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发表于 2020-7-7 10:25:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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某SUV车型玻璃升降器失效分析及改进

朱伟,吴晶晶,刘美丽

(安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心,安徽 合肥 230601)

【中国汽车材料网】摘 要:玻璃升降器是车门系统中的重要附件之一,其可靠性和安全性非常重要。文章从电机的机构原理和布置方法两方面着手,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。同时,也为玻璃升降器的设计提出了电机方面的新要求,从设计源头杜绝此类问题的再次发生。
关键词:玻璃升降器;电机;失效分析;反向启动电压

前言
随着社会的不断发展及物质文明的飞速进步,车辆已是人们工作、生活中不可缺少的一部分,人们在汽车上的活动时间也越来越多,车窗作为沟通车外的窗口,使用频率很高。而玻璃升降器的主要作用就是保证车门玻璃能够顺畅地升降,以实现车门玻璃的开闭。一旦玻璃升降器失效,驾乘人员将无法正常通过车窗沟通车外,极大地影响驾乘人员使用的方便性和体验感。本文就是针对某SUV发生的玻璃升降器失效问题进行的分析整改撰写的经验总结,供大家分享参考。

1 问题描述
从市场售后陆续接到多例反馈:某SUV车型发生电动玻璃升降器升到顶后无法下降的问题。

2 问题分析
该故障车为左后门玻璃升降器在上止点不工作,无法下降。
按如下方式进行测试:
1)故障车确认车门线束输入电压正常(13V);
2)拔出线束接插件,直接给玻璃升降器电机加反向电压,按0.5V为一个格次由9V一直加到16V,电机不动作,继续加到18V,电机启动,玻璃开始下降;
3)启动后在下止点堵转,加反向电压,6V时电机反向启动(即从下上升);
4)再次升到上止点堵转,反向加电压,10V时电机反向启动(即从上下降)。
通过排查,可以初步确认电路无问题,故障点在玻璃升降器上,电机从上止点下降的反向启动电压要求过高,高于汽车能提供的电压,导致玻璃升降器无法动作。
反向启动电压就是电机堵转后反向启动所需要的电压值。
2.1 电机的结构及参数
2.1.1电机的结构
升降器电机是一种小型永磁两极直流电动机,由定子、电枢、碳刷端盖、齿轮箱体等几个组件组成的。如果电机带有防夹,遥控等自动化功能,还会加装有电子集成模块,由电机与电子模块配合完成各种自动化指令。
作为电动玻璃升降器的原动力,电机和齿轮箱是其结构的关键,我们通常称两者集成的整体为电机总成。其结构如下图1:
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图1 升降器电机结构示意图


1.小齿轮 2.齿轮箱盖 3.驱动轮 4.阻尼块 5.蜗轮 6.齿轮箱 7.轴承 8碳刷 9.白攻螺钉 10.绕线转子11.磁体 12.定子
电机的工作过程为:接通电机后,绕线转子与电机轴转动,通过齿轮箱内蜗轮蜗杆减速装置减速,带动小齿轮转动输出力矩,再通过小齿轮与升降器绕线轮匹配将力矩传递至升降器。
2.1.2电机的参数
电机参数一般包含电机转速(n)、扭矩(T)和工作电流(I),电机在正常工作条件下的性能参数关系形成的曲线称为电机性能曲线。
正常工作条件下一般指:工作温度为23℃±5℃;工作电压为13V。
下面以一个实际的电机性能曲线图为例说明(见图2)。
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图2 电机的性能曲线图



图2中:
紫色斜向下的实线为电机正转时的转速-扭矩图;
蓝色斜向下的实线为电机反转时的转速-扭矩图;
紫色斜向上的实线为电机正转时的电流-扭矩图;
蓝色斜向下的实线为电机反转时的电流-扭矩图;
紫色虚线为转速-扭矩的公差要求范围;
红色虚线为不同扭矩状态下的电流最大允许值。
电机正转与反转时的转速-扭矩图一般情况下设定一致,当对电机正、反转状态有不同要求时可以小幅度调整。
电机扭矩:T = 9550 P / n = 9550 UI /n 公式(1)
由公式(1)及性能曲线可知,电机扭矩与转速成反比,与电流成正比。
在升降器电机能满足正常工作电压9V-16V的要求情况下,还会增加一项反向启动电压的要求。具体测试方法是电机在正常升降负载(上升1 Nm,下降3 Nm)和电压(13V)下运转,使电机堵转至热保护器断开。待热保护器复位后,要求电机必须能够在8.5V电压下反向起动。
电机堵转后反向启动所需要的电压值就是反向启动电压,若反向启动电压超过汽车提供的电压,会导致升降器堵转后不能反向动作。
2.2 电机反向启动电压过高的原因分析
3.2.1结构原理分析
电机堵转后反向启动时的受力如下(见图3):
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图3 电机堵转时方向启动受力图


其中:
F1、F4、F6:三个轴承径向摩擦力
F2:磁拉力
F3:碳刷换向器摩擦力
F5:蜗杆此轮受力(包含Fa、Ft、Fr)
F7:轴头摩擦力
以上所有的摩擦力对应的力矩,在电机堵转反向启动时,都是阻力矩,假设阻力矩之和为Nf。整车电压达不到反向启动电压导致升降器不能工作的原因就是:
Tm<Nf(Tm为整车电压对应的电机输出扭矩)
减小阻力矩Nf即可降低反向启动电压。
为减小阻力矩逐项分析:
F2:磁拉力,正常属性,斜槽、直槽弱相关
F3:碳刷换向器摩擦力,正常属性,碳刷弹簧力弱相关
F7:轴头摩擦力,正常属性,轴头润滑弱相关
F5:蜗杆齿轮受力,正常属性,但是与蜗杆齿轮传动效率相关,即导程角γ、润滑μ1、蜗杆以及齿轮材料选择之配合摩擦系数μ2。这个是反向启动电压强相关因素之一。
F6、F1、F4:正常属性,但是与结构设计关系较大,比如三点支撑或者悬臂梁结构。这个是反向启动电压强相关因素之二。
由上述分析可知,在电机的设计状态确定的情况下,F1、F2、F3、F4、F6、F7均比较稳定,而F5制造精度和工艺影响较大。故减小F5、提升蜗轮蜗杆的传递效率是减小电机反向启动电压的关键。
蜗轮蜗杆传递受力如下(图4):
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图4 蜗轮蜗杆传递受力图


蜗轮蜗杆受力计算如下:
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为蜗杆与蜗轮上的转矩(Nmm)。
电机输出扭矩计算:
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蜗杆-蜗轮摩擦系数f在影响因子1、2、3设计确认不进行变更的情况下,条件4蜗杆、蜗轮齿面的表面粗糙度起到决定性作用。
即在设计状态满足要求,不做设计变更的情况下,通过调整蜗轮、蜗杆的加工方式,减小其表面粗糙度,以增大蜗轮蜗杆传递效率,是减小电机反向启动电压的有效方式。
2.2.2电机布置分析
电机根据布局方向,可分为p电机和q电机。p电机CCW(逆时针)堵转时的反向启动电压比CW(顺时针)堵转的启动电压大。具体力学分析见表1。
表1 p电机正反转受力分析对比图

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实际使用时,本车型左侧门使用q电机,右侧门使用p电机,导致电机CCW堵转发生时,玻璃升降器在上止点位置。由于汽车玻璃一般升到顶部时放置时间较长,导致故障发生概率增大。
玻璃升降器布置时考虑左侧门用p电机,右侧门用q电机,这样CCW堵转会发生在玻璃升降器降到下止点位置时。玻璃在下止点长时间放置的几率较小,对反向启动电压的影响也较小。

3 故障解决方案验证
3.1 电机蜗杆表面粗糙度减小验证
目前电机蜗杆使用铣削加工,表面粗糙度0.1<Ra<0.8;由于铣削的加工方式、刀具原因,Ra是有波动的,蜗轮蜗杆的啮合效率因为Ra不同而波动。而采用冷挤压蜗杆,表面粗糙度0.1<Ra<0.4,传递效率比机加工蜗杆高。
对100对电机更换冷挤压蜗杆后再次进行反向启动电压测试。测试结果: p、q电机在CW堵转和CCW堵转时反向启动电压均不超过5V,反向启动电压均值降低效果明显,满足<8.5V的要求,且一致性较高,蜗杆改进方案有效。
3.2 p、q电机左右交换安装验证
制作电机座板手工样件,将前期测试反向启动电压较高的三个右后门电机更换到左后门测试,结果如表2:
表2 电机反向启动电压测试结果

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测试结果表明,玻璃升降器电机布置时应考虑电机形状(p或q),电机CW堵转方向应与玻璃升降器上升方向一致。

4 总结
针对市场玻璃升降器在车窗顶部失效的问题,经过细致的排查,将问题锁定在电机上。对电机的结构原理和布置进行了分析,最终确定了问题发生的根源,并且通过实物改进验证,确认了方案的可行性和正确性。
电机作为玻璃升降器的驱动部件,对玻璃升降器总成的性能具有极其重要的影响,玻璃升降器绝大部分故障都是由电机引发的。因此,在玻璃升降器设计过程中,不仅要对总体布置进行检查确认,还要重视电机的选型使用,确认电机的各项参数和性能是否满足要求。

参考文献
[1] 史新华,王学红.绳轮式玻璃升降器失效模式分析及改进.农业装备与车辆工程,2014(2).
[2] 王明珠,杨军,赵堃.A21车型电动玻璃升降器失效分析及整改措施.汽车实用技术,2012(11).
[3] 杨琳.车门玻璃升降器理论研究综述.湖南农机,2012(11).
[4] 刘铭毓.车门玻璃升降器电机齿轮箱的改进.汽车与配件[J].2016(33).

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