10.16638/jki.1671-7988.2017.14.002
刘小锐，吴文昌，黄启涌，李昂
（广汽本田汽车有限公司，广东广州510700）
摘要：单导轨玻璃升降器凭借其空间小、质量轻以及价格低等优势。但其在运行时，玻璃旋转稳定性较差，容易产生抖动、异响等问题。为了提高单导轨玻璃升降器的旋转稳定性，提高品质，文章通过车门玻璃升降系统力学模型的建立，对各部件的结构以及装配关系进行研究，指出玻璃升降器、车门、导轨以及导槽等部件对玻璃升降的影响因素。保证单导轨玻璃升降系统的设计品质和制造品质。
关键词：玻璃升降器；单导轨；设计品质；制造品质
中图分类号：U465 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)14-03-05
Study on quality control of single guide glass lifting system
Liu Xiaorui, Wu Wenchang, Huang Qiyong, Li Ang
( Guangqi Honda automobile co., LTD., Guangdong Guangzhou 510700 )
Abstract: the single-rail window glass regulator has the advantage of small space, light weight and low cost. But because of the poor glass running rotational stability,it may cause shake, abnormal sound problems. In order to improve the glass running rotational stability. this article based on the establishment of forced model, analysis of structures and assembling relation for each component, illustrates that each component influence the window glass regulator system. ensure the design quality and manufacturing quality of the window glass regulator system.
Key words: window glass regulator; single-rail; design quality; manufacturing quality
CLC NO.: U465 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)14-03-05
引言
车门玻璃升降系统对整车的安全性、密封性、实用性有着重要作用。车门玻璃升降系统涉及零件较多，运动过程复杂，出现问题难以解析，一直困扰着各款车型的顺利量产。在玻璃升降的过程中，一般容易出现如玻璃动作不良，升降缓慢；玻璃升降抖动；玻璃升降碰撞异响，摩擦异响。问题产生的原因多种
多样，较为复杂，有设计规格的原因，也有制造不良的原因，本文将建立玻璃升降系统的力学模型，分析研究玻璃升降器、车门、导轨以及导槽等部件对玻璃升降的影响，从设计以及制造的角度去探讨玻璃升降系统的品质控制。
按照玻璃升降器的机械结构类型，可分为双导轨玻璃升降器和单导轨玻璃升降器。双导轨玻璃升降器最大的优点就是玻璃升降的稳定性，但现在，随着车门系统在设计开发中越来越重视空间利用率以及追求轻量化（降低油耗），单导轨玻璃升降器凭借其空间需求少、质量轻以及成本等优势，应用越来越广泛[1]。这就对玻璃升降系统提出了更高的要求。本文将从设计品质以及制造品质两个方面对单导轨玻璃升降系统进行系统的分析研究。
1 单导轨玻璃升降系统构成
1.1 车门升降系统
车门玻璃升降系统是车门系统的一部分，相关的零件包括：玻璃升降器、车门玻璃、窗框导轨、窗框导轨胶条，内
作者简介：刘小锐，就职于广汽本田汽车有限公司。
刘小锐等：单导轨玻璃升降系统品质控制研究 4 2017年第14期
外水切。车门玻璃升降的品质与这些零件密切相关。如图1示出单导轨玻璃升降系统的示意图。
图1 单导轨玻璃升降系统结构示意图
1.2 单导轨玻璃升降器
单导轨玻璃升降器结构，如图2所示。
图2 单导轨玻璃升降器结构示意图
单导轨玻璃升降器主要由导轨，电机，涡轮蜗杆，拉索，托架等组成，其基本工作原理是电机转动，通过涡轮蜗杆结构带动卷线筒，卷线筒转动拉动拉索，拉索拉动玻璃托架，带动玻璃在升降器导轨的轨迹上进行升降。
2 单导轨玻璃升降系统力学模型的建立
2.1 单导轨玻璃升降系统的结构特点
对于单导轨玻璃升降器，玻璃是通过单个托架固定在导轨上，其稳定性不如双导轨玻璃升降器。因此，在玻璃升降的过程中，玻璃肯定会存在旋转或者旋转的趋势。由于玻璃与导轨是用螺栓固定在一起，没有相互运动，因此，拉索对托架施加的力可等效于直接施加于玻璃，受力点为拉索与玻璃下边缘的交点。该点称为玻璃的举升点。该点设计的合理性将决定着玻璃升降的稳定性[2]，后续将重点介绍。
2.2 单导轨玻璃升降系统力学模型建立
图3 单导轨玻璃升降系统受力分析
玻璃在升降的过程中，主要受到自身的重力，胶条、水切的摩擦力、升降器的牵引力。以上升过程为例，假设玻璃处于平衡状态，即窗框胶条没有对玻璃施加额外的支撑力，进行以下受力分析，建立力学模型，如图3所示。
由力的平衡得出公式如下：
（1）
（2）式中，G是玻璃自身重力，其中，G1是平行于玻璃运动方向的分力，G2是平行于水切方向的的分力；
F q是玻璃升降器托架对玻璃施加的驱动力，其中，F q1是平行于玻璃运动方向的分力，F q2是平行于水切方向的的分力；
f1，f2分别是B、A柱导轨胶条对玻璃的摩擦力，f3是水切对玻璃的摩擦力，方向均为平行于玻璃运动方向。
其中，f1，f2是胶条对玻璃的摩擦力，其大小由胶条摩擦系数μ，单位长度胶条压缩载荷CLD(COMPRESSION LOAD DEFLECTION)以及玻璃长度L决定，得出公式：
（3）在力平衡条件下，选定A柱处D点为支点，如图4所示：
图4 单导轨玻璃升降系统力矩平衡分析
得出公式如下：
（4）
（5）式中，M q1，M q2，M f1，M f2，M f3，M G分别为F q1，f1，f2，G产生的旋转力矩，N*m
X为平衡点与A柱支点的距离，θ为竖直方向与导轨方向的夹角。
因F q2，f2经过所设支点D，因此产生力矩为零，故得出以下公式：
（6）通过对整个玻璃升降系统进行受力平衡分析，力矩平衡分析，建立了玻璃升降系统力学模型，为玻璃升降系统的品质控制提供了理论基础。
3 单导轨玻璃升降系统设计品质控制
由于玻璃升降系统结构复杂，运动过程复杂，因此在设计四门系统的时候，必须考虑玻璃升降的品质，提高玻璃升降系统的设计品质。对于单导轨玻璃升降系统，设计品质主要从玻璃形状设计，举升点设计，托架拉索受力点设计，玻璃与窗框导轨间隙设计以及托架间隙设计等方面考虑。
3.1 玻璃形状设计
从力学模型可以看出，玻璃在升降过程中会受到两边导轨胶条的摩擦力。一般玻璃的形状都是B柱较长，A、C柱较
汽车实用技术 5 2017年第14期
短，这就导致了玻璃前后边所受的摩擦力不一致，且玻璃在上升和下降时，所受摩擦力的方向是相反的，因此，玻璃在上升和下降的时候，都会产生顺、逆时针的旋转力矩，使得玻璃产生一定旋转或旋转趋势。玻璃旋转稳定性的不足容易造成玻璃碰撞异响，玻璃作动困难等不良。
以前门为例，玻璃在下降时，B 柱摩擦力大于A 柱摩擦力，其产生的力矩使得有玻璃顺时针旋转（或趋势），从而离开B 柱（或趋势）如图5所示。
图5 前门玻璃下降时摩擦力矩分析
因此，在整车外观设计以及玻璃形状设计的过程中，必须尽可能地使玻璃前后两边的长度差较小，如图6所示。
图6 玻璃形状示意图
3.2 举升点设计
对于一般轿车的侧面结构，都是B 柱长于A 、C 柱，因此，对于四门玻璃，在上升过程中，使其靠向（或趋势靠向）B 柱，能使玻璃获得较好的稳定性。
以前门为例，根据力学模型中得出扭矩平衡公式：
（7）
为使得玻璃在上升的过程中倾向于B 柱，因此，在由公式得出平衡点P 后，举升点应相对于平衡点P 前移△X （△X ≈10~30mm ，同时结合周边零件设计）。这样前门玻璃就能倾向于B 柱，获得较好的稳定性，如图7所示。
图7 前门玻璃举升点示意图
图8 后门玻璃举升点示意图
同样的，对于后门玻璃，同样需要通过力学模型获得平衡点。值得注意的是，后门玻璃的举升点应相对于平衡点后移△X 来设计，使得后门玻璃同样倾向于B 柱，获得较好的稳定性，如图8所示。 3.3 托架拉索受力点设计
玻璃托架是通过拉索拉动其在升降器导轨上进行运动，并通过导轨上的支点进行止点限位，如图9所示。
图9 升降器托架示意图
若采用如图所示的拉索托架结构，由于拉索与导轨不在一条直线上，当拉索拉动托架瞬间，会产生旋转力矩，从而带动玻璃旋转，会产生玻璃碰撞异响等不良。因此，在设计玻璃托架结构的时候，应采用拉索与导轨同一直线的设计，以获得较好的玻璃旋转稳定性，如图10所示。
图10 升降器托架示意图
3.4 玻璃与窗框导轨间隙设计
图11 玻璃与导轨间隙示意图 为了吸收制造公差，车门玻璃前后边缘与窗框胶条的底部会保留一定间隙。若该间隙设计过大，则玻璃在运动过程中容易发生旋转，并在升降的初始点产生碰撞异响等不良；
若该间隙设计过小，当零件的制造精度不足导致制造偏差大，则会引起玻璃所受摩擦力过大，造成玻璃作动困难。因此，该间隙的设计应根据供应商以及主机厂的制造水平去设计，力求在制造精度保证范围内最优化该间隙。 3.5 托架间隙设计
玻璃托架与升降器导轨之间是间隙配合。该间隙若设计过大，则玻璃的稳定性会降低；若该间隙设计过小，则会使得托架在运动过程中与导轨之间产生干涉阻滞。该间隙应考虑托架的结构，玻璃的形状、重量等进行设计，以提高玻璃
刘小锐等：单导轨玻璃升降系统品质控制研究 6 2017年第14期
升降的稳定性。
3.6 实例分析
以某款车型为例，在其试作阶段，发生了后门玻璃下降到底拍打B柱异响。从系统上分析，其玻璃形状、托架拉索受力点以及玻璃&导轨间隙设计均存在考虑不足的地方，具体分析如下。
为了满足外观设计，其玻璃采用了如图12所示的形状。因前后边长度差距过大，造成玻璃在运动的时候前后摩擦力差异大，进而造成玻璃发生旋转。
图12 玻璃旋转示意图
然后，其采用的升降器托架的拉索与导轨不在一条直线上（如图9所示），在托架运动到下止点的时候，会产生旋转扭矩，进而带动玻璃拍打B柱，产生异响。如图13所示。
图13 玻璃拍打示意图
由于车门系统已完成设计，不可能对玻璃形状和升降器导轨托架进行重新设计，需从其他方面去考虑修改。
图14 减小间隙示意图
通过前面的分析得出，减小玻璃边缘与导轨底部间隙可以增加玻璃的旋转稳定性。最终经过试验验证，通过在导轨底部追加EPDM，减小了间隙，如图14所示，有效地解决了不良。
玻璃升降系统往往会由于多个方面的设计不足而造成不良的发生。因此，玻璃升降系统设计必须基于整体考虑，确保整个系统的设计品质。
4 单导轨玻璃升降系统制造品质控制
由于玻璃升降系统结构复杂，涉及零件多，相关零件的制造不良都可能引起玻璃升降的异响、作动不良。因此，必须对相关零件的关键尺寸进行重点管理，确保玻璃升降系统的制造品质。
4.1 窗框导轨制造精度的影响
在玻璃升降过程中，窗框导轨对玻璃起导向和限位作用。设计时，玻璃升降引导线确认后，导轨断面沿着引导线扫描得出窗框导轨[3]。因此，窗框导轨的曲率，宽度，前后导轨的跨度，平面度均会对玻璃的升降造成影响。
当玻璃的曲率与窗框导轨的曲率一致的时候，玻璃才能升降自如。若导轨自身曲率发生严重偏差（如图15所示），导轨自身的宽度不足以吸收该偏差时，玻璃在升降的过程中就会严重挤压胶条，阻力增大，造成玻璃升降困难，严重时摩擦损坏胶条。
图15 导轨曲率示意图
同样地，当门上前后两条导轨的平面度发生偏差时（如图16所示），玻璃同样会发生挤压胶条现象，导致玻璃所受的前后阻力不一致，也会造成玻璃升降不良。
图16 导轨平面度示意图
如图17示出的玻璃导轨结构位置示意图。理论上，跨度D等于玻璃宽度、胶条底部厚度以及底部间隙的总和。跨度D的偏差会影响底部间隙的大小，若D偏大，则玻璃升降时容易发生旋转，玻璃不稳定，容易造成拍打异响；若D偏小，则玻璃升降时容易被胶条卡死，造成升降困难。
图17 导轨平面度示意图
4.2 升降器制造精度的影响
玻璃升降器是系统中的动力输出源，其托架的运行轨迹，
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导轨精度以及电机输出动力等都会影响着玻璃的升降品质。
由于升降器托架跟玻璃直接是通过螺栓直接固定的，因此，托架的运行轨迹决定了玻璃的运行轨迹。而托架又是固定在升降器的导轨上，托架的运动轨迹有升降器导轨决定，这就要求升降器导轨的曲率要与设计的玻璃运行轨迹吻合，否则会造成玻璃的运行轨迹与窗框导轨的不吻合，引起升降困难。
电机的稳定动力输出才能保证玻璃平稳地进行升降。若上升时输出动力太弱，则玻璃会上升缓慢；若下降时动力输出不稳定，则玻璃下降的速度会与电机的转动速度不吻合，从而玻璃的运动惯性会产生冲击，通过传动机构传递到电机内部，造成电机内部震动异响，也影响了电机的耐久性能。
4.3 胶条制造精度的影响
窗框导轨胶条安装在窗框导轨与玻璃之间，起到密封，缓冲，引导等作用。由于胶条直接与玻璃接触，其制造精度将直接影响玻璃的运行状态，影响因素主要为胶条断面形状以及表面处理两个方面。
图18 胶条断面示意图
如图18所示，胶条的形状尺寸首先决定了其能否紧紧地安装在窗框导轨上，若尺寸偏小，则胶条不能紧固在导轨上，玻璃运动过程中，胶条会被玻璃带动，造成胶条拍打车门钣金异响，同样也会影响胶条的
密封性；若尺寸偏大，则会加大胶条唇边与玻璃的干涉量，增大玻璃运动的阻力，破坏了力学模型中的平衡，造成玻璃升降作动不良。
为了降低玻璃与胶条之间的摩擦力，在胶条与玻璃接触的位置，胶条会采用静电植绒或者喷涂聚氨酯溶剂，以降低摩擦力。若表面处理不到位，则玻璃运动时将会受到很大的摩擦力，进而导致玻璃升降困难，严重时无法升降。
4.4 玻璃制造精度的影响
车门玻璃一般采用4.0mm或者5.0mm的钢化玻璃。作为整个玻璃升降系统的主要运动体，其边界尺寸，曲率的一致性以及托架的尺寸精度均会对其升降造成影响。
玻璃的边界尺寸与曲率必须与窗框的保持一致性，若玻璃整体偏大，则容易造成作动困难，若玻璃整体偏小，则玻璃运动时容易松动，产生异响。
玻璃下端一般通过聚氨酯胶粘贴支架。该支架的尺寸位置将影响着玻璃的安装位置，若其发生偏差，则会影响玻璃举升点的位置，破坏玻璃原来的力矩平衡，造成玻璃升降不稳定，产生作动不良。
4.5 水切制造精度的影响
与窗框胶条一样，水切也是直接跟玻璃接触。其对玻璃升级的影响主要体现在对玻璃的摩擦力，影响摩擦力主要因素为水切断面形状尺寸和表面处理。
水切断面形状尺寸影响了水切唇边与玻璃的干涉量，若干涉量过小，则会影响水切的刮水性能和密封性；若干涉量过大，则会挤压玻璃，产生较大摩擦力，影响玻璃升降。
在水切唇边与玻璃接触的部位，一般会采用静电植绒的表面处理以降低对玻璃的摩擦力。
4.6 门制造精度的影响
门作为玻璃升降系统的整个载体，所有零件都是固定在其上面。因此，在保证各子部件的精度的同时，车门的精度必须严格管理控制，若精度出现偏差，可能造成整个系统的失效。例如：门内板上各安装孔的精度，其决定了窗框导轨，玻璃升降器的位置，进而影响了玻璃的运动轨迹，容易造成玻璃作动困难或玻璃运动不稳；门框、导轨、玻璃三者曲率必须一致，要求与玻璃运行引导线吻合，否则会引起玻璃运行时偏离设计的轨迹，产生运动不良。
4.7 小结
玻璃升降系统由于相关影响因素较多，不良往往是由于多个因素相互交叉发生而引起的。因此，在解析玻璃升降系统的问题时，必须从整个系统考虑，逐一排查各影响因素，才能出不良的主要原因。
5 结论
玻璃升降系统是汽车最常用的一个功能之一，也是问题多发的一个系统。本文通过对单导轨玻璃升降系统进行受力分析，建立了力学模型，结合日常工作中的经验，分别从设计品质和制造品质两个方面归纳总结出了玻璃升降系统的品质影响因素，为控制单导轨玻璃升降系统的品质提供了分析问题的理论依据，提高了解决玻璃升降问题的效率，保证了玻璃升降系统的品质。
参考文献
[1] 邱结平.现代轿车电动玻璃升降器研究与探讨[J].设计·计算·研
究.2002(4).
[2] 顾晓春，石海琳.单导轨玻璃升降器举升点设计[J].汽车工程师.
2014（2）：23-25.
[3] 王礼平，王观凤.影响车门玻璃升降的原因分析[J].汽车工程师
2013（5）：46-49.
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