朱偉，吳晶晶，劉美麗

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某SUV車型玻璃升降器失效分析及改進(jìn)

朱偉，吳晶晶，劉美麗

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

玻璃升降器是車門系統(tǒng)中的重要附件之一，其可靠性和安全性非常重要。文章從電機(jī)的機(jī)構(gòu)原理和布置方法兩方面著手，分析了某SUV玻璃升降器失效的主要原因，并提出了整改措施。同時(shí)，也為玻璃升降器的設(shè)計(jì)提出了電機(jī)方面的新要求，從設(shè)計(jì)源頭杜絕此類問(wèn)題的再次發(fā)生。

玻璃升降器；電機(jī)；失效分析；反向啟動(dòng)電壓

前言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展及物質(zhì)文明的飛速進(jìn)步，車輛已是人們工作、生活中不可缺少的一部分，人們?cè)谄嚿系幕顒?dòng)時(shí)間也越來(lái)越多，車窗作為溝通車外的窗口，使用頻率很高。而玻璃升降器的主要作用就是保證車門玻璃能夠順暢地升降，以實(shí)現(xiàn)車門玻璃的開(kāi)閉。一旦玻璃升降器失效，駕乘人員將無(wú)法正常通過(guò)車窗溝通車外，極大地影響駕乘人員使用的方便性和體驗(yàn)感。本文就是針對(duì)某SUV發(fā)生的玻璃升降器失效問(wèn)題進(jìn)行的分析整改撰寫的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，供大家分享參考。

1 問(wèn)題描述

從市場(chǎng)售后陸續(xù)接到多例反饋：某SUV車型發(fā)生電動(dòng)玻璃升降器升到頂后無(wú)法下降的問(wèn)題。

2 問(wèn)題分析

該故障車為左后門玻璃升降器在上止點(diǎn)不工作，無(wú)法下降。

按如下方式進(jìn)行測(cè)試：

1）故障車確認(rèn)車門線束輸入電壓正常（13V）；

2）拔出線束接插件，直接給玻璃升降器電機(jī)加反向電壓，按0.5V為一個(gè)格次由9V一直加到16V，電機(jī)不動(dòng)作，繼續(xù)加到18V，電機(jī)啟動(dòng)，玻璃開(kāi)始下降；

3）啟動(dòng)后在下止點(diǎn)堵轉(zhuǎn)，加反向電壓，6V時(shí)電機(jī)反向啟動(dòng)（即從下上升）；

4）再次升到上止點(diǎn)堵轉(zhuǎn)，反向加電壓，10V時(shí)電機(jī)反向啟動(dòng)（即從上下降）。

通過(guò)排查，可以初步確認(rèn)電路無(wú)問(wèn)題，故障點(diǎn)在玻璃升降器上，電機(jī)從上止點(diǎn)下降的反向啟動(dòng)電壓要求過(guò)高，高于汽車能提供的電壓，導(dǎo)致玻璃升降器無(wú)法動(dòng)作。

反向啟動(dòng)電壓就是電機(jī)堵轉(zhuǎn)后反向啟動(dòng)所需要的電壓值。

2.1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

2.1.1電機(jī)的結(jié)構(gòu)

升降器電機(jī)是一種小型永磁兩極直流電動(dòng)機(jī)，由定子、電樞、碳刷端蓋、齒輪箱體等幾個(gè)組件組成的。如果電機(jī)帶有防夾，遙控等自動(dòng)化功能，還會(huì)加裝有電子集成模塊，由電機(jī)與電子模塊配合完成各種自動(dòng)化指令。

作為電動(dòng)玻璃升降器的原動(dòng)力，電機(jī)和齒輪箱是其結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，我們通常稱兩者集成的整體為電機(jī)總成。其結(jié)構(gòu)如下圖1：

圖1 升降器電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.小齒輪 2.齒輪箱蓋 3.驅(qū)動(dòng)輪 4.阻尼塊 5.蝸輪 6.齒輪箱 7.軸承 8碳刷 9.白攻螺釘 10.繞線轉(zhuǎn)子11.磁體 12.定子

電機(jī)的工作過(guò)程為：接通電機(jī)后，繞線轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪箱內(nèi)蝸輪蝸桿減速裝置減速，帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)輸出力矩，再通過(guò)小齒輪與升降器繞線輪匹配將力矩傳遞至升降器。

2.1.2電機(jī)的參數(shù)

電機(jī)參數(shù)一般包含電機(jī)轉(zhuǎn)速(n)、扭矩(T)和工作電流(I)，電機(jī)在正常工作條件下的性能參數(shù)關(guān)系形成的曲線稱為電機(jī)性能曲線。

正常工作條件下一般指：工作溫度為23℃±5℃；工作電壓為13V。

下面以一個(gè)實(shí)際的電機(jī)性能曲線圖為例說(shuō)明（見(jiàn)圖2）。

圖2 電機(jī)的性能曲線圖

圖2中：

紫色斜向下的實(shí)線為電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速-扭矩圖；

藍(lán)色斜向下的實(shí)線為電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速-扭矩圖；

紫色斜向上的實(shí)線為電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的電流-扭矩圖；

藍(lán)色斜向下的實(shí)線為電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的電流-扭矩圖；

紫色虛線為轉(zhuǎn)速-扭矩的公差要求范圍；

紅色虛線為不同扭矩狀態(tài)下的電流最大允許值。

電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速-扭矩圖一般情況下設(shè)定一致，當(dāng)對(duì)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)狀態(tài)有不同要求時(shí)可以小幅度調(diào)整。

電機(jī)扭矩：T = 9550 P / n = 9550 UI /n 公式（1）

由公式（1）及性能曲線可知，電機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速成反比，與電流成正比。

在升降器電機(jī)能滿足正常工作電壓9V-16V的要求情況下，還會(huì)增加一項(xiàng)反向啟動(dòng)電壓的要求。具體測(cè)試方法是電機(jī)在正常升降負(fù)載（上升1 Nm，下降3 Nm）和電壓(13V)下運(yùn)轉(zhuǎn)，使電機(jī)堵轉(zhuǎn)至熱保護(hù)器斷開(kāi)。待熱保護(hù)器復(fù)位后，要求電機(jī)必須能夠在8.5V電壓下反向起動(dòng)。

電機(jī)堵轉(zhuǎn)后反向啟動(dòng)所需要的電壓值就是反向啟動(dòng)電壓，若反向啟動(dòng)電壓超過(guò)汽車提供的電壓，會(huì)導(dǎo)致升降器堵轉(zhuǎn)后不能反向動(dòng)作。

2.2 電機(jī)反向啟動(dòng)電壓過(guò)高的原因分析

3.2.1結(jié)構(gòu)原理分析

電機(jī)堵轉(zhuǎn)后反向啟動(dòng)時(shí)的受力如下（見(jiàn)圖3）：

圖3 電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)方向啟動(dòng)受力圖

其中：

F1、F4、F6：三個(gè)軸承徑向摩擦力

F2：磁拉力

F3：碳刷換向器摩擦力

F5：蝸桿此輪受力（包含F(xiàn)a、Ft、Fr）

F7：軸頭摩擦力

以上所有的摩擦力對(duì)應(yīng)的力矩，在電機(jī)堵轉(zhuǎn)反向啟動(dòng)時(shí)，都是阻力矩，假設(shè)阻力矩之和為Nf。整車電壓達(dá)不到反向啟動(dòng)電壓導(dǎo)致升降器不能工作的原因就是：

Tm＜Nf（Tm為整車電壓對(duì)應(yīng)的電機(jī)輸出扭矩）

減小阻力矩Nf即可降低反向啟動(dòng)電壓。

為減小阻力矩逐項(xiàng)分析：

F2：磁拉力，正常屬性，斜槽、直槽弱相關(guān)

F3：碳刷換向器摩擦力，正常屬性，碳刷彈簧力弱相關(guān)

F7：軸頭摩擦力，正常屬性，軸頭潤(rùn)滑弱相關(guān)

F5：蝸桿齒輪受力，正常屬性，但是與蝸桿齒輪傳動(dòng)效率相關(guān)，即導(dǎo)程角γ、潤(rùn)滑μ1、蝸桿以及齒輪材料選擇之配合摩擦系數(shù)μ2。這個(gè)是反向啟動(dòng)電壓強(qiáng)相關(guān)因素之一。

F6、F1、F4：正常屬性，但是與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系較大，比如三點(diǎn)支撐或者懸臂梁結(jié)構(gòu)。這個(gè)是反向啟動(dòng)電壓強(qiáng)相關(guān)因素之二。

由上述分析可知，在電機(jī)的設(shè)計(jì)狀態(tài)確定的情況下，F(xiàn)1、F2、F3、F4、F6、F7均比較穩(wěn)定，而F5制造精度和工藝影響較大。故減小F5、提升蝸輪蝸桿的傳遞效率是減小電機(jī)反向啟動(dòng)電壓的關(guān)鍵。

蝸輪蝸桿傳遞受力如下（圖4）：

圖4 蝸輪蝸桿傳遞受力圖

蝸輪蝸桿受力計(jì)算如下：

Ft1 = Fa2= 2T1/d1

Ft2 = Fa1= 2T1/d2

Fr1 = Fr2= Fa1tanα

Fn = Fa1/(cosαn·cosγ) = Fa2/(cosαn·cosγ)= 2T2 /(d2·cosαn·cosγ)

式中，T1、T2為蝸桿與蝸輪上的轉(zhuǎn)矩（Nmm）。

電機(jī)輸出扭矩計(jì)算：

蝸桿-蝸輪摩擦系數(shù)f在影響因子1、2、3設(shè)計(jì)確認(rèn)不進(jìn)行變更的情況下，條件4蝸桿、蝸輪齒面的表面粗糙度起到?jīng)Q定性作用。

即在設(shè)計(jì)狀態(tài)滿足要求，不做設(shè)計(jì)變更的情況下，通過(guò)調(diào)整蝸輪、蝸桿的加工方式，減小其表面粗糙度，以增大蝸輪蝸桿傳遞效率，是減小電機(jī)反向啟動(dòng)電壓的有效方式。

2.2.2電機(jī)布置分析

電機(jī)根據(jù)布局方向，可分為p電機(jī)和q電機(jī)。p電機(jī)CCW（逆時(shí)針）堵轉(zhuǎn)時(shí)的反向啟動(dòng)電壓比CW（順時(shí)針）堵轉(zhuǎn)的啟動(dòng)電壓大。具體力學(xué)分析見(jiàn)表1。

表1 p電機(jī)正反轉(zhuǎn)受力分析對(duì)比圖

實(shí)際使用時(shí)，本車型左側(cè)門使用q電機(jī)，右側(cè)門使用p電機(jī)，導(dǎo)致電機(jī)CCW堵轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，玻璃升降器在上止點(diǎn)位置。由于汽車玻璃一般升到頂部時(shí)放置時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致故障發(fā)生概率增大。

玻璃升降器布置時(shí)考慮左側(cè)門用p電機(jī)，右側(cè)門用q電機(jī)，這樣CCW堵轉(zhuǎn)會(huì)發(fā)生在玻璃升降器降到下止點(diǎn)位置時(shí)。玻璃在下止點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間放置的幾率較小，對(duì)反向啟動(dòng)電壓的影響也較小。

3 故障解決方案驗(yàn)證

3.1 電機(jī)蝸桿表面粗糙度減小驗(yàn)證

目前電機(jī)蝸桿使用銑削加工，表面粗糙度0.1＜Ra＜0.8；由于銑削的加工方式、刀具原因，Ra是有波動(dòng)的，蝸輪蝸桿的嚙合效率因?yàn)镽a不同而波動(dòng)。而采用冷擠壓蝸桿，表面粗糙度0.1＜Ra＜0.4，傳遞效率比機(jī)加工蝸桿高。

對(duì)100對(duì)電機(jī)更換冷擠壓蝸桿后再次進(jìn)行反向啟動(dòng)電壓測(cè)試。測(cè)試結(jié)果： p、q電機(jī)在CW堵轉(zhuǎn)和CCW堵轉(zhuǎn)時(shí)反向啟動(dòng)電壓均不超過(guò)5V，反向啟動(dòng)電壓均值降低效果明顯，滿足＜8.5V的要求，且一致性較高，蝸桿改進(jìn)方案有效。

3.2 p、q電機(jī)左右交換安裝驗(yàn)證

制作電機(jī)座板手工樣件，將前期測(cè)試反向啟動(dòng)電壓較高的三個(gè)右后門電機(jī)更換到左后門測(cè)試，結(jié)果如表2：

表2 電機(jī)反向啟動(dòng)電壓測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，玻璃升降器電機(jī)布置時(shí)應(yīng)考慮電機(jī)形狀（p或q），電機(jī)CW堵轉(zhuǎn)方向應(yīng)與玻璃升降器上升方向一致。

4 總結(jié)

針對(duì)市場(chǎng)玻璃升降器在車窗頂部失效的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)細(xì)致的排查，將問(wèn)題鎖定在電機(jī)上。對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理和布置進(jìn)行了分析，最終確定了問(wèn)題發(fā)生的根源，并且通過(guò)實(shí)物改進(jìn)驗(yàn)證，確認(rèn)了方案的可行性和正確性。

電機(jī)作為玻璃升降器的驅(qū)動(dòng)部件，對(duì)玻璃升降器總成的性能具有極其重要的影響，玻璃升降器絕大部分故障都是由電機(jī)引發(fā)的。因此，在玻璃升降器設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要對(duì)總體布置進(jìn)行檢查確認(rèn)，還要重視電機(jī)的選型使用，確認(rèn)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)和性能是否滿足要求。

[1] 史新華,王學(xué)紅.繩輪式玻璃升降器失效模式分析及改進(jìn).農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2014（2）.

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[4] 劉銘毓.車門玻璃升降器電機(jī)齒輪箱的改進(jìn).汽車與配件[J].2016（33）.

A SUV glass regulator failure analysis and improve

Zhu Wei, Wu Jingjing, Liu Meili

( Anhui jianghuai automobile group co. LTD. Technical center, Anhui Hefei 230601 )

Glass regulator is one of the important accessories in the door system. Its reliability and safety are very important. Starting from two aspects of the mechanism and layout of the motor, this paper analyzes the main reasons for the failure of a SUV glass regulator, and puts forward some rectification measures. At the same time, new requirements for motor design are put forward for the design of glass regulator, and the recurrence of such problems is eliminated from the source of design.

Glass regulator;Motor;Failure analysis;Inverse start-up voltage

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1671-7988(2018)16-44-04

U467

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1671-7988(2018)16-44-04

CLC NO.: U467

朱偉，本科，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，研究方向車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.016