最新技术标准的基础上，同时考虑国内汽车电动玻璃升降器的现状，特点，进一步提高、完善并制定、发布了电动玻璃升降器的行业标准汽车电动玻璃升降器 QC/T636-2014，该标准基本代表了国内电动玻璃升降器发展的技术水平。 有了这些基础性的标准来规范市场，我国的玻璃升降器行业也快速成长起来了1993年，上海实业交通电器有限公司和张家港星港电子有限公司开发的电动玻璃升降器，按照德国大众的供货技术条件，经过严格的型式试验、材料试验和6万km夏季及冬季道路试验，都通过了上海大众的认可并批量供货。该电动玻璃升降器为绳轮式结构，采用了密封电动机拖动，基本达到了国外80年代中期水平。 1999年,上海博泽汽车部件有限公司开发的PASSAT B5 轿车门板系统经过严格的认可程序, 通过了上海大众的国产化认可并批量供货。该门板系统不但接受了国际流行的系统供货观念，而且具有电动玻璃升降器驱动安全控制电子模块。2000年，上海实业交通电器有限公司自行开发的BUICK CENTURY 和REGAL 的电动玻璃升降器，按国外90年代末期的技术标准，经过严格的认可程序，通过了美国GM公司的认可并批量供货5。1.2选题的目的和意义 汽车玻璃升降器是实现汽车开窗与关窗功能的一个重要部件，它是汽车驾驶员或乘员每天都使用，而且使用频次最多的零件之一。无论是从整车，还是从附件方面来说，也都是售后故障率较高的零部件之一，是顾客投诉的焦点。从设计阶段上提高升降器质量水平，减少顾客投诉，有助于提升顾客对汽车品牌质量认可。随着工业制造水平的不断进步，升降器各厂家制造技术水平距离不断缩小，升降器本身质量水平的差异主要体现在先期与车门的布置匹配和升降器本身细节设计上。因此，合理的升降器布置和结构设计，升降器才能有可靠稳定的质量表现。现代社会，人们越来越注重汽车的舒适性、安全性和耐用性，人们的活动范围不断扩大，社交日益频繁，车辆已不仅是代步工具，同时也是人们工作、学习、生活的空间,有时更甚为身份、地位的标志。汽车车门玻璃升降器几乎是车身附件中利用率最高的一种功能部件，乘客或驾驶人员在车内各种活动的质量直接受到该件操作方便与否以及是否可靠运行的影响，门玻璃升降器又是一种运动件，相配合的零部件很多，影响到升降效果的因素多且情况复杂，因此，对车门玻璃升降系统研究探讨就有相当重要的工程实际意义。1.3 本章小结论述本论文研究的目的及意义，阐述了工程应用价值，对本论文研究的相关技术领域的现状进行了综合分析，并介绍了论文的主要内容和结构。第二章 汽车玻璃升降器结构特点2.1 汽车玻璃升降器分类依照升降器传动结构的不同，玻璃升降器可划分为 3种结构：臂式玻璃升降器、柔式玻璃升降器、丝杠式玻璃升降器；其中臂式玻璃升降器可分为单臂式和双臂式，双臂式又可细分为交叉臂式升降器和平行臂式升降器；柔式玻璃升降器可分为绳轮式升降器、带式升降器和软轴式升降器。按照操作方式的不同，玻璃升降器又可分为手动式玻璃升降器、电动式玻璃升降器和液动式玻璃升降器。一般情况下，电动升降器叉臂式在玻璃圆弧度较大的面包车、载货汽车和中低档轿车中运用较广，绳轮式电动玻璃升降器适用于各种圆弧度的玻璃的车门，但其安装空间需求较大，目前主要应用在玻璃圆弧度较小的中高档轿车和高档面包车上，而软轴式电动升降器也适合各种圆弧度玻璃的车辆，但由于工作噪音较大，目前还主要被圆弧度玻璃适中的中低档轿车和面包车使用。 2.2 汽车玻璃升降器结构特点2.2.1手动玻璃升降器结构特点手动玻璃升降器顾名思义就是以人力为动力的玻璃升降器。手动升降器一般都按装有手动摇柄，汽车乘员通过转动手动摇柄来驱动升降器的传动机构，最后通过玻璃升降机构实现玻璃上下升降。和电动升降器相比，手动升降器只是少了电动机，而结构却和一般电动升降器基本一致。图2.1手动玻璃升降器示意图2.2.2 电动玻璃升降器结构特点电动玻璃升降器则是采用了电动机为动力源，通过电动机驱动玻璃升降器的传动机构，最终实现玻璃的上下升降。和手动玻璃升降器相比，其结构更为复杂、重量也较大、成本较高，且因为有电动机以及相关控制机构，其可靠性也要比手动玻璃升降器低。但其便利性和舒适性要比手动玻璃升降器要好的多。图2.2 电动玻璃升降器示意图采用电动玻璃升降的车型，在汽车侧门内板上（部分车型在中央扶手处）都安装有电动玻璃升降器的控制开关。如需升降车窗玻璃，仅需按一下控制开关即可，极大改善了操作的便利性。而随着科技的发展，现在电动玻璃升降器又开发出了一键升降功能和防夹功能。臂式玻璃升降器的传动机构为齿轮齿板啮合传动, 除齿轮外其主要构件均为板式结构, 加工方便, 成本低, 在目前国内车辆上使用较为普遍。但由于其采用悬臂式支承结构及齿轮齿板机构, 故工作阻力较大。臂式玻璃升降器又分为单臂式和双臂式两种。2.2.3单臂式玻璃升降器结构特点主要由电机，扇形齿板，升降悬臂及平衡弹簧组成。工作原理：扇形齿板利用驱动电机的棘轮进行转动，从而带动悬臂运动，使玻璃沿导轨作上下移动。优点：除齿轮外其主要构件均为板式结构, 加工方便, 成本低。缺点： 1、由于其采用悬臂式支承结构及 齿轮齿板机构, 故工作阻力较大。 2、由于升降臂承点与玻璃质心之间的相对位置经常变化,玻璃升降时容易产生倾斜、卡滞。图2.3 单臂式玻璃升降器示意图2.2.4交叉臂式玻璃升降器结构特点其一般由电机、主臂、副臂、主导轨、副导轨以及基板，扇形齿轮，平衡弹簧等组成。其工作原理是：电机通过减速结构带动扇形齿轮旋转。扇形齿轮再带动主臂旋转，而副臂则绕着主臂和副臂上的连接轴旋转，其下端沿着固定的副导轨直线运动，上端则和主臂反向沿着主导轨直线运动，从而使主导轨上下移动。图2.4 交叉臂式玻璃升降器示意图优点： 1、强度高,总体刚度好，加工方便。 2、对玻璃支撑区域宽，玻璃上升、下降过程中稳定性好； 3、手动式的“平衡弹簧”可以有效控制升降过程中人手摇的手感。上升过程中，“平 衡弹簧”释放力，缓解人手用力；下降过程，“平衡弹簧”储存力，不至于使玻璃下降太快而出现不平稳。缺点： 1、运行中受到侧面因玻璃弧度引起交叉臂变形而产生的应力增加了运行阻力。 2、较其它型的电动玻璃升降器重量大。2.2.5 平行臂式玻璃升降器结构特点平行臂式玻璃升降器的两个臂是平行的，其一般由主动臂、从动臂、底板、滑动支架和电机等组成。工作原理：同交叉臂式。优点： 平行臂式玻璃升降器结构相对比较简单、紧凑。缺点： 支撑宽度比较小，工作载荷较大，故稳运动平稳性不如交叉臂式玻璃升降器，现在车型也很少使用此种结构的玻璃升降器。图2.5 平行臂式玻璃升降器示意图2.2.6柔式玻璃升降器结构特点柔式玻璃升降器的传动机构为齿轮软轴啮合传动, 具有“柔式”的特点, 故其设置、安装都比较灵活方便, 结构设计也比较简捷,且自身结构紧凑, 所占空间小，易于安装布置，且总体质量轻。此外。由于提升轴提升力作用线的相对位置是固定的, 可保证与玻璃质心的运动轨迹始终重合(或平行) ,故能很好的保证玻璃平稳移动。不足在于其成本较高，且钢丝绳易磨损。2.2.7绳轮式玻璃升降器结构特点主要由摇窗电机、绳索部件、卷丝筒、调整弹簧、支架机构、滑动支座等组成。工作原理：当摇窗电机作顺时针或逆时针旋转时，电机输出轴经蜗轮蜗杆减速带动卷丝筒正反向旋转。卷丝筒又带动与钢丝相联的滑动支座，使滑动支座沿着支架机构中的导槽作上下运动，而滑动支座上固定着门窗玻璃，从而使玻璃上升或下降。图2.6 绳轮式玻璃升降器示意图优点： 1、运行时噪声低，主要元件是塑料件，占用金属少、质量轻，对减 轻车门质量和车门铰链负担有利。 2、单轨式结构简单,体积紧凑，成本低，安装位置可调整。 3、双轨式绳轮升降器有两根相互平行的导轨，导向性更好。缺点： 1、单导轨式支撑玻璃区域窄，玻璃上升、下降时若两侧受力相差过大玻璃扭转与两侧导轨的摩擦力大增会被卡住。 2、钢丝绳绕线复杂，若松动则容易相互缠绕脱轨而失效，钢丝绳如果润滑不好与导轨摩擦会增大，绷断几率很高。 3、由于没法安装玻璃上升、下降过程蓄能装置“平衡弹簧”，手动绳轮升降器转动手柄上升用力很大，而下降时玻璃下降太快手柄用力小，手感很差。2.2.8 带式玻璃升降器结构特点该升降器通过小齿轮与穿孔带啮合实现玻璃升降器的运动。该升降器运动软轴采用塑料穿孔带, 其它零件亦多采用塑料制品, 从而大大减轻了升降器总成的自身质量。其传动机构中均涂以润滑脂, 使用过程中无须维护保养, 运动平稳。摇把手柄的位置可自由布置, 设计、安装和调整都很方便, 其耐久性试验可达25000次。图2.7 带式玻璃升降器示意图2.2.9软轴式玻璃升降器结构特点该玻璃升降器软轴主体是由钢丝绕成的弹簧, 弹簧内圆穿有多股钢丝绳, 在钢丝绳上缠绕高出表面2 mm 的羊毛, 并涂以润滑脂, 以降低齿轮与弹簧啮合时的摩擦力。在弹簧外圈上套有导向管, 以保证弹簧式软轴的运动轨迹和运动顺畅。该升降器的特点是工作可靠性好, 运动平稳, 工作噪音小, 使用寿命长, 但制作技术比其它柔式升降器要求高, 需要专门的工艺设备。图2.8 软轴式玻璃升降器示意图第三章 汽车玻璃升降器受力分析及运动分析3.1 机构的运动简图 交叉臂式玻璃升降器的机构运动简图如图 3.1 所示: 图 3.1 机构运动简图本系统有 7 个可动构件，9 个低副分别为 6 个铰链的转动副和 3 个滑块的移动副，高副为齿轮传动。所以机构的自由度11： （3.1）其中 AB 杆的水平移动，为局部自由度, 不影响整个机构的升降运动。对于客车和货车而言，广泛使用矩形车窗，该局部自由度不是必需的。但是对于轿车车窗而言，广泛使用斜导槽，这个局部自由度用于玻璃水平方向的移动。这样，玻璃运动是竖直方向和前后方向的合成运动，即沿斜导槽运动。 3.2 受力分析受力分析的目的是得到负载的变化的规律。3.2.1运动过程的简化假设当玻璃上升时,作如下假设: 1) 设玻璃重力为 ，玻璃与前玻璃导槽的摩擦力为，与后玻璃导槽的摩擦力为 ，与水平夹条的摩擦力为，由于和关于玻璃中线对称，和本身关于玻璃中线对称，根据力的平移定理可知：可以将以上四项力之和等效为作用于玻璃托架上的集中力 G,即: （3.2） 玻璃自重在上升时为阻力，在下降时却成为动力，故下降时的集中力： （3.3） 安装时，要保证（具体做法见下面玻璃升降器的安装位置）等效集中力 G 和G 的作用线在运动过程中保持在铰链中心 C 附近。 2) 设 ,，主动臂与 x 轴正方向的夹角为。 3) 设平衡弹簧的特性曲线是线性变化的，作用于铰链中心 E 的平衡弹簧的扭矩为，则： （3.4）其中为平衡弹簧的扭转刚度，为平衡弹簧的扭转角，s 和 t 为常系数。3.2.2玻璃升降器的安装位置 为了保证玻璃升降器升降平稳，安装时，在高度方向的定位上，要保证玻璃升降器上、下对称布置，从而确保主动臂最大转角最小，如图 2.13 所示；在宽度方向的定位上，要保证等效集中力 G 或G（下降时的等效集中力）的作用线在运动过程中保持在铰链中心 C 附近。 在宽度方向定位的具体做法：铰链中心 C 在运动过程中的曲线是一个圆弧，玻璃升降器在上、下止点和玻璃升降器运动到主、从动臂重合成一条线时，分别对应铰链中心 C 在宽度方向的两个边界点 J、K 点。矩形玻璃在运动过程中等效集中力 G 或G 的作用线保持不变，当主、从动臂重合成一条线时，让等效集中力 G或G 的作用线通过 J、K 点的中点 H ，即可保证玻璃升降器升降运动中最大限度的平稳。如图 2.12 所示，其中 角为主动臂与 x 轴正方向的任意夹角，义角从x 轴正方向逆时针转动为正, 顺时针转动为负。角为从水平位置转到上、下止点的最大转角。 图 3.2 玻璃升降器宽度方向的定位铰链中心 C 与等效集中力作用线的水平位移为 S.即： （3.5） 3.2.3玻璃托架的受力分析 以图 2.12 所示的主动臂与 x 轴正方向的夹角为 时的位置为例，进行受力分析。 图 3.3 玻璃托架的受力分析设等效集中力为 G 牛顿，由于构件间摩擦力较小，构件较轻，运动较平缓。故以下的分析忽略图 2.7 中所有运动副中摩擦力、构件自重及惯性力。结合图 2.13可以得出： （3.6）当铰链中心 C 运动到等效集中力的作用线左侧时，点T在点 H 的左侧，S 为负；运动到等效集中力的作用线右侧时，点T在点 H 的右侧，S 为正。 如图 2.13 所示，对 A 点取矩得： （3.7）3.2.4从动臂的受力分析图 3.4 从动臂受力分析由于从动臂的两端都是滑块，可以确定它的受力方向仅在竖直方向。对滑块 B受力分析可以得出：与大小相等，方向相反。 由图 2.12，对铰链中心 C 取矩得： （3.8） （3.9） 3.2.5主动臂的受力分析如图 2.13 所示，62F 与26F 大小相等，方向相反；对滑块 A 受力分析可以得出：32F 与34F 大小相等，方向相反。图 3.5 主动臂的受力分析对于标准齿轮传动而言，FEH 等于压力角，故FEH = 20 ，对铰链中心 E 取矩得： （3.10）3.2.6小齿轮的受力分析图 3.6 小齿轮所受的力上升时小齿轮所受的力见图 2.12，21F 的方向与12F 相反，大小为： （3.11）下降时小齿轮所受的力方向与图示相反，大小为： （3.12）因压力角为20 ，故上升时减速电机的载荷扭矩为， （3.13）下降时的减速电机上的载荷扭矩为： （3.14）可见，传递到减速电机上的载荷的变化规律是余弦函数和线性函数的叠加。3.3 运动分析运动分析的目的是得到玻璃运动的规律，并验证其运动规律是否满足标准的要求。 3.3.1滑块的轨迹方程及速度 由图 2.7 可得： （3.15）滑块 A、B 的轨迹方程如下： （3.16）滑块 A、B 的速度如下： （3.16）3.3.2玻璃托架轨迹方程及速度 由于是矩形车窗，玻璃托架在 x 轴方向的位移为 0，做平动。玻璃托架上的任一点的运动都可代表玻璃托架的运动。现以玻璃托架质心的运动来代表玻璃托架的运动。其轨迹方程及速度为： （3.17）3.4 导向槽板及玻璃托架的内槽长设计要求如图2.13所示，设玻璃升降器从最低点开始运动，到水平位置时行程为a，转过 角；从水平位置到最高点的行程也为a，再转过 角，a的大小取决于车门内的安装尺寸。则： （3.18）可见，齿扇最小角度为： （3.19）导向槽板内槽长最小值为： （3.20）玻璃托架内两个槽长的最小值为: （3.21）当车门确定时，制造的玻璃升降器构件的特征尺寸如小于以上最小值将出现运动干涉或不能实现预期的运动。图 3.7 交叉臂式玻璃升降器的运动示意图3.5 本章小结第四章 玻璃升降器的设计4.1 玻璃升降器的设计流程4.2 玻璃升降器设计的输入条件玻璃升降器设计的输入条件包括车门窗框结构形式,玻璃大面,玻璃形状,玻璃导轨和上下止点位置等。4.3 玻璃升降器的形式选择图4.1是车门纵向剖面(从车头往车尾看)示意图。其中，玻璃实际运行轨迹面是指玻璃在前、后侧玻璃导槽和门框胶条槽内上、下滑动形成的轨迹；升降器上止点是指玻璃上升到门框顶点时玻璃导槽的位置，反之为对应的下止点；升降器上止点到下止点的距离称为升降器总行程，刚好是车门框高度。一般大型货车(客车)玻璃实际运行轨迹的圆弧半径或曲率半径 在3000-4000mm之间，微型客车在20003000mm之间，轿车一般在1500-2300mm之间，一些跑车、造型特别的概念车可能会小于1500mm；门框高度日一般说来货车微型车轿车，在350-600mm之间。图4.1 车门纵向剖面玻璃运行轨迹示意当玻璃托槽跟随玻璃由上止点运行到下止点时，在X方向上发生的最大总变形量称为总挠度B，B值对升降器的运行阻力、弹性变形以及耐久性有重要影响，B值太小玻璃与腰线密封胶条的压力值小，密封不好；B值太大升降器变形大，玻璃与胶条摩擦力大，容易发生永久性变形。考虑到升降器本身允许的最大弹性变形以及车门的密封需要，B值根据车型大小一般在8-18mm之间。大尺寸的升降器B值可以取大一些，小尺寸的升降器B值可以取小一些。B值在8-14mm之间时选用适应变形能力一般的交叉臂式升降器；而B值在l4-18mm之间时选择适合变形更大的绳轮式升降器；当B值大于18mm时，绳轮式升降器钢丝布置与导轨圆弧发生的干涉量过大，钢丝绳容易与导轨圆弧发生强力摩擦而损坏，需要选择其他不常用类型的升降器。因此，应尽量避免将车窗玻璃轨迹线的圆弧半径设计的过小，导致B值过大而给升降器布置设计造成困难。4.4 两种常见的玻璃升降器的设计 表4.1 两类常见玻璃升降器结构对比4.5 交叉臂式玻璃升降器设计要点4.5.1 确定玻璃升降器的最高位置当玻璃处于最高位置时，玻璃下端距水切口上端的距离大于50MM，玻璃夹持器处于水平位置。4.5.2 确定玻璃升降器的最低位置对前门玻璃升降器而言，由玻璃的高度确定玻璃升降器的工作行程，根据玻璃升降器的最高位置和升降行程定义玻璃升降器导轨的最低位置，玻璃上端高出水切口上端0-2mm之间。对后门玻璃升降器而言，当玻璃下降到最低位置时，玻璃下端与门里板下框之间的最小距离值应大于15mm来确定玻璃的最低位置，同时玻璃上端高出水切应小于150mm，通常在120mm为佳。图4.2 玻璃升降器处于最低位置时示意图4.5.3 确定电机支架安装平面升降器安装基准面是指固定升降器的车门内板平面，一般包括固定座板（图示点A）和固定滚轮滑槽的两处平面（图示点B），通常为了模具制造、测量方便等原因把这两处设计在同一平面内；通过确定的上下止位，找到上下止位上玻璃与升降器的固定点，由这四个点拟合成一个平面，电机支架的安装平面即由该平面偏置获得，偏置距离由升降器机构决定。图4.3 玻璃升降器安装点示意图4.5.4 确定玻璃升降器厚度是指升降器安装基准面到升降器理想运行平面之间的平行距离； 升降器厚度的取值主要依照两个原则：a、确保升降器支撑玻璃的距离不因过长而导致升降器所受扭矩过大，发生大的变形；b、升降器安装平面不影响其他功能件比如门锁、门限器等零件的布置。因此给出升降器厚度的一般经验值是3045 mm之间。不推荐取太大值，否则升降器机构强度会降低。图4.4 升降器厚度选取示意图4.5.5 升降器挠度布置升降器理想工作平面是指没装玻璃的状态下升降器玻璃导槽在完全自由时上下滑动经过的轨迹平面；装上玻璃后，玻璃停在任意位置导槽会被玻璃挤压或拉伸而离开升降器理想工作平面一段距离，这段距离称为升降器的运行挠度。把玻璃实际运行轨迹分割成3段，总挠度也被分成B1、B2及B3三处挠度。玻璃处于门框顶部(即闭合状态)时升降器玻璃托槽被玻璃往车内压迫，若B1大一些玻璃托槽可以产生较大的反作用力向车外(X方向)推玻璃向腰部密封胶条挤压，对车门玻璃的密封和降低零件相互振动噪声有利，但B1太大会对升降器正常运行不利，迫使升降器长臂发生太大变形、增大玻璃运行摩擦力，因此B1取值范围在512mm之间。B2是指主臂中心线、副臂中心线与玻璃导槽完全重合时的挠度，此时玻璃导槽被玻璃往车外拉伸，避免了玻璃导槽与主臂或副臂发生干涉；另外它可以起到分担升降器上止点部分挠度(变形)的作用，避免B1过大。因此B2取值要在保证避免玻璃导槽与主臂或副臂发生干涉的前提下视B1大小适当调整，一般取2-5mm之间。 B3要在保证B1、B2取值合理的基础上尽可能小，以减少玻璃受到的摩擦力，降低升降器手柄的启动力矩或减低电机的启动电流。图4.5 升降器挠度布置4.5.6 确定玻璃升降器中位线位置升降器中位线是指升降器的小导轨中心线，小导轨将副臂一端的滚轮圆心与主臂旋转中心保持在中位线上，副臂另外一端的滚轮中心与主臂滚轮中心连线（玻璃导槽中心线）在运动过程中也始终与中位线保持平行，从而实现玻璃的水平升降。当升降器的玻璃导槽运动到中位线时，主臂中心线、两个副臂中心线与玻璃导槽中心线完全运动到同一水平面上。中位线将升降器总行程分为上行程X1与下行程X2。对没有特殊布置要求的车门，X1与X2大致相同，相差最大不能超过40mm，以保证主臂不会弯曲，从而保证主臂强度以及材料利用率。图4.6 中位线布置示意图4.5.7 确定玻璃升降器的大小升降器大小主要指主臂长度，主臂长度小，则升降器交叉支撑臂的宽度J1、J2小，支撑玻璃的稳定性差，如图4.7所示；主臂长度越大，J1、J2越大，支撑玻璃的稳定性越好。但主臂长度还受到以下因素的限制，主臂顶端滚轮运动圆弧轨迹不能过于靠近门锁布置区，否则容易造成干涉；为保持升降器总传动比不会减少太多，主臂长度增大需要相应增大扇形齿板半径R1，增加升降器质量，以加大车门铰链的负担；主臂工作转角取6095，以便选取较合适的平衡弹簧；扇形齿板半径R2增大，手柄旋转半径R3轨迹也会相应靠近仪表板，容易造成干涉，如图4.8所示。 图4.7 升降器主臂R1过小示意图 图4.8 升降器主臂R1过大示意图4.5.8 确定升降臂和平衡臂的比例关系为满足玻璃的上下运动，必须要具备的升降器机构的几何关系。在图4.9中，把图中的A、B、C、D、E、F、G投影到电机支架安装平面上看A、B、E三点成一线B、C、D三点成一线A、F、G三点成一线BA=BE,BC=BD(通常BA=BE=BC=BD)FGDE图4.9 升降器与平衡臂比例示意图4.5.9 确定升降器支撑中心区与玻璃质心线支撑中心区域与玻璃质心的布置如图4.10所示，交叉臂的旋转中心从上止点运动到下止点时在Y方向的投影区称为升降器支撑中心区。交叉臂式升降器支撑玻璃的两个支撑点比绳轮式升降器支撑点宽得多，在升降器支撑中心区内玻璃质心的少量偏移对升降器支撑玻璃稳定性几乎没有影响，因此升降器主臂旋转中心在Y 方向的布置可以在保证玻璃质心落在升降器支撑中心区的基础上适度偏向玻璃的长边，以抵消玻璃长边滑动摩擦力f1与玻璃短边滑动摩擦力f2的差值。图4.10 支撑中心区域与玻璃质心的布置示意图4.5.10 确定滑轮位置当玻璃在运动的时候，玻璃的质心在两滑轮中心线以内，保证玻璃升降运动的平稳性。当升降器导轨处在基准位置的时候，滑轮与限位点至少保持在20mm以内的距离。4.5.11 电机布置尽可能靠前端，减小关门时惯性力矩。4.5.12 升降器与玻璃受力分析主要目的是对齿轮传动比以及平衡弹簧的力矩进行优化设计，以减轻升降器驱动机构的负担，增加升降器寿命。升降器上升阶段受力分析如图4.11所示。F上升= G玻璃+ f摩擦1 + f摩擦2 + f摩擦3其中: f摩擦1 、f摩擦2 是两侧玻璃胶条对玻璃的摩擦力,f摩擦3是腰部玻璃胶条对玻璃的摩擦力,对固定的车门系统来说这三个值变化不大,所以为方便研究对升降器上升、下降来说我们将这三力合并称之为F摩擦,为定值常数,即:F摩擦= f摩擦1 + f摩擦2 + f摩擦3对升降器分析有:F上升= 2 M合cos/ R= 2 ( M平衡弹簧+ i M驱动) cos/ R其中i 是升降器的大小齿轮的传动比, R是升降器主臂长,为主臂与中位线的夹角, M驱动对手动升降器来说是手柄的驱动力矩, 对电动玻璃来说是电机输出轴的扭矩。联立、有:M驱动= ( G玻璃+ F摩擦) R /cos - 2M平衡弹簧 / 2i这样我们可得, 升降器上升过程中升降器驱动机构M驱动始终在不断的变化,而平衡弹簧的M平衡弹簧可以在一定程度上使M驱动有所减少,从而提高升降器驱动机构的工作寿命。图4.11 升降器上升阶段受力分析示意图升降器下降阶段受力分析如图4.12所示。对玻璃分析有:F下降= G玻璃- F摩擦升降器下降阶段对升降器分析有:F下降= 2 M合cos/ R联立、:2 ( i M驱动- M平衡弹簧) cos/ R = G玻璃- F摩擦故有:M驱动= ( G玻璃- F摩擦) R/ cos+ 2M平衡弹簧 / 2i图4.12 升降器下降阶段受力分析示意图通过对以上两过程分析可得出：在上止点处平衡弹簧对玻璃的支撑力最小，升降器所需要的驱动力矩M达到最大；当玻璃下降到下止点时平衡弹簧收缩最大、反弹力最大，升降器所需克服的力矩也会达到最大值，必须对齿轮传动比以及平衡弹簧的力矩一转角特性曲线进行优化设计，让行程范围内平衡弹簧的反力矩与玻璃的重力和阻力尽可能小，以减轻升降器驱动机构的负担，增加升降器寿命。由以上分析可知，玻璃运行摩擦力是升降器驱动机构最主要负荷之一，它的大小对升降器寿命有重要影响。玻璃运行摩擦力主要受到玻璃实际运行轨迹上升降器的上止点、下止点、中部的各挠度布置，以及玻璃与导槽、胶条配合间隙控制的影响。若以上2点设计合理，玻璃运行摩擦力可控制在20N以下。4.5.13 升降器传动比的选取：通过对比玻璃上升和下降过程中受力分析的结果，得出齿轮传动比越大，升降器驱动机构所需要的启动力矩越小。因此设计时可减少小齿轮齿数、增加大齿轮齿数，从而达到增大升降器传动比的目的。手动升降器传动比越大玻璃运行速度越慢，若玻璃从下止点运行到上止点时手柄所需要转动的圈数大于5，会让操作人员觉得升降太慢而感到不舒适；电动升降器传动比越大对驱动电机输出扭矩要求越小，电机可以以较小电流、较高转速驱动，对电机耐用性有利。目前国内外各类升降器产品的传动比取值一般都在12-28之间。4.5.14 大、小齿轮的设计：为使升降器的齿轮副传动比增大，小齿轮齿数应尽可能小。考虑到传动副的平稳性、折齿强度以及加工性，一般取齿轮所允许的最小值6-8齿，模数取2.0或2.25。小齿轮一般采用含铜的粉末冶金材料通过冲压、烧结加工而成，这种材料的特点是多孔吸油、耐磨、工艺容易实现、生产效率高，但对热处理要求高，工艺控制不好容易折断。为达到国家汽车玻璃升降器行业标准(QCT626-2008)中14.7 Nm的过载负荷而不断齿的要求，通常采用加大小齿轮变位系、齿根圆(同时减小大齿轮齿顶圆以避免顶齿)或采用模数大一些的小齿轮，以使小齿轮单齿折齿强度达到20Nm左右。大齿轮一般采用25号钢板，因为一般钢板厚度在4.5mm 以下，热处理容易变形，因此对于外形尺寸大的大齿轮不适合通过进行渗碳、淬火等热处理工艺提高齿面硬度，只能采用含碳量较高、表面硬度高的钢板，以提高大齿轮耐磨性。4.5.15 平衡弹簧设计计算-主要目的是有效缓冲玻璃升降过程，使升降过程平稳。平衡弹簧是厚度24.5 mm、宽度59 mm、弹簧钢卷制46圈的螺旋状卷簧，除了在升降器上升、下降时起到缓冲作用外，它还是