羊曉晟

摘要：新能源汽車(chē)具有綠色、低碳、智能、時(shí)尚、使用成本低等特點(diǎn)且逐漸普及，對(duì)零部件的重量、成本 和聲學(xué)表現(xiàn)提出了更高的要求?；诖?，設(shè)計(jì)了一種新型玻璃升降器電機(jī)，采用刷架和軸承一體成型技術(shù)， 縮短電機(jī)整體長(zhǎng)度。相較于其他市場(chǎng)主流電機(jī)，該新型玻璃升降器電機(jī)重量減少 40 g，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證電機(jī) 在測(cè)量點(diǎn)的空載空氣噪聲平均值降低 4 dBA，且具有穩(wěn)定的工作可靠性、更高的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性、良好的應(yīng)用 價(jià)值和市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē)；玻璃升降器電機(jī)；聲學(xué)；重量；成本

中圖分類(lèi)號(hào)：TP211.4；U463.853文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

2020 年 11 月 2 日，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布的《新 能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》指出， 我國(guó)新能源汽車(chē)進(jìn)入了加速發(fā)展的新階段。新能源 汽車(chē)產(chǎn)業(yè)是當(dāng)前我國(guó)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的重要組成部 分，直接關(guān)系到我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的整體發(fā)展，對(duì)提高 我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)質(zhì)量意義重大。發(fā)展新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè) 是我國(guó)應(yīng)對(duì)資源消耗和氣候變化兩大挑戰(zhàn)、治理生 態(tài)環(huán)境污染以及實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措，也 是我國(guó)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品升級(jí)的重要途 徑，對(duì)我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)從高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變 具有重要的推動(dòng)作用 [1]。

根據(jù)公安部發(fā)布的統(tǒng)計(jì)信息，截至 2023 年底， 全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá) 4.35 億輛，其中汽車(chē)為 3.36 億 輛。全國(guó)新能源汽車(chē)保有量達(dá) 2 041 萬(wàn)輛，占汽車(chē) 總量的 6.07%；其中純電動(dòng)汽車(chē)保有量為 1 552 萬(wàn) 輛，占新能源汽車(chē)保有量的 76.04%。2023 年新注 冊(cè)登記新能源汽車(chē) 743 萬(wàn)輛，占新注冊(cè)登記汽車(chē)數(shù) 量的 30.25%，與 2022 年相比增加了 207 萬(wàn)輛，增 長(zhǎng)率為 38.62%。新能源汽車(chē)數(shù)量從 2019 年的 120 萬(wàn)輛增加到 2023 年的 743 萬(wàn)輛，整體呈高速增長(zhǎng) 態(tài)勢(shì)。

在新能源汽車(chē)高速發(fā)展過(guò)程中，存在的問(wèn)題 如下。

（1）生產(chǎn)成本過(guò)高。新能源汽車(chē)的生產(chǎn)成本主 要集中在 3 個(gè)部分：動(dòng)力電池、電控系統(tǒng)和電機(jī)。 其中，動(dòng)力電池是最昂貴的部分，其作為新能源汽 車(chē)的心臟，在整體生產(chǎn)成本中占比大。除了動(dòng)力電 池，新能源汽車(chē)的成本還涉及電機(jī)、電力電子設(shè) 備、控制器、車(chē)輛結(jié)構(gòu)、制造工藝等多個(gè)方面，因 此降低零部件的成本也是提高新能源汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)力的 有效方法之一。

（2）車(chē)子自重過(guò)大。純電新能源汽車(chē)的整車(chē)重 量通常比燃油車(chē)更加重一些，因?yàn)槠?chē)的結(jié)構(gòu)不 同，純電新能源汽車(chē)使用電池組作為核心動(dòng)力的輸 出，而電池組的重量較大，一般電池組的重量達(dá)到 了 300 kg。普通家用燃油車(chē)的重量大約為 1 600 kg， 但是純電新能源汽車(chē)的重量一般都超過(guò)了 2 000 kg。 降低新能源汽車(chē)整車(chē)重量可以有效減少電池消耗， 提高新能源汽車(chē)的續(xù)航里程，因此零部件輕量化也 是勢(shì)在必行。

（3）靜謐性有待提高。相較于將內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng) 力源的傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，新能源汽車(chē)尤其是以純電池 作為動(dòng)力源的汽車(chē)，汽車(chē)靜謐性顯得更加重要，尤 其是車(chē)內(nèi)噪聲。目前如何改善車(chē)內(nèi)乘員的聲學(xué)環(huán) 境、減小車(chē)內(nèi)噪聲、進(jìn)一步提高車(chē)輛座椅的舒適 性，已經(jīng)成為世界各大汽車(chē)主機(jī)廠、零部件廠商、 科研單位等機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn) [2]。因此各大零部件廠 家對(duì)改善噪聲的研發(fā)投入越來(lái)越多，尤其是安裝布 置在車(chē)身內(nèi)部的各類(lèi)小型或微型電機(jī)，如座椅電 機(jī)、玻璃升降器電機(jī)、天窗電機(jī)、雨刮電機(jī)等有刷 電機(jī)。

1 玻璃升降器電機(jī)總成

為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的駕駛安全性和舒適性的需 求，手搖式玻璃升降器逐漸被取代，目前電動(dòng)玻 璃升降器幾乎已經(jīng)成為汽車(chē)的基本配置。目前在中 國(guó)，已經(jīng)有超過(guò) 80% 的乘用車(chē)配備了電動(dòng)玻璃升 降器，而且這一比例還在繼續(xù)上升。電動(dòng)玻璃升降 器系統(tǒng)中最核心的部件就是玻璃升降器電機(jī) [3]，通 過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使車(chē)窗玻璃平穩(wěn)升降，所以電機(jī) 工作性能直接關(guān)系到整個(gè)玻璃升降器系統(tǒng)的工作 表現(xiàn)。

玻璃升降器電機(jī)一般由驅(qū)動(dòng)部分和傳動(dòng)裝置部 分組成（圖 1），其中驅(qū)動(dòng)部分是通過(guò)直流電機(jī)進(jìn) 行供電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。傳動(dòng)裝置一般由齒輪、齒 輪箱和齒輪蓋板組成，齒輪傳動(dòng)利用齒輪的嚙合原 理，通過(guò)蝸桿和齒輪的配合，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn) 化為線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)窗玻璃的升降。

本文設(shè)計(jì)了一款新型玻璃升降器電機(jī)，通過(guò)刷 架和軸承一體成型，縮短電機(jī)軸的長(zhǎng)度，從而實(shí) 現(xiàn)低成本、輕量化和低噪聲，滿(mǎn)足當(dāng)前中國(guó)市場(chǎng)的 需求。

2 刷架和軸承一體成型

目前市場(chǎng)上多數(shù)電機(jī)刷架總成里的軸承都是利 用氣缸壓入刷架軸承孔（圖 2），采用過(guò)盈配合技 術(shù)將軸承固定在刷架脖子的軸承孔內(nèi)。該方式的軸 承裝配工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但需要更多的產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備，并 且軸承相對(duì)于刷架的位置度需要依靠設(shè)備的精準(zhǔn)定 位以及零部件自身精確的尺寸保證，對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈 和設(shè)備都有較高的要求，所以生產(chǎn)過(guò)程中軸承推出 力和軸承平行度需要不定期進(jìn)行調(diào)整。

采用刷架和軸承一體成型工藝，在刷架供應(yīng)商 模具里提前將軸承注塑在里面。金屬—塑料一體化成型技術(shù)流程如下：首先對(duì)金屬零件表面進(jìn)行預(yù)處 理（包括物理處理和化學(xué)處理），在金屬零件表面 形成微納米孔洞或凹槽，再將塑料以模壓、注塑、 焊接等方式與金屬搭接成型，從而實(shí)現(xiàn)金屬塑料一 體化連接成型。一體化成型技術(shù)已成為當(dāng)前汽車(chē)輕 量化技術(shù)重要發(fā)展方向之一，是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的 有效途徑 [4]。

這種一體成型工藝的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①通過(guò) 更好的軸承定位提高電機(jī)聲學(xué)性能；②增大軸承推 出力；③更好地控制刷架脖子的外徑尺寸，使其與 齒輪箱更匹配；④減少裝配線(xiàn)上的壓制工序，進(jìn)而 降低產(chǎn)線(xiàn)投資。

如圖 3 所示，通過(guò)使用相同批次的軸承和刷架 進(jìn)行尺寸測(cè)量對(duì)比，相較于軸承壓入刷架的方式， 軸承刷架一體成型具有更好的尺寸表現(xiàn)（平行度、 位置度、同軸度和垂直度）。

這些尺寸的表現(xiàn)直接體現(xiàn)在電機(jī)的運(yùn)行噪聲 上，軸承與刷架具有良好的位置度和同軸度，可以 有效改善電機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡量，降低電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中 因?yàn)檗D(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的抖動(dòng)，從而提升電機(jī)整 體的噪聲表現(xiàn)，有助于提高整車(chē)靜謐性。

但在軸承和刷架一體成型時(shí)，需要控制模具注 塑的模流溫度以及模具和塑料粒子的清潔度，如果 注塑時(shí)模流溫度過(guò)高，容易造成含油軸承的含油量 不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)（20%±2.5%）且油譜不合格，進(jìn)而造 成軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不順暢導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中有雜音，嚴(yán) 重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)電機(jī)卡死現(xiàn)象。

3 縮短電機(jī)輸出軸和齒輪箱長(zhǎng)度

電機(jī)軸擾度是指電機(jī)輸出軸在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過(guò)程 中，在外力作用下彈性體發(fā)生的彎曲變形。電機(jī) 軸擾度是電機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過(guò)程中需要考慮的 重要參數(shù)之一，合理的擾度對(duì)傳動(dòng)精度和傳動(dòng)可 靠性有很大影響，并且能夠滿(mǎn)足各種工況下的使 用需求。

玻璃升降器電機(jī)的軸受力是垂直方向，受到的 是垂直載荷。垂直載荷情況下電機(jī)軸的擾度計(jì)算公 式為：

Δ=（5×F×L4 ）/（384×E×I）。 （1）

式中，Δ 為電機(jī)軸撓度；F 為垂直作用于軸上的載 荷大??；L 為軸的長(zhǎng)度；E 為軸材料的彈性模量；I 為軸截面的慣性矩。

由式（1）可知，縮短軸的長(zhǎng)度 L，可以有效 降低電機(jī)軸擾度。將三維數(shù)模導(dǎo)入軟件 ANSYS 中 進(jìn)行仿真分析，在相同邊界條件下，縮短軸長(zhǎng)度 10 mm，在 X 軸方向上，蝸桿和轉(zhuǎn)子位置的軸彎曲 量分別為 0.018 mm 和 0.019 mm。相較于原本軸長(zhǎng) 為 137 mm 的電機(jī)，兩個(gè)位置的軸變形量分別減小 了 0.013 mm 和 0.006 mm，電機(jī)軸擾度明顯降低， 并且車(chē)削時(shí)轉(zhuǎn)子換向器表面的品質(zhì)得到了提高，從而改善了電機(jī)的噪聲表現(xiàn)。

縮短軸長(zhǎng)度的同時(shí)也減小了齒輪箱的結(jié)構(gòu)尺寸 以進(jìn)行整體裝配，玻璃升降器電機(jī)通過(guò)齒輪箱上 3 個(gè)安裝孔直接安裝在玻璃升降器系統(tǒng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的 轉(zhuǎn)力直接作用于齒輪箱，這對(duì)齒輪箱的強(qiáng)度提出了 很高的要求。齒輪箱的強(qiáng)度主要是通過(guò)選用的材料 以及結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)保證，因此在縮短齒輪箱整體長(zhǎng)度 的情況下，需要對(duì)齒輪箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可通過(guò) 優(yōu)化安裝孔位的筋條結(jié)構(gòu)布局并且加強(qiáng)頂端軸承配 合處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)仿真分析，相較于加 長(zhǎng)版齒輪箱，縮短長(zhǎng)度并結(jié)合了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的齒 輪箱的馮·米塞斯應(yīng)力（von Mises stress）降低了 13.7 MPa，并且遠(yuǎn)低于齒輪箱材料（GFPP-L40 材 料）的斷裂極限 82 MPa。

通過(guò)減短電機(jī)軸和齒輪箱的長(zhǎng)度，縮短了 10 mm 的電機(jī)整體長(zhǎng)度，同時(shí)也節(jié)省了相應(yīng)的原材 料，電機(jī)整體重量降低了 40 g，降低了成本。與此 同時(shí)，輕量化、小尺寸電機(jī)給客戶(hù)留出了更多的安 裝空間，增大了產(chǎn)品適用范圍。

4 結(jié)論與展望

（1）本文設(shè)計(jì)了一款新型玻璃升降器電機(jī)，整體 尺寸小于市面上多數(shù)同類(lèi)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了輕量化、低噪 聲和低成本，是一款符合當(dāng)前中國(guó)市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。

（2）相較于原本軸長(zhǎng)為 137 mm 的電機(jī)，電機(jī) 長(zhǎng)度縮短了 10 mm，重量減輕 40 g，空載噪聲降低 了 4 dBA。運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)源（離心力）的力臂到齒 輪箱 3 個(gè)安裝孔的距離縮短，對(duì)車(chē)門(mén)的沖擊力矩相 對(duì)減少，同時(shí)重量的減低，也有利于緩沖對(duì)玻璃升 降器系統(tǒng)的沖擊。

（3）未來(lái)將在現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品 的市場(chǎng)售后表現(xiàn)，通過(guò)更多的試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真，優(yōu) 化碳刷結(jié)構(gòu)、彈簧釋放工藝以及換向減震墊設(shè)計(jì)， 進(jìn)一步降低電機(jī)的空氣傳播噪聲和振動(dòng)噪聲，更好 地滿(mǎn)足新能源汽車(chē)的靜謐性需求，使產(chǎn)品具有更強(qiáng) 的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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