1、汽车与设计192023.6车门玻璃升降系统设计方法研究邱 峰（徐州徐工汽车制造有限公司 江苏 徐州 221100）摘要：车门玻璃升降系统的作用是方便驾驶员和乘客对车窗进行开启和关闭，以调节车内的气流和温度，同时起到保护车内物品和人员的作用。该文分析车门玻璃升降系统组成及玻璃升降器选型影响因素，基于深入的理论研究并结合广泛的实践经验对玻璃升降系统设计进行探讨，包括布置设计、典型断面设计、结构设计，以促进玻璃升降系统设计效果的提升，优化其性能。关键词：玻璃升降系统；玻璃面；车门作者简介：邱峰，徐州徐工汽车制造有限公司工程师，研究方向为车身设计。车门玻璃升降系统是调节车窗开度大小的专用部件，主要功能
2、是利用升降器带动玻璃托架上下运动，使玻璃在车门导轨中做升降运动，从而保证车窗玻璃平稳升降并实现开启或关闭。当车门玻璃升降器的外加控制撤销时，玻璃应能停在任意位置上，既不能自动下滑，也不能由于车辆运行的颠簸而上下跳动。车门玻璃升降系统在日常使用中的频率非常高，一旦失效就会给行车安全带来隐患，影响整车品质。由此可见，其安全性、可靠性在整车中显得至关重要。1 车门玻璃升降系统组成汽车车门玻璃升降系统主要包括玻璃升降器、玻璃导轨、内外水切等，如图 1 所示。玻璃升降器是玻璃升降系统的核心部件，合理选择适当的玻璃升降器形式，对于整个系统设计起着至关重要的作用，并且对整车成本、整车质量有直接影响。按照结构
3、形式，玻璃升降器主要分为齿臂式传动和绳轮式传动（或尼龙带传动）两种：齿臂式分为单臂和叉臂，绳轮式分为单导轨和双导轨。2 玻璃升降器选型影响因素2.1车窗尺寸车窗尺寸对玻璃升降器选型有直接影响。总的来说，车窗宽度越大，越应采用稳定性更好的玻璃升降器，例如双导轨绳轮式或者叉臂式玻璃升降器；车窗高度越大，越应采用对玻璃姿态控制能力强的玻璃升降器形式，例如双导轨绳轮式或者单导轨绳轮式玻璃升降器1。在满足玻璃升降性能要求的前提下，可综合考虑成本，根据车窗尺寸挑选玻璃升降器形式（图 2）。2.2玻璃升降下滑角玻璃升降下滑角是玻璃升降方向与竖直线在XZ平面内投影线的夹角。这个夹角对玻璃升降的平顺性有较大影响
4、，尤其对于应用了齿臂式玻璃升降器的系统，随着下滑角的增大，玻璃后下角与呢槽底部接触发生卡滞的概率也随之增大，此现象可通过增大玻璃后下角圆角半径得到改善。由于玻璃前上角的圆角半径图 2 基于玻璃宽高尺寸的玻璃升降器形式1玻璃升降器 2玻璃导轨 3内外水切4车门玻璃 5玻璃托架 6玻璃呢槽 图 1 车门玻璃升降系统组成汽车与设计20汽车测试报告很大，所以下滑角对玻璃上升的影响较小。根据经验，当玻璃升降下滑角 12 时，不宜采用齿臂式玻璃升降器。下滑角对绳轮式玻璃升降器也有一定影响，但是程度不如对齿臂式玻璃升降器显著。2.3玻璃曲率车门玻璃面取决于整车造型风格，其与侧围内倾角、腰线、门外板弧度、分缝
5、等边界息息相关。因为玻璃的曲率对升降系统有直接影响，所以在造型设计阶段需要确定合适的玻璃面类型2。侧面造型平直且Z向的重卡玻璃一般为单曲率曲面，侧面造型立体饱满的乘用车玻璃一般为双曲率曲面。常见的玻璃面形式有圆柱面、圆环面和鼓形面等。一般来说，玻璃的曲率越大，玻璃升降稳定性衰减的概率就越大。第一，圆柱面玻璃。圆柱面玻璃为单曲率曲面，玻璃纵向曲率半径 R 为 8 500 9 500 mm（乘用车为 1 500 2 500 mm）。由于圆柱面在前后方向无弯曲，对于整车造型的局限性较大，因此圆柱面玻璃一般仅适用于卡车、轻型客车等整车侧面造型平直的车型。第二，圆环面玻璃。圆环面玻璃为双曲率曲面，曲率半
6、径 R 为 15 000 25 000 mm。由于圆环面在上下、前后两个方向均存在曲率，因此圆环面玻璃常用于对侧面造型要求较高的乘用车。车门玻璃截取圆环面外侧单凸的部分，玻璃的运动可以近似为一种绕圆环面中心引导线的旋转运动。第三，鼓形面玻璃。鼓形面玻璃又称酒桶玻璃或橄榄玻璃，为双曲率曲面。由于鼓形面玻璃在前后位置截得的曲率半径不同，所以更适合塑造 A 柱内倾角比 B 柱大的车型，为造型提供了更高的自由度。2.4玻璃弦高玻璃的弦高与曲率相对应，对升降系统有直接影响。玻璃的曲率越大，则弦高越大，对玻璃边缘形状与滑动导轨形状配合度的要求越高，玻璃边缘与导轨相对偏差引起平顺性问题的概率越大。玻璃的弦高
7、大致有两种估算法。第一，作图法。从车身前侧（或者后侧）方向看，将玻璃在上止位的顶点和下止位的顶点连成一条直线，平行于这条直线在玻璃的最外侧作切线，则两条直线间的距离就是弦高。第二，计算法。玻璃弦高计算公式：B=R-224HR （1）式（1）中，B为玻璃弦高，R为玻璃曲率半径，图 3 玻璃升降器弦高及偏移量H为车框高度。当弦高 20 mm 时，建议选用绳轮式玻璃升降器。3 玻璃升降系统结构设计3.1玻璃升降器布置设计齿臂式玻璃升降器的布置设计需要综合考虑其偏移量，即玻璃升降器主臂的挠度、车门内部的Y向空间、车门底部的空间等多种因素。齿臂式玻璃升降器未与玻璃连接进行自由运动时，其与玻璃的连接块扫掠
8、出的是一个平面，即玻璃升降器自由运动中面。玻璃升降器的扇齿安装面即其基板，布置的朝向一般应平行于玻璃升降器自由运动中面，如图 3 所示。玻璃升降器基板的Y向布置应考虑车门的侧向尺寸。玻璃升降器基板在X方向上的位置受其主臂长短的限制，在布置时应尽可能将玻璃升降器电机布置在靠门铰链的一侧，而且玻璃升降器基板距离门铰链应尽可能近，以减小开关车门时的转动惯量，降低车门钣金疲劳断裂的风险。玻璃升降器基板在Z方向上的位置受玻璃升降器主臂长短、升降器扇齿规格和玻璃下止位要求的限制，应按设计要求进行布置。有时因受限于车门尺寸，玻璃升降器基板的朝向可能无法平行于中面，而基板的偏转意味着玻璃升降偏移量的改变。在需
9、要改变基板布置朝向时，应遵循两个原则：一是上止位偏移量a13 mm；二是下止位偏移量c13 mm，中间偏移量b8 mm。3.2玻璃升降系统典型断面设计与玻璃升降系统有关的断面包括所有包含车窗玻璃、玻璃导轨的断面及显示玻璃升降系统布置空间的断面。其中，一些断面上标注的尺寸对玻璃升汽车与设计212023.6降运动的可靠性和稳定性有明显影响，需要对其进行正确的定义，如图 4 所示。第一，玻璃与导轨的重叠区域A：正确定义玻璃与导轨重叠区域的尺寸是防止玻璃在运动过程中脱离导轨的关键。此尺寸一般可设为 6 8 mm，这样可以基本保证不会因公差而发生脱轨失效问题。第二，呢槽披风与玻璃的压缩量B：为确保车门玻
10、璃密封性能和防止升降系统阻力过大，呢槽披风与玻璃的压缩量B为1.2 2.5 mm。第三，玻璃边缘与密封条底部间隙C：玻璃边缘与密封条底部间隙关系玻璃升降时是否会出现卡滞或者是否能保证玻璃姿态，因此属于断面设计中的重要尺寸。一般来说，此间隙为 1.8 2.5 mm。第四，玻璃与内外水切压缩量：为确保车门玻璃密封性能，防止升降系统阻力过大，内外水切与玻璃的压缩量为1.2 2.5 mm。第五，内、外板开口尺寸D：为确保车门玻璃密封性能，防止升降系统阻力过大及实现包边焊接，内、外开口尺寸应25 mm。3.3玻璃升降系统结构设计先根据门窗的造型布置 2 3 个断面，定义出车窗玻璃的切边线，而且切边线应使
11、用工程曲线拟合，例如圆弧线、螺旋线等。确定好工程曲线与造型需要的导轨边界、玻璃边界后，就可以使用该曲线对玻璃升降进行运动学模拟。完成运动学模拟后，可对玻璃导轨和密封条断面进行拉伸得到初始的 3D数据。根据玻璃升降器形式，可以定义密封条和导轨长度。一般来说，对于叉臂式玻璃升降器，当玻璃在下止位时，玻璃导轨应包覆玻璃导向边的 2/3 以上；而对于单臂式玻璃升降器，其应包覆玻璃导向边的全部；对于双导轨绳轮式玻璃升降器，当玻璃在下止位时，玻璃导轨应包覆玻璃导向边的 1/2 以上；对于单导轨绳轮式玻璃升降器，其应包覆玻璃导向边的 2/3。根据典型断面定义和玻璃引导线，之前已经得到了玻璃导轨及密封条的 3
12、D 数据，玻璃上边和两个侧边也已经确定了，玻璃的下边则与升降器的选型、玻璃安装方式、上下止位有关，同时需要考虑密封、减重和防水等要求。为了保证密封性，在车窗全关闭状态，玻璃的下切边应确保在内外水切唇边以下，距离尽量35 mm。玻璃升降系统的间隙控制要求与所有汽车子系统及零部件对间隙设计的要求一致，在设计的初始阶段，要在考虑存在公差的基础上对各相邻件之间的最小间隙进行定义。一般来说，相邻两静止件之间的理论设计间隙应5 mm，运动件的包络轨迹与相邻静止件之间的理论间隙应10 mm，两相邻运动件包络轨迹之间的理论间隙应15 mm。在完成玻璃升降器选型和布置后，可以对玻璃升降器进行详细设计。其一，应根
13、据玻璃升降器形式，选择合适的玻璃安装方式，再根据车门内部空间及对玻璃下切边的要求，先初步定义出玻璃的下切边，根据玻璃运动模拟，得出玻璃的上下止位，同时确定升降器的上下止位。针对车门玻璃初始的安装位置，应确保安装过程容易操作，尽量不影响其他部件的安装和车门结构的强度，同时应结合车门结构的强度及根据玻璃升降器安装模拟，确定车门内板的开孔尺寸。其二，要结合车门结构和车门内部空间要求确定电机的位置。一般情况下，电机布置需经过多次调整和优化才能最终确定下来。玻璃升降器的详细设计是个反复的过程，因此要通过玻璃的运动分析对升降器数据进行优化，并通过全面的设计审核，最终达到符合要求的状态。4 结束语结合玻璃面、玻璃弦高的尺寸变化，重点阐述玻璃升降器选型影响因素，分析玻璃升降系统设计要点及方法。随着汽车制造工艺水平的不断提高，玻璃升降系统设计方法也会得到不断的创新，因此设计人员要与时俱进，提高自身的技术水平，以更好地提升玻璃升降系统的性能。参考文献：1 宁方勇,王丽鹏,石小明.车窗玻璃升降器故障分析及改进 J .汽车实用技术,2 0 2 0(1 1):1 3 2-1 3 4.2 王光宏.奥迪 Q 5 右前门玻璃升降器失效故障排除 J .汽车与配件,2 0 1 8(9):7 8.图 4 断面尺寸（a）（b）
