汽車手動(dòng)玻璃升降器耐久試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

陳勇強(qiáng)

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545005

0 引言

汽車手動(dòng)玻璃升降器是由手柄驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將汽車車窗沿玻璃導(dǎo)軌上升或下降，并能按要求停留在任意位置的裝置；其主要功能是通過(guò)調(diào)整汽車門(mén)窗開(kāi)度的大小、保證車門(mén)玻璃平穩(wěn)、門(mén)窗能隨時(shí)順利開(kāi)啟和關(guān)閉裝置，當(dāng)升降器不工作時(shí)，玻璃能停留在任意位置上。汽車手動(dòng)玻璃升降器是一個(gè)非常重要的汽車車身附件，它解決了乘客對(duì)車外景觀的觀察需求和車內(nèi)身物的安全需求之間的矛盾。所以手動(dòng)玻璃升降器的耐久性能也是客戶選擇汽車的一項(xiàng)重要指標(biāo)。而針對(duì)汽車手動(dòng)玻璃升降器耐久試驗(yàn)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有一套成型統(tǒng)一的方法，部分車企甚至采用人工搖動(dòng)手柄的方式進(jìn)行試驗(yàn)，此類方法不僅給企業(yè)帶來(lái)較大的人力成本，甚至還對(duì)人身安全造成巨大的威脅，試驗(yàn)效果極不理想。文中針對(duì)汽車外開(kāi)手柄及門(mén)鎖試驗(yàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套耐久試驗(yàn)臺(tái)架。

1 耐久試驗(yàn)要求

汽車手動(dòng)玻璃升降器耐久試驗(yàn)，主要目的驗(yàn)證汽車手動(dòng)玻璃升降器系統(tǒng)的耐久性能，發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)品潛在的零件故障，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門(mén)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和改進(jìn)方向。該試驗(yàn)要求為：試驗(yàn)裝置需要模擬人力搖動(dòng)手柄實(shí)現(xiàn)玻璃的上升、上堵轉(zhuǎn)、下降、下堵轉(zhuǎn)和中間暫停動(dòng)作，以此定義為一個(gè)循環(huán)。在設(shè)定的常溫、高溫、低溫環(huán)境下，要求能夠無(wú)故障地完成對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。試驗(yàn)過(guò)程中需要監(jiān)控玻璃在上升過(guò)程、下降過(guò)程、堵轉(zhuǎn)過(guò)程的扭矩大小。為了便于試驗(yàn)管理，試驗(yàn)過(guò)程如出現(xiàn)卡滯、試驗(yàn)超時(shí)、試驗(yàn)完成等情況，能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警提示。同時(shí)為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，耐久試驗(yàn)臺(tái)架施加在零件的載荷均要求在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，確保試驗(yàn)結(jié)果能夠正確反映試驗(yàn)樣件的真實(shí)狀態(tài)。

2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 原材料的選擇

試驗(yàn)裝置是采用搭建臺(tái)架的方式，針對(duì)臺(tái)架搭建所需要的材料，對(duì)比了幾種原材料的優(yōu)缺點(diǎn)后，選擇了鋁合金型材作為臺(tái)架的原材料。主要由于：

(1)鋁型材是鋁制品，在與空氣、水、石油化學(xué)體系中以及高低溫等惡劣環(huán)境下，具有良好的抗腐蝕性；

(2)鋁型材上自帶有專門(mén)的T型槽，方便臺(tái)架的拆裝；

(3)鋁型材耐臟，且易處理，保養(yǎng)工作簡(jiǎn)單；

(4)鋁型材輕巧，開(kāi)展工作難度小，搬運(yùn)方便。

使用鋁合金型材搭建臺(tái)架的基架之后，按照裝置設(shè)計(jì)要求，將安裝有手動(dòng)玻璃升降器的車門(mén)以實(shí)車固定方式固定在臺(tái)架上，并對(duì)車門(mén)進(jìn)行固定，保證車門(mén)穩(wěn)固不晃動(dòng)。

2.2 傳動(dòng)方式的選擇

試驗(yàn)裝置的傳動(dòng)方式，是需要將驅(qū)動(dòng)電機(jī)鎖輸出的扭矩傳動(dòng)到玻璃升降器手柄上。根據(jù)試驗(yàn)要求，傳動(dòng)方式需要滿足以下要求：

(1)傳動(dòng)過(guò)程要求平穩(wěn);

(2)傳動(dòng)效率高效，以便提高扭矩監(jiān)控的精度;

(3)能夠解決同軸度要求高和方便安裝之間的矛盾;

(4)適用于高低溫等惡劣試驗(yàn)環(huán)境。

綜合各個(gè)因素考慮，最終考慮使用齒輪傳動(dòng)裝置為主要轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)配合傳動(dòng)軸、軸承及座、聯(lián)軸器等裝置配合完成傳動(dòng)。

2.3 驅(qū)動(dòng)盤(pán)的選擇

試驗(yàn)過(guò)程中，需要一個(gè)跟手柄直接接觸并且驅(qū)動(dòng)手柄搖動(dòng)的工裝。選擇該驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，除需要滿足臺(tái)架設(shè)計(jì)要求，還要滿足以下要求：

(1)能夠?qū)㈦姍C(jī)扭矩傳遞到手柄，是手柄實(shí)現(xiàn)模擬人力搖動(dòng)的動(dòng)作；

(2)不能夠?qū)κ直a(chǎn)生附加的載荷與破壞;

(3)質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小；

(4)能耐高低溫等惡劣試驗(yàn)環(huán)境。

綜合以上幾個(gè)因素，在對(duì)比分析金屬工裝等其他工裝時(shí)，最終選擇采用尼龍板加工成的圓盤(pán)來(lái)作為該驅(qū)動(dòng)裝置。同時(shí)為了避免圓盤(pán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因?yàn)榕_(tái)架安裝的誤差，手柄與圓盤(pán)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓盤(pán)對(duì)手柄產(chǎn)生額外的破壞，在設(shè)計(jì)工程中將驅(qū)動(dòng)手柄的圓孔加工成長(zhǎng)孔，同時(shí)尺寸比手柄搖輪偏大。避免臺(tái)架對(duì)玻璃升降器搖柄產(chǎn)生破壞，保證臺(tái)架滿足試驗(yàn)要求。

3 驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)方式是需要將手柄模擬人力搖動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)玻璃上升和下降，扭矩大小為10 N·m左右，同時(shí)還要滿足以下幾個(gè)條件：

(1)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源要能夠滿足高低溫環(huán)境要求；

(2)能夠通過(guò)控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)手柄正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；

(3)該動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源轉(zhuǎn)動(dòng)速度大小可通過(guò)外加輸入調(diào)節(jié)；

(4)該動(dòng)力來(lái)源經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，性價(jià)比高。

綜合油泵、氣泵、電機(jī)等各動(dòng)力源性能，優(yōu)先考慮使用電機(jī)作為此臺(tái)架的動(dòng)力源；針對(duì)各款式的電機(jī)，最終使用汽車電動(dòng)玻璃升降器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為該試驗(yàn)臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)裝置。其優(yōu)勢(shì)在于：

(1)電動(dòng)玻璃升降器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其輸出扭矩大小恰能匹配克服玻璃升降器的阻力保證玻璃升降器正常運(yùn)行；

(2)能夠匹配玻璃升降器耐久試驗(yàn)的高低溫試驗(yàn)環(huán)境;

(3)該電機(jī)通過(guò)調(diào)整電源正負(fù)極輸入即可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，滿足試驗(yàn)要求；

(4)試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)電壓大小輸入可達(dá)到調(diào)整其運(yùn)行速度，運(yùn)行扭矩大小，能滿足試驗(yàn)要求。同時(shí)玻璃升降器電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝容易、易于保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合當(dāng)前耐久試驗(yàn)臺(tái)架的選擇。

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于此試驗(yàn)臺(tái)架是采用電機(jī)作為動(dòng)力源，在耐久試驗(yàn)上，對(duì)設(shè)備的耐久性能要求極高，現(xiàn)場(chǎng)采用PLC控制系統(tǒng)作為試驗(yàn)臺(tái)架的控制系統(tǒng)。主要由于：

(1)PLC可編程方法簡(jiǎn)單易學(xué);

(2)PLC功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高;

(3)硬件配套齊全，用戶使用方便;

(4)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，綜合PLC程序控制的優(yōu)點(diǎn)，采用PLC程序控制，實(shí)現(xiàn)臺(tái)架的機(jī)電一體化功能，不僅可以完成臺(tái)架的自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)循環(huán)等功能。

試驗(yàn)臺(tái)架的原材料和臺(tái)架搭建方案都確定之后，試驗(yàn)臺(tái)架的整體輪廓也就成型了。

如圖1所示，在搭建耐久試驗(yàn)臺(tái)架時(shí)，根據(jù)車門(mén)大小搭建完成臺(tái)架基架之后，將車門(mén)按照實(shí)車固定在汽車上的方式固定安裝，之后將試驗(yàn)零件：手動(dòng)玻璃升降器，內(nèi)外水切，玻璃導(dǎo)槽密封條、手柄等以實(shí)車裝配方式安裝在車門(mén)上。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)方案完成試驗(yàn)臺(tái)架。

圖1 汽車手動(dòng)玻璃升降器耐久試驗(yàn)裝置

5 臺(tái)架的運(yùn)行過(guò)程

根據(jù)試驗(yàn)要求，手動(dòng)玻璃升降器耐久試驗(yàn)的動(dòng)作要求為：玻璃上升—玻璃中間停止—玻璃上升—玻璃上堵轉(zhuǎn)—車門(mén)打開(kāi)—車門(mén)關(guān)閉；同時(shí)手柄的解鎖力、開(kāi)關(guān)門(mén)力、關(guān)門(mén)速度以及密封力均有設(shè)計(jì)值要求，試驗(yàn)過(guò)程中還需要對(duì)手柄的解鎖力、密封力以及關(guān)門(mén)速度的大小實(shí)施監(jiān)控，同時(shí)還要監(jiān)控車門(mén)是否開(kāi)啟到位。根據(jù)此要求，現(xiàn)場(chǎng)使用PLC設(shè)計(jì)臺(tái)架控制邏輯，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的開(kāi)展。

此次臺(tái)架試驗(yàn)的試驗(yàn)原理為：

(1)試驗(yàn)開(kāi)始前，使用扭矩傳感器標(biāo)定要求堵轉(zhuǎn)扭矩對(duì)應(yīng)的電機(jī)電壓輸入值；

(2)根據(jù)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速要求選定不同傳動(dòng)比的齒輪；

(3)啟動(dòng)設(shè)備，接通驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；

(4)驅(qū)動(dòng)機(jī)電帶動(dòng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)從動(dòng)齒輪和齒條運(yùn)動(dòng)；

(5)從動(dòng)齒輪帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，從此帶動(dòng)手動(dòng)玻璃升降器上升，當(dāng)齒條經(jīng)過(guò)接近開(kāi)關(guān)2暫停一段時(shí)間后繼續(xù)上升，扭矩傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控玻璃上升扭矩大小；

(6)玻璃上升到頂時(shí)，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)3將信號(hào)反饋到PLC，PLC執(zhí)行玻璃堵轉(zhuǎn)動(dòng)作并計(jì)時(shí)；

(7)堵轉(zhuǎn)完成后，休息一段時(shí)間，PLC控制接通驅(qū)動(dòng)電機(jī)反向電路，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng);

(8)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)玻璃下降，齒條經(jīng)過(guò)接近開(kāi)關(guān)2時(shí)暫停一段時(shí)間后繼續(xù)下降，扭矩傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控下降過(guò)程中的扭矩大??；

(9)玻璃下降到底時(shí)，通過(guò)齒條邊上的接近開(kāi)關(guān)1將信號(hào)反饋到PLC，PLC執(zhí)行玻璃堵轉(zhuǎn)動(dòng)作并計(jì)時(shí)；

(10)休息一定時(shí)間后，PLC驅(qū)動(dòng)玻璃重新上升;

(11)扭矩傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控接近開(kāi)關(guān)1與接近開(kāi)關(guān)3之間的扭矩值，當(dāng)扭矩值超出試驗(yàn)要求即輸出報(bào)警信號(hào);

(12)以上為實(shí)現(xiàn)耐久試驗(yàn)的一個(gè)過(guò)程，一個(gè)過(guò)程完成之后，利用PLC程序的自動(dòng)循環(huán)指令，將該過(guò)程又重新開(kāi)始，同時(shí)加入計(jì)數(shù)累計(jì)指令，將試驗(yàn)次數(shù)累計(jì)，直至完成要求試驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)在PLC程序中加入了其他報(bào)警功能，在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，臺(tái)架會(huì)自動(dòng)報(bào)警并暫停試驗(yàn)，提醒巡視檢查人員注意，大大減少了巡視檢查人員的工作量，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化功能。

以上為手動(dòng)玻璃升降器的運(yùn)行循環(huán)過(guò)程，一個(gè)循環(huán)完成后，PLC控制程序可實(shí)現(xiàn)控制下一個(gè)循環(huán)開(kāi)始，直至完成所有需要完成的試驗(yàn)次數(shù)為止。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)手動(dòng)玻璃升降器耐久試驗(yàn)臺(tái)架的研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)際需求，成功設(shè)計(jì)出汽車車門(mén)手動(dòng)玻璃升降器耐久試驗(yàn)臺(tái)架。該臺(tái)架經(jīng)過(guò)多次耐久試驗(yàn)驗(yàn)證之后，臺(tái)架的可靠性極高，目前已應(yīng)用到多項(xiàng)手動(dòng)玻璃升降器耐久試驗(yàn)中，并很好地履行耐久試驗(yàn)臺(tái)架的功能，發(fā)現(xiàn)了很多新產(chǎn)品潛在的故障，為研發(fā)部門(mén)的整改提供了方向。目前該臺(tái)架已申請(qǐng)了國(guó)家專利，并投入在多項(xiàng)手動(dòng)玻璃升降器耐久試驗(yàn)項(xiàng)目中。