机电一体化课程设计说明书Word格式.docx
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electric;
motorandwormgearreducer
目录
摘要.............................................................I
ABSTRACT.........................................................II
目录.............................................................III
一、概论...........................................................1
1.1电动车窗....................................................1
1.2电动门窗玻璃升降器..........................................1
1.2.1电动油压式玻璃升降器..................................1
1.2.2绳轮式门窗玻璃升降器.................................1
1.2.3交臂式门窗玻璃升降器..................................1
1.2.4软轴式门窗玻璃升降器..................................1
1.2.5几种常见的电动车窗玻璃升降器示意图....................1
1.3电动车窗的应用与发展........................................3
二、常见电动玻璃升降器的比较.......................................3
2.1交叉式电动玻璃升降器........................................3
2.2绳轮式电动玻璃升降器........................................3
2.3软轴是电动玻璃升降器........................................3
2.4塑料带式电动玻璃升降器......................................4
三、绳轮式单导轨电动玻璃升降器设计.................................4
3.1电机参数确定及选择..........................................4
3.2机械部分部件的设计及相关参数的确定..........................4
3.2.1蜗轮蜗杆减速器设计....................................4
3.2.2卷丝筒设计............................................5
3.2.3导轨与钢丝绳..........................................6
3.2.4滑块（滑动支架）设计要求..............................6
3.2.5玻璃尼槽设计要求......................................7
3.2.6内外劈水条设计要求....................................7
3.2.7系统各零部件之间的尺寸匹配要求........................8
3.2.8POM材料.............................................9
3.2.9电动门窗总体布置图....................................10
3.3电气部分设计...............................................10
3.3.1电动车窗玻璃升降系统的基本电路........................10
3.3.2常见玻璃升降器的电气工作原理..........................11
四、防夹电动玻璃升降器.............................................11
五、来智能型电动玻璃升降器.........................................12
参考文献........................................................13
一、概论
1.1电动车窗
电动车窗就是通过直流电机驱动玻璃的升与降，取代了传统的手摇式车窗，使得汽车车窗设计更舒适化、人性化、自动化。
电动门窗主要由门窗电机、玻璃升降器、控制开关及其控制电路组成。
此外，为吸收冲击对机构的影响，一般都装有吸收冲击的缓冲装置。
电动车窗主要由车窗玻璃、车窗玻璃升降器、电动机和操作开关等组成。
1.2电动门窗玻璃升降器
电动门窗玻璃升降器有油压式和机械式两大类。
机械式升降器的结构形式有绳轮式、交臂式和软轴式（北京切诺基）。
1.2.1电动油压式玻璃升降器
电动油压式门窗玻璃升降器由电动机、油筒、连臂机构和控制开关等组成若想升高某车窗玻璃时，按下该窗上升按钮，电路接通，电流即流入电动机，转动油泵以产生高压油。
同时电流流入控制该窗的电磁线圈，将油阀打开，压力油进入油压缸中将活塞推动，经连杆装置，使风窗玻璃上升。
若欲降低某窗玻璃时，按下该窗下降按钮，电磁线圈有电流进入，使油阀打开，此时电动机不转，无压力油，风窗玻璃连杆受弹簧力的作用，将油压缸中的油压回贮油室，使风窗玻璃下降。
1.2.2绳轮式门窗玻璃升降器
绳轮式门窗玻璃升降器由滑轮、钢丝绳、张力器、张力滑轮等组成它通过驱动电动机拉钢丝绳来控制门窗玻璃的升降，电动机的输出部分是一个塑料绳轮，绳轮上绕上钢丝绳，钢丝绳上装有滑块，电动机驱动绳轮，带动钢丝绳卷绕，钢丝绳上的滑块带动玻璃，使之沿导轨作上下运动。
1.2.3交臂式门窗玻璃升降器
常见的交臂式（或称XU交臂式）六窗玻璃升降器，主要由扇形齿板、玻璃导轨及调节器等组成。
它的工作原理是：
扇形齿板利用驱动电动机的棘轮进行转动，从而带动X臂运动，而使风窗玻璃作上下移动。
1.2.4软轴式门窗玻璃升降器
软轴式门窗玻璃升降器由软轴、小齿轮等组成。
电动机的输出部分是一个小齿轮，通过与软轴上的齿（近似于齿条）相啮合，驱动软轴卷轴卷绕，带动玻璃沿导轨上下运动。
1.2.5几种常见的电动车窗玻璃升降器示意图：
图1-1齿扇式电动玻璃升降器
l-电缆接头2-电机3-齿扇4-推力杆
图1-2齿条电动玻璃升降器
l-齿条2-电缆接头3-电动机4-小齿轮5-定位架
图1-3交叉臂式电动玻璃升降器示意图
图1-4绳轮式电动玻璃升降器
1-绳轮2-电机及减速器3-卷筒4-玻璃托架
图1-5软轴式电动玻璃升降器
1-软轴2-减速器3-电机4-软轴导向槽5-玻璃安装托架
图1-6塑料带式电动玻璃升降器
1-电机2-减速器3-塑料带4-塑料带导向槽板5-玻璃安装槽板
1.3电动车窗的应用与发展
电动玻璃升降器在我国诞生于90年代初期，是轿车作为生产资料向消费资料变化的一个特征。
最早开始应用于桑塔纳普通型选装车上，称为豪华型轿车，以后在奥迪、捷达、富康等轿车上都开始选装电动玻璃升降器。
电动玻璃升降器具有运行平稳，调节自如，不需要人力，给驾驶员与乘客带来舒适感和安全感等优点，因此，目前在中级以上轿车都把电动玻璃升降器作为一种标准配置，用于提升汽车档次。
现在，国内市场的中高级轿车，例如奥迪A6、别克君威、东风标致307等都配置了电动玻璃升降器，其他面包车和轿车也慢慢开始大量选用了电动玻璃升降器。
目前，大客车、卡车也具有配置电动玻璃升降器的需求。
电动玻璃升降器的发展是广阔的。
二、常见电动玻璃升降器的比较
汽车电动玻璃升降器的结构形式种类繁多，现将近代汽车常用的几种玻璃升降器的结构特点介绍、比较。
2.1交叉臂式电动玻璃升降器
交叉臂式电动玻璃升降器由电机、减速器和交叉臂三部件组成（如上图1-3）。
电动交叉臂式部件与手动式相同，均为1~3mm厚度的钢板冲压件。
这种升降器的优点是：
强度高，加工方便，玻璃运行时平稳性好。
缺点是：
较其他型电动玻璃升降器，重量较大。
这种升降器在各种四轮汽车上得到了广泛的应用，但是在豪华型和高速型轿车上很少使用。
2.2绳轮式电动玻璃升降器
绳轮式电动玻璃升降器由电机、减速器、卷筒和钢丝绳等构成（如上图1-4）。
钢丝绳部件与手动式玻璃升降器相同。
零件少，重量轻，结构简单，安装位置可调整。
安装时必须调整钢丝绳导向板的位置，使其与窗上的玻璃导向槽平行；
否则，玻璃运动时，易产生玻璃与导向槽卡住的现象。
该升降器主要用于轿车，其他汽车很少使用。
2.3软轴式电动玻璃升降器
软轴式电动玻璃升降器由电机、减速器和软轴部件组成（如上图1-5）。
软轴部件均与手动式玻璃升降器相同。
零件少，结构简单，工作平稳，无噪音，安装位置可调整。
软轴系由多段钢丝绳外套螺旋弹簧组成，在多段钢丝绳上夹有2mm的绒毛，制造工艺较复杂。
该升降器各种汽车均可采用。
2.4塑料带式电动玻璃升降器
塑料带式电动玻璃升降器由电动、减速器和塑料带等组成（如上图1-6）。
塑料带部件与手动式塑料带玻璃升降器相同。
塑料带上有孔，用来移动和定位塑料带，控制窗玻璃的升降。
零件数量少，且多数零件为塑料件，故重量轻，工作平稳无噪音。
同交叉臂式电动玻璃升降器比较，对于双门型汽车，可减轻3.2Kg，对于四门型汽车，可减轻5Kg。
其耐久性已超过2.5万次。
因要求塑料带必须具有足够的强度、柔性、耐磨性、防老化性，故塑料带材料的合理选用是非常重要的，塑料带的制造亦较困难。
该升降器主要用于轿车，是1979年由美国通用汽车公司研制的专利产品，并广泛应用于通用汽车公司生产的各种轿车上。
综上四种电动玻璃升降器的比较，电动玻璃升降器的构成，等同于手动式玻璃升降器加上电机和减速器三部分的总和。
故装有手动式玻璃升降器的汽车，配装合适的电机和减速器后，即可改造为电动玻璃升降器。
因为绳轮式玻璃升降器具有结构简单、质量轻、经济性好、运行时噪音低、易于制造和安装等优点，下文以绳轮式电动玻璃升降器作为研究对象。
三、绳轮式单导轨电动玻璃升降器设计
单导轨绳轮式升降器的特点是，通过小齿轮转动绕有钢丝绳的卷丝筒，从而带动钢丝绳，钢丝绳通过导槽的两个滑轮定位后，带动滑块上下滑动，从而实现玻璃的升降运动。
3.1电机参数确定及选择
已知玻璃车窗质量M=50Kg（则每块车窗玻璃质量m=12.5Kg），如图所示，车窗行程L=40cm，最高速度为v=0.2m/s，电动机电源电压36V。
由于玻璃运行时摩擦力是升降器驱动机构的主要负载之一，它的大小对升降器的寿命有重要影响。
玻璃运行摩擦力主要受钢丝绳与卷丝筒、玻璃与导槽、胶条配合间隙控制等的影响。
若合理设计，玻璃运行摩擦力f可控制在20N以下。
玻璃在t=2s内升起，则所需电动机最大平均功率P=
=
=28.5W，最大瞬时功率P1=（mg+f）×
v=（12.5×
9.8+20）×
0.2=28.5W。
因此，选择体积小、低功率电机，不仅能减小体积，还能节约成本。
选择36V，30W的直流电机产品，不妨选用雨田公司生产的“36v,30w直流齿轮电机”，此电机为有刷直流电机，额定电压U=36v，额定功率P=30w，额定转速n0=3200r/min，产品认证ISO9001。
3.2机械部分部件的设计及相关参数的确定
3.2.1蜗轮蜗杆减速器设计
蜗杆选用45钢，表面淬火，表面硬度45~55HRC。
查表选择蜗杆头数Z1=1，模数m=1，分度圆直径d1=18mm,直径系数q=19。
取齿顶高系数ha*=1,径向间隙系数c*=0.2。
暂定传动比i=40，蜗轮蜗杆不变位。
以下结果均以不变位（x=0）啮合计算。
则：
蜗轮齿数Z2=iZ1=40
中心距a=
（q+Z2）=
×
（18+40）=29mm
蜗杆分度圆（节圆）直径d1=mq=18mm
蜗杆齿顶圆直径da1=2ha*m+d1=18+2×
1×
1=20mm
蜗杆轴向齿距Px=mπ=π×
1=3.14mm
蜗杆导程Pz=πmZ1=3.14mm
蜗杆齿根圆直径df1=d1-2m（ha*+c*）=15.6mm
蜗杆分度圆柱（节圆柱）导程角tany=
=
Arctan
=Arctan
=3.2○
蜗杆齿宽（螺纹长度）b1≈2m
=2×
=12.8mm
蜗轮分度圆（节圆）直径d2=mZ2=40mm
蜗轮喉圆直径da2=d2+2mha*=40+2×
1=42mm
蜗轮齿根圆直径df2=d2-2m（ha*+c*）=37.6mm
蜗轮齿宽b2=2m（0.5+
）=9.7mm
蜗轮外径be≈da2+m=43mm
由于电机与蜗杆同轴，所以蜗杆转速n1=n0=3200r/min,则蜗轮转速n2=
=80r/min。
蜗轮材料选择高强度、高硬度的聚甲醛塑料。
蜗轮蜗杆使用油脂润滑，如黄油等。
3.2.2卷丝筒设计
卷丝筒带动钢丝绳运动，如图所示:
已知v=0.2m/s,则卷丝筒内径d=
≈47mm（卷丝筒的转速与蜗轮转速相同n=n2），考虑到钢丝绳的直径，卷丝筒外径D≈50mm。
卷丝筒的材料可以选用赛钢，关于赛钢，将在下文予以说明。
使利用SolidWorks软件制图，获得截图：
“图一”（见尾页附图）是卷丝筒工程图，利用Solidworks绘得。
3.2.3导轨与钢丝绳
①玻璃导轨的设计要求
玻璃导轨多为滚压件，主要包括本体与安装支架两部分，如图3-1所示。
设计一定要确保安装支架的强度，现多采用1.5～2mm料厚的支架。
支架结构必须具备加强筋、翻边等特征以确保其强度。
以下是某款轿车导轨安装支架设计优化后有效地解决了玻璃运动过程中抖动问题的案例。
通过增加安装支架翻边、增加料厚的方法进行了设计优化，提高了导轨强度。
避免了因导轨强度较弱而产生的玻璃运动平稳性差的问题。
如图3-2所示。
1-本体2-安装支架初始状态t=1.2mm设计优化后状态t=2mm
图3-1玻璃导轨构成图3-2导轨支架优化方案示意
导轨在玻璃升降器中是比较重要的零件，导轨的制造质量和精度都将影响玻璃上升的平稳性。
由于现代轿车侧围采用大曲率弧面造型，这就给升降器导轨的制造带来了一定的难度。
因此在选择导轨材料时要考虑易于成型的材料，又因导轨要承受玻璃的重量和玻璃上升时的阻力，导轨又要有一定的强度和刚度。
此外，因玻璃升降器安装在内，容易受潮气、水及灰尘的侵蚀，因此要求导轨具有耐腐蚀性能。
导轨材料用的较多的是SPCC材料，或者是镀锌板材料如DC51。
综上原因，富康轿车车门玻璃升降器导轨选用了08AL镀锌钢板，并采用滚压成型制造工艺，成功的解决了成型刚度的问题，同时又保证了导轨表面光洁无划伤现象。
②升降器钢丝绳
升降器钢丝绳在工作中起传动作用，因此要求钢丝绳柔性好并具有足够的抗拉强度和良好的耐磨、耐腐蚀性。
钢丝绳及夹头抗拉强度应大于2000N，并经过25000次循环无磨损。
滑块在工作中主要是带动玻璃沿导轨上下运动，因此要求滑块强度高，耐热性好，摩擦系数小。
3.2.4滑块（滑动支架）设计要求
滑块在工作中主要是安装固定玻璃，并带动玻璃导槽上下运动。
因此要求滑块强度高，耐热性好，摩擦系数小。
滑块常用的材料有聚甲醛（POM）。
滑块设计要注意玻璃的装配定位和装配的方便性，另外滑动部分的结构也很关键，既要求玻璃滑动平稳，又要求滑动摩擦力尽可能小，合理的结构与正确的玻璃安装一般可以控制摩擦力在20N以内，而且不产生噪声。
3.2.5玻璃尼槽设计要求
车门玻璃的两侧和上部都靠玻璃呢槽进行密封，呢槽材料为三元乙丙橡胶（EPDM），通常硬度为70～80（邵尔A）。
呢槽装配在玻璃导轨内，能起到缓冲和弥补玻璃导轨制造偏差的作用。
为了减小玻璃升降时的摩擦阻力，呢槽唇形部位与玻璃面接触部分需进行表面处理，一般有两种方法：
静电植绒、聚氨酯喷涂。
静电植绒厚度一般为0.5mm～0.8mm，聚氨酯喷涂厚度一般为0.015mm～0.02mm。
静电植绒及聚氨酯喷涂的质量将直接影响到玻璃升降的阻力，所以在设计中对其耐磨性一定要严格要求。
如表3-1
项目
试验条件
指标
要求
聚氨酯
喷涂
干磨
1）磨耗压力为4.9N；
2）将试样放置在室温20±
2℃、相对湿度65±
5％的环境中12h后磨损；
3）速度60～65次/min.
≥10000次
磨耗后不允许
露出基体
湿磨
2）将被测样条放置在室温20±
5％的环境中12h后，截取试样于20±
2℃的水中再浸泡1h后取出，在湿润状态下磨损，并保持湿润，适时向试样上滴水。
露出基体
静电
植绒
无明显毛束脱落，
无裸露部位
（备注：
磨耗往复一次计为一次）
表3-1表面处理耐磨性要求
3.2.6内外劈水条设计要求
劈水条主要是防止灰尘、雨水进入车内，同时还有隔音，减少赃物挂在车门玻璃上的作用。
劈水条一般多为软质聚氯乙烯（PVC）和钢带挤出成型，与玻璃摩擦的表面需进行表面植绒以降低玻璃升降阻力。
植绒耐磨性同时要满足表3-1的要求。
3.2.7系统各零部件之间的尺寸匹配要求
玻璃升降系统各附件之间的尺寸匹配将直接影响到玻璃升降的平稳性、可靠性。
是车门玻璃升降系统设计的关键。
因车门玻璃大多数是靠自重成型的，根据该工艺特点，玻璃制造精度不是很高，国内目前玻璃轮廓尺寸公差一般能达到表3-2的要求。
同时考虑到玻璃导轨、呢槽的制造偏差，设计时要重点关注系统各零部件间的尺寸匹配。
表3-2是对不同车型参数进行总结归纳而形成的设计参考值。
只有系统合理的尺寸匹配，才能设计出既满足玻璃升降阻力，又能满足密封性能要求的车门玻璃升降系统。
尽管不同车型，呢槽、劈水条断面形式会各有差异，但其压缩量基本在表3-2所示范围之内。
表3-2中各参数定义如图3-5所示。
表3-2玻璃轮廓尺寸公差
基准轮廓边
一般轮廓边
公差（mm）
±
0.75
1
表3-3系统匹配尺寸设计参考值
序号
设计要点
设计参考数值
备注
呢槽与玻璃根部间隙a（mm）
2～2.5
确保车门玻璃密封性能，避免玻璃升降阻力过大
2
呢槽与玻璃压缩量b（mm）
1.2～2.2
3
玻璃在呢槽中插入量c（mm）
4～6
4
劈水条与玻璃压缩量d（mm）
5
玻璃与玻璃导轨弧度相匹配
1.玻璃导轨2.车门玻璃
3.玻璃呢槽4.门内饰板
5.外劈水条6.内劈水条
图3-5匹配尺寸定义
玻璃呢槽、内外劈水条、玻璃之间合理的尺寸匹配，是为了确保车门玻璃具有良好的密封性
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