陳勇強

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545005

0 引言

汽車手動玻璃升降器是由手柄驅(qū)動，并通過傳動機構(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；其主要功能是通過調(diào)整汽車門窗開度的大小、保證車門玻璃平穩(wěn)、門窗能隨時順利開啟和關(guān)閉裝置，當升降器不工作時，玻璃能停留在任意位置上。汽車手動玻璃升降器是一個非常重要的汽車車身附件，它解決了乘客對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。所以手動玻璃升降器的耐久性能也是客戶選擇汽車的一項重要指標。而針對汽車手動玻璃升降器耐久試驗，當前國內(nèi)外并沒有一套成型統(tǒng)一的方法，部分車企甚至采用人工搖動手柄的方式進行試驗，此類方法不僅給企業(yè)帶來較大的人力成本，甚至還對人身安全造成巨大的威脅，試驗效果極不理想。文中針對汽車外開手柄及門鎖試驗的問題，設(shè)計了一套耐久試驗臺架。

1 耐久試驗要求

汽車手動玻璃升降器耐久試驗，主要目的驗證汽車手動玻璃升降器系統(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)計部門提供試驗數(shù)據(jù)和改進方向。該試驗要求為：試驗裝置需要模擬人力搖動手柄實現(xiàn)玻璃的上升、上堵轉(zhuǎn)、下降、下堵轉(zhuǎn)和中間暫停動作，以此定義為一個循環(huán)。在設(shè)定的常溫、高溫、低溫環(huán)境下，要求能夠無故障地完成對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。試驗過程中需要監(jiān)控玻璃在上升過程、下降過程、堵轉(zhuǎn)過程的扭矩大小。為了便于試驗管理，試驗過程如出現(xiàn)卡滯、試驗超時、試驗完成等情況，能夠?qū)崿F(xiàn)報警提示。同時為了確保試驗數(shù)據(jù)的準確性，耐久試驗臺架施加在零件的載荷均要求在設(shè)計范圍內(nèi)，確保試驗結(jié)果能夠正確反映試驗樣件的真實狀態(tài)。

2 試驗裝置設(shè)計過程

2.1 原材料的選擇

試驗裝置是采用搭建臺架的方式，針對臺架搭建所需要的材料，對比了幾種原材料的優(yōu)缺點后，選擇了鋁合金型材作為臺架的原材料。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的T型槽，方便臺架的拆裝；

(3)鋁型材耐臟，且易處理，保養(yǎng)工作簡單；

(4)鋁型材輕巧，開展工作難度小，搬運方便。

使用鋁合金型材搭建臺架的基架之后，按照裝置設(shè)計要求，將安裝有手動玻璃升降器的車門以實車固定方式固定在臺架上，并對車門進行固定，保證車門穩(wěn)固不晃動。

2.2 傳動方式的選擇

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

(1)傳動過程要求平穩(wěn);

(2)傳動效率高效，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環(huán)境。

綜合各個因素考慮，最終考慮使用齒輪傳動裝置為主要轉(zhuǎn)動機構(gòu)，同時配合傳動軸、軸承及座、聯(lián)軸器等裝置配合完成傳動。

2.3 驅(qū)動盤的選擇

試驗過程中，需要一個跟手柄直接接觸并且驅(qū)動手柄搖動的工裝。選擇該驅(qū)動裝置時，除需要滿足臺架設(shè)計要求，還要滿足以下要求：

(1)能夠?qū)㈦姍C扭矩傳遞到手柄，是手柄實現(xiàn)模擬人力搖動的動作；

(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)動慣量??；

(4)能耐高低溫等惡劣試驗環(huán)境。

綜合以上幾個因素，在對比分析金屬工裝等其他工裝時，最終選擇采用尼龍板加工成的圓盤來作為該驅(qū)動裝置。同時為了避免圓盤在運動過程中因為臺架安裝的誤差，手柄與圓盤發(fā)生相對運動時，圓盤對手柄產(chǎn)生額外的破壞，在設(shè)計工程中將驅(qū)動手柄的圓孔加工成長孔，同時尺寸比手柄搖輪偏大。避免臺架對玻璃升降器搖柄產(chǎn)生破壞，保證臺架滿足試驗要求。

3 驅(qū)動方式的設(shè)計

試驗臺架的驅(qū)動方式是需要將手柄模擬人力搖動方式驅(qū)動玻璃上升和下降，扭矩大小為10 N·m左右，同時還要滿足以下幾個條件：

(1)驅(qū)動動力源要能夠滿足高低溫環(huán)境要求；

(2)能夠通過控制程序來實現(xiàn)手柄正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；

(3)該動力驅(qū)動源轉(zhuǎn)動速度大小可通過外加輸入調(diào)節(jié)；

(4)該動力來源經(jīng)濟實惠，性價比高。

綜合油泵、氣泵、電機等各動力源性能，優(yōu)先考慮使用電機作為此臺架的動力源；針對各款式的電機，最終使用汽車電動玻璃升降器的驅(qū)動電機作為該試驗臺架的驅(qū)動裝置。其優(yōu)勢在于：

(1)電動玻璃升降器驅(qū)動電機，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行；

(2)能夠匹配玻璃升降器耐久試驗的高低溫試驗環(huán)境;

(3)該電機通過調(diào)整電源正負極輸入即可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，滿足試驗要求；

(4)試驗過程中通過調(diào)節(jié)電壓大小輸入可達到調(diào)整其運行速度，運行扭矩大小，能滿足試驗要求。同時玻璃升降器電機還具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝容易、易于保養(yǎng)等優(yōu)點，適合當前耐久試驗臺架的選擇。

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計

由于此試驗臺架是采用電機作為動力源，在耐久試驗上，對設(shè)備的耐久性能要求極高，現(xiàn)場采用PLC控制系統(tǒng)作為試驗臺架的控制系統(tǒng)。主要由于：

(1)PLC可編程方法簡單易學(xué);

(2)PLC功能強，性能價格比高;

(3)硬件配套齊全，用戶使用方便;

(4)可靠性高，抗干擾能力強，綜合PLC程序控制的優(yōu)點，采用PLC程序控制，實現(xiàn)臺架的機電一體化功能，不僅可以完成臺架的自動控制，自動計數(shù)，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)自動循環(huán)等功能。

試驗臺架的原材料和臺架搭建方案都確定之后，試驗臺架的整體輪廓也就成型了。

如圖1所示，在搭建耐久試驗臺架時，根據(jù)車門大小搭建完成臺架基架之后，將車門按照實車固定在汽車上的方式固定安裝，之后將試驗零件：手動玻璃升降器，內(nèi)外水切，玻璃導(dǎo)槽密封條、手柄等以實車裝配方式安裝在車門上。同時根據(jù)設(shè)計方案完成試驗臺架。

圖1 汽車手動玻璃升降器耐久試驗裝置

5 臺架的運行過程

根據(jù)試驗要求，手動玻璃升降器耐久試驗的動作要求為：玻璃上升—玻璃中間停止—玻璃上升—玻璃上堵轉(zhuǎn)—車門打開—車門關(guān)閉；同時手柄的解鎖力、開關(guān)門力、關(guān)門速度以及密封力均有設(shè)計值要求，試驗過程中還需要對手柄的解鎖力、密封力以及關(guān)門速度的大小實施監(jiān)控，同時還要監(jiān)控車門是否開啟到位。根據(jù)此要求，現(xiàn)場使用PLC設(shè)計臺架控制邏輯，實現(xiàn)試驗的開展。

此次臺架試驗的試驗原理為：

(1)試驗開始前，使用扭矩傳感器標定要求堵轉(zhuǎn)扭矩對應(yīng)的電機電壓輸入值；

(2)根據(jù)試驗轉(zhuǎn)速要求選定不同傳動比的齒輪；

(3)啟動設(shè)備，接通驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；

(4)驅(qū)動機電帶動主動齒輪轉(zhuǎn)動，帶動從動齒輪和齒條運動；

(5)從動齒輪帶動驅(qū)動圓盤轉(zhuǎn)動，從此帶動手動玻璃升降器上升，當齒條經(jīng)過接近開關(guān)2暫停一段時間后繼續(xù)上升，扭矩傳感器實時監(jiān)控玻璃上升扭矩大??；

(6)玻璃上升到頂時，通過接近開關(guān)3將信號反饋到PLC，PLC執(zhí)行玻璃堵轉(zhuǎn)動作并計時；

(7)堵轉(zhuǎn)完成后，休息一段時間，PLC控制接通驅(qū)動電機反向電路，電機反向轉(zhuǎn)動;

(8)電機反向轉(zhuǎn)動帶動玻璃下降，齒條經(jīng)過接近開關(guān)2時暫停一段時間后繼續(xù)下降，扭矩傳感器實時監(jiān)控下降過程中的扭矩大??；

(9)玻璃下降到底時，通過齒條邊上的接近開關(guān)1將信號反饋到PLC，PLC執(zhí)行玻璃堵轉(zhuǎn)動作并計時；

(10)休息一定時間后，PLC驅(qū)動玻璃重新上升;

(11)扭矩傳感器實時監(jiān)控接近開關(guān)1與接近開關(guān)3之間的扭矩值，當扭矩值超出試驗要求即輸出報警信號;

(12)以上為實現(xiàn)耐久試驗的一個過程，一個過程完成之后，利用PLC程序的自動循環(huán)指令，將該過程又重新開始，同時加入計數(shù)累計指令，將試驗次數(shù)累計，直至完成要求試驗次數(shù)，同時在PLC程序中加入了其他報警功能，在試驗過程中出現(xiàn)問題時，臺架會自動報警并暫停試驗，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，實現(xiàn)了機電一體化功能。

以上為手動玻璃升降器的運行循環(huán)過程，一個循環(huán)完成后，PLC控制程序可實現(xiàn)控制下一個循環(huán)開始，直至完成所有需要完成的試驗次數(shù)為止。

6 結(jié)束語

通過對手動玻璃升降器耐久試驗臺架的研究，結(jié)合現(xiàn)場試驗的實際需求，成功設(shè)計出汽車車門手動玻璃升降器耐久試驗臺架。該臺架經(jīng)過多次耐久試驗驗證之后，臺架的可靠性極高，目前已應(yīng)用到多項手動玻璃升降器耐久試驗中，并很好地履行耐久試驗臺架的功能，發(fā)現(xiàn)了很多新產(chǎn)品潛在的故障，為研發(fā)部門的整改提供了方向。目前該臺架已申請了國家專利，并投入在多項手動玻璃升降器耐久試驗項目中。