萬旭敏，李燦華

Wan Xumin，Li Canhua

（吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，吉林長春 130012）

0 引 言

目前，車窗貼膜種類繁多，但也存在問題，如使用功能單一，不能多次使用等。針對這些問題，較少汽車采用技術(shù)相對較新的變色玻璃。變色玻璃雖然可以實現(xiàn)很多顏色的變化，但運(yùn)動中的車輛遇到的光線情況復(fù)雜，相應(yīng)要求多，且變色玻璃變色緩慢，會增加行車過程中的危險。文中設(shè)計了一種能夠按駕駛員的需要來多次更換車窗貼膜的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過升降和切換車窗貼膜，從而達(dá)到貼膜的更換和多次使用的目的，并且更換的貼膜種類多、更換時間短。

1 車側(cè)窗多功能貼膜循環(huán)升降系統(tǒng)的設(shè)計方案

1.1 車側(cè)窗多功能貼膜循環(huán)升降系統(tǒng)的組成

車側(cè)窗多功能貼膜循環(huán)升降系統(tǒng)主要由機(jī)械部分和控制部分組成，如圖1和圖2。系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵：單片機(jī)通過程序來控制機(jī)械部分運(yùn)行，從而實現(xiàn)貼膜的升降和切換。

機(jī)械系統(tǒng)主要由中空玻璃、位于中空玻璃下部的密封部件、密封部件內(nèi)的貼膜和驅(qū)動貼膜升降的驅(qū)動裝置組成。本設(shè)計可以實現(xiàn) 2個以上的貼膜的升降和切換，以 2種貼膜的切換和升降為例，2種貼膜分別為貼膜a、貼膜b，圖1和圖2中硬質(zhì)仿鋼卷尺塑料邊、貼膜導(dǎo)軌和繞線滑輪均為 2套。驅(qū)動裝置如圖 3，主要由驅(qū)動電機(jī)、與驅(qū)動電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)軸同軸的主動齒輪、與主動齒輪嚙合的從動齒輪、兩端分別與電機(jī)轉(zhuǎn)軸、貼膜牽引的牽引線和繞牽引線的繞線滑輪組成。

控制部分主要由按鍵、LED顯示燈、單片機(jī)、驅(qū)動器等組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2 車側(cè)窗多功能貼膜循環(huán)升降系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

貼膜升降功能通過齒輪傳動，帶動貼膜轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)。這種機(jī)械系統(tǒng)根據(jù)不同功能貼膜的數(shù)量需要相應(yīng)地增加機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)量。貼膜的切換功能通過單片機(jī)編程來實現(xiàn)，單片機(jī)編程設(shè)定多個不同模式，這些模式分別控制不同功能的貼膜升降系統(tǒng)，然后再根據(jù)人們對車窗的貼膜不同要求來啟動相應(yīng)的模式，從而實現(xiàn)各種不同功能貼膜的切換。

控制功能主要通過單片機(jī)實現(xiàn)。單片機(jī)的接口采集按鍵輸入的操作信號，然后經(jīng)過運(yùn)算，最終得到1個存儲量，并給出2個輸出量：一個為與控制信號相對應(yīng)脈沖和正、反轉(zhuǎn)控制信號，經(jīng)由驅(qū)動器實現(xiàn)對電機(jī)的控制；另一個為與控制信號相應(yīng)的LED燈的控制信號。

2 車側(cè)窗多功能貼膜循環(huán)升降系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題研究

2.1 貼膜的選擇

現(xiàn)階段，汽車貼膜主要以太陽膜為主，主要功能為隔熱。太陽膜可以分為多層，主要包括抗磨層、帶色PET安全基層、金屬隔熱層、UV吸收層、透明PET安全基層等。同時還存在一些其他功能的貼膜，比如透光膜，防爆膜等。本研究設(shè)計的機(jī)械系統(tǒng)可以實現(xiàn) 2種以上貼膜的升降和切換，以2種不同功能的貼膜為例，選取晶銳90貼膜和黑馬王子，相應(yīng)主要性能參數(shù)如表1，2種貼膜的透光率差距較大，可以保證在不同時間駕駛員對汽車貼膜透光的要求。

表1 貼膜性能參數(shù)

2.2 密封部件的設(shè)計

密封部件應(yīng)該具有防水、防塵、良好的抗沖擊能力以及良好的耐腐蝕性。文中設(shè)計的機(jī)械系統(tǒng)的密封部件不僅要具備以上功能，同時應(yīng)具有引導(dǎo)貼膜升降路徑、安裝電機(jī)轉(zhuǎn)軸和貼膜轉(zhuǎn)軸的功能，由于標(biāo)準(zhǔn)的密封部件并不能滿足這些功能，設(shè)計一個新的密封部件，擁有一對用于引導(dǎo)貼膜升降軌跡的導(dǎo)軌和兩對安裝轉(zhuǎn)軸的支架。導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)軸支架選取聚碳酸酯作為材料，可以通過注塑成形工藝制成相應(yīng)形狀。轉(zhuǎn)軸支架如圖5所示。

密封部件通過膠接與中空玻璃底部相連接，形成一個密封的整體。同時導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)軸支架通過膠接的方法與密封部件的主體部分相連接構(gòu)成一個完整的密封部件，如圖6所示。

2.3 驅(qū)動電機(jī)參數(shù)的確定

由于車門內(nèi)部空間的限制，只能選取較小尺寸的電機(jī)。電機(jī)選擇的具體步驟如下：

由于貼膜轉(zhuǎn)軸的半徑較小，通過估算可以認(rèn)為貼膜轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時受力為68 N，根據(jù)公式

算出扭矩力T=0.068 N·Lm

由公式

可計算出功率P=130 W，所以選取130電機(jī)，轉(zhuǎn)速為180000 r/min，這種電機(jī)能提供足夠的動力，保證貼膜的正常升降。

2.4 主動齒輪和從動齒輪參數(shù)的確定

通過估算車門內(nèi)部的尺寸，可知車門內(nèi)部寬度一般為6～12 mm?？紤]到車門內(nèi)齒輪的布置，齒輪的齒頂圓直徑da要小于車門內(nèi)部的尺寸?；谏鲜鲈砗蜐u開線標(biāo)準(zhǔn)，圓柱齒輪的最小不根切齒數(shù)為 17，擬選主動齒輪的模數(shù) m=0.5，齒數(shù)z=18，α=20°，根據(jù)公式

算出主動齒輪的分度圓直徑d=9 mm，同理可以依據(jù)公式

算出齒頂圓直徑da=10 mm。

對于從動齒輪來說，需要與主動齒輪相嚙合，所以需要保證齒輪模數(shù)和壓力角相等，m=0.5，α=20°。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較快，需要減速增扭，從而應(yīng)該選取從動齒輪的齒數(shù)z=20，同理可以依據(jù)公式（3）和公式（4）算出從動齒輪的d=10 mm和da=11 mm。通過驗證可知兩個齒輪的齒頂圓直徑都小于車門內(nèi)尺寸，能夠在車門內(nèi)很好地布置。齒輪作為傳動件一般需要較大強(qiáng)度和剛度，而本研究的結(jié)構(gòu)受力比較小，對于強(qiáng)度和剛度的要求不是很嚴(yán)格，所以選取的齒輪材料為聚甲醛POM。它具有很好的強(qiáng)度和剛度，良好的耐磨性以及很高的疲勞強(qiáng)度等特性，能夠很好地滿足該結(jié)構(gòu)的各項要求。對于與齒輪相配合的各個軸來說也選取材料聚甲醛 POM，通過熱成形制成貼膜轉(zhuǎn)軸和電機(jī)轉(zhuǎn)軸。貼膜轉(zhuǎn)軸、電機(jī)轉(zhuǎn)軸和齒輪之間采用花鍵連接實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的傳遞。

2.5 滑輪和牽引線的選取

由于車門內(nèi)板和車門外板之間的間隙較小，所以需要設(shè)計較小尺寸的滑輪，采取輪材式滑輪，最大圓的直徑為4 mm，通過焊接與車門頂部連接在一起。對于牽引線的選取，首先需要考慮其強(qiáng)度和延展性，而尼龍線正好符合這些特征，所以選取規(guī)格為標(biāo)準(zhǔn)磅數(shù) 12 kg，標(biāo)準(zhǔn)直徑 0.29 mm，參考號數(shù)（dia）為3。

2.6 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.6.1 電機(jī)的選用

機(jī)械裝置要求執(zhí)行部分的電機(jī)能實現(xiàn)精準(zhǔn)的定位。在速度、位置等數(shù)字控制領(lǐng)域中應(yīng)用日益廣泛的步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)是一種利用電磁鐵的作用原理將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。

2.6.2 單片機(jī)的選用

AT89C51是一種低功耗高性能CMOS 8位單片微機(jī)，它除了具有與MCS—51完全兼容的若干特性外，最為突出的就是片內(nèi)集成了 4 k字節(jié)Flash，可用來存放應(yīng)用程序。這個Flash程序存儲器除允許用一般的編程器離線編程外，還允許在應(yīng)用系統(tǒng)中實現(xiàn)在線編程，并且還提供了對程序進(jìn)行三級加密保護(hù)的功能。AT89C51的另一個特點是工作速度更高，晶振頻率可高達(dá)24 MHz，一個機(jī)器周期僅50 ns，比MCS—51快了一倍，在電機(jī)控制中應(yīng)用廣泛。

2.6.3 驅(qū)動器的選用

電機(jī)驅(qū)動的關(guān)鍵是精確控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。單片機(jī) AT89C51對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制時，需要通過I/O口輸出具有一定時序的脈沖作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號。但是，僅靠該I/O輸出電流無法直接驅(qū)動電機(jī)，必須加以放大以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。因此提出采用ULN2003來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。ULN2003是一種高耐壓、大電流的達(dá)林頓陳列，由7個NPN達(dá)林頓管組成，每一對達(dá)林頓都串聯(lián)1個2.7 kΩ的基極電阻。在5V的工作電壓下與單片機(jī)直接相連，可以實現(xiàn)單片機(jī)對電機(jī)的精準(zhǔn)控制。

2.7 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為按鍵的操作信息輸入、信息存儲及控制脈沖輸出幾部分。程序主要由控制主程序、電機(jī)控制子程序組成。根據(jù)按鍵操作，調(diào)用控制主程序，并作判斷，根據(jù)判斷調(diào)用電機(jī)控制子程序。

將車側(cè)窗分別編號 FL，F(xiàn)R，BL，BR，每個車窗的控制單獨(dú)設(shè)置，以FL為例。圖7是單片機(jī)的總控制流程圖，用以實現(xiàn)不同模式之間的轉(zhuǎn)換控制。

電機(jī)通過克服來自傳動機(jī)構(gòu)的阻力實現(xiàn)牽引線的升降，從而帶動汽車車側(cè)窗貼膜的升降。并通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來達(dá)到控制升降的目的。電機(jī)控制子程序流程如圖8所示。

3 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種簡單的貼膜升降切換系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)駕駛員的不同需求，隨時隨地多次切換不同功能的貼膜，從而解決貼膜功能單一性、使用一次性的問題。由于時間和條件的限制，該機(jī)構(gòu)并沒有進(jìn)行詳細(xì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析以及沒有制作出實體模型，而只是基于理論上的研究以及簡單的運(yùn)動干涉進(jìn)行分析。以后可以深入研究該機(jī)構(gòu)的原理，并制作出實體模型，便于更好地進(jìn)行試驗?zāi)M。

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