基于优化车窗异响的调速电机开发

韦思意　成淑仪　余辉

摘 要：侧门玻璃关窗到顶瞬间的异响是被市场长期诟病的问题。在汽车技术高速发展的今天，针对此问题仍然是没有形成较好的设计方案，因此开发一个可以有效解决侧门玻璃关窗到顶瞬间异响的方案至关重要。文章从某车型开发过程中的几种设计方案之间的对比分析入手，展示针对侧门玻璃关窗到顶瞬间的异响系统设计过程中需要考虑的几大因素，并且重点讲解调速电机方案的设计点，为后续的侧门玻璃关窗到顶瞬间的异响优化提供借鉴与帮助。需要说明的是，调速电机可以实现的设计方案远不止文中展示方案，鉴于篇幅及能力所限，不足之处敬请斧正。

关键词：车窗异响 冲顶异响 调速电机 变速控制

1 引言

对车窗售后维修数据的调查，车窗是客户对于汽车功能件使用频率最高的功能件之一，车窗质量的好坏受到消费者的关注，对消费者评价一台车好坏有较大影响。而针对车窗的调查的数据中（2020年数据），反馈较多的是异响类问题；其中侧门玻璃关窗冲顶瞬间异响则在所有异响问题中高居前三。

2 异响质量评价标准

由于车窗异响与否是用户的主观感受，为了更好地衡量异响标准以助于后续的改进优化，特制定了如表1所示的评价标准，目前车型异响等级一般为6级，为及格线附近水平。

3 原设计方案

车窗冲顶异响，是侧门玻璃关窗到顶瞬间玻璃撞击钣金窗框产生的撞击声，其根本原因是由于玻璃的运动产生惯性导致；侧门玻璃运动系统由侧门玻璃、侧门玻璃导槽密封条、玻璃升降器及侧门钣金组成，如图2所示。玻璃运行到关闭位置瞬间由于惯性作用，其先撞击玻璃导槽密封条后再撞击到窗框停止。

玻璃运动系统比较简单，原设计方案也没有针对冲顶异响做充分的设计考虑，导致该异响问题比较严重，其中某些车型玻璃尺寸较大的该异响可达7级，急需优化控制。

4 首次优化方案

为控制玻璃冲顶异响问题，根据鱼骨图分析，确认人机料法环中料是关键因子，对异响起到决定性作用，是我们重点优化方向。（图４）

而材料方面的优化，鉴于车门钣金及侧门玻璃优化的代价较大，而异响优化收效甚微还可能导致其他问题出现，比如影响到车窗玻璃运行的稳定性等，所以无法作为控制异响的优化方向；而玻璃速度的控制又没有量产应用和相关经验可以借鉴，因此前期的异响优化基本集中在玻璃导槽密封条上。以下几大方面评估是密封条对异响的影响因子：

4.1 密封条材料

行业常见材料主要为TPV﹑密实胶EPDM和微发泡EPDM

4.2 密封条结构

①缓冲结构常见结构为气道结构﹑泡管结构以及唇边结构

②常用料厚为1.7mm和2.3mm

4.3 密封条性能

①常用硬度60A﹑70A或80A

②根据不同材料一般要求永久压荷损失≦60%或≦40%

③压缩符合一般要求5N/100mm﹑6N/100mm或7N/100mm

密封条设计优化方向主要是起到缓冲作用，在玻璃撞击窗框前降低玻璃撞击动能，以实现降低玻璃升顶瞬间的撞击异响，经过全因子验证确定以下效果为最优方案：泡管结构+2.3mm料厚+80A硬度+40%永久压荷损失+7N/100mm压缩负荷，结构设计如图2所示。采用密封条优化的优点体现在以下几个方面：

① 大量借用成熟结构可以减少设计风险，同时缩短设计时间，尽快将产品投放市场。

② 成本较低。

但是密封条为软约束零件，存在比较大的永久变形等性能损失，所以缺点也较为明显：

① 存在较大永久压缩符合损失导致使用一段时间后效果大打折扣。

② 无法根本解决，改善效果有限，验证后新密封条异响可优化至5级左右，经过一定程度耐久后会恶化至6级，和原设计方案表现相近。

基于以上缺点以及产品定位需求，考虑开发调速电机进一步优化冲顶异响问题。

5 调速电机优化方案

为进一步提升异响等级达到优化目标，根据全因子权重矩阵分析，如表2所示，玻璃没有减速得分最高，为最关键的影响因子，因此，开发调速电机是实现异响优化目标的可行度最高方案。

直流电机调速主要采用变压调速，而电压的调制通常采用脉冲宽度调制（PWM），脉宽调制需要产生频率不变、宽度可调的脉冲信号，通过对脉冲宽度的调节，使电机电枢两端电压的直流分量平滑变化，达到 PWM 波调压调速的目的。通常 PWM 控制信号的产生主要采用以下4种方法：

①分立元件组成 PWM 电路：这种方法是利用分离的逻辑电子元件组成 PWM 信号电路。电路复杂，可靠性较差。

②软件模拟法：占用 主芯片 大量资源，对主芯片的计算能力及存储能力要求较高

③专用 PWM 集成芯片：这些芯片除了有 PWM 信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。但是整体成本较高

④带PWM功能芯片：能自动产生占空比可变的 PWM 脉冲波，集成度高，成本较优。

考虑集成度及目前车窗PCB的可用空间，采用带PWM功能芯片作为最终优化方案。

6 PWM 电路组成及原理

系统由控制电路及主电路组成，如图5所示，控制电路由主芯片集成，主芯片需要根据霍尔信号计算车窗的实际速度，结合目标速度完成速度调节，电流调节后生成PWM波控制占空比输出；主电路包含光隔驱动电路以及场效应管驱动电路组成；其主电路的场效应管驱动采用压控型MOS组成的全桥电路完成驱动。

7 直流电机驱动电路设计

直流电机驱动原理如图6，包含光电驱动电路，电机驱动电路，滤波电路及附属电路。

主芯片输出PWM信号后经过光电驱动，实现防反冲隔断，再控制压控型MOS放大实现对直流电机的驱动，MOS的G极接光电驱动后的PWM信号，源极接电机正极，漏极接12V电源，附属电路在GS间设计保护电阻，消除高频关断过程产生的震荡；信号端设计防反接保护电阻；滤波电路需要在S端设计滤波电容进行滤波，解决GS产生较大的浪涌电压。

8 改进结果

试验样件搭载某车型进行效果验证，改进前异响等级为5-6级，搭载调速电机后异响等级优化至3级，达到项目异响目标；调速前后速度变化对比见图7，不难看出调速优化后玻璃在停止前有明显的减速过程，除此之外调速后也可以实现对玻璃全行程的速度控制，使玻璃前部分行程速度接近勻速运行，提升了全行程电机的运行声音品质，改进效果令人满意。

经过搭载调速的方案，通过表3不难看出针对冲顶异响的控制，调速方案的优化效果表现要明显优于其他方案，同时也达到了异响质量的优化目标。

（注：评分1为技术中心成员评价结果的平均分值，评分2为质量部成员评价结果的平均分值，评分3为外部人员评价结果的平均分值）

9 结语

本文主要结合了车型开发过程中出现问题作为案例，在优化改进问题的过程中进行归纳，总结了汽车玻璃冲顶异响问题的开发经验，为新产品的开发提供了思路和参考。同时深入分享的PWM的详细硬件方案，经过验证证明整个系统具有较高的精度和可靠性，取得令人满意的结果。

参考文献：

[1]王银玲等.基于P87LPC768的调速控制器的设计与应用.制造与设计.2005．

[2]吕平宝，谢剑英.基于80C196KC的直流电机PWM调速控制器的设计与应用.测控技术.2002．