某SUV 車型玻璃升降器失效原因分析及改進

黃培根 、周曉玲 、吳雄興 、黃舜、劉靈祥

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007；2.JV 咨詢有限公司，柳州 545007）

1 引言

伴隨著中國制造水平增強和汽車工業快速發展，中國汽車正在積極走向全球市場。2022年，中國出口汽車總量突破300萬輛，成為世界第二大汽車出口國[1]。中國汽車在得到國際市場廣泛認可的同時，也面臨著國外不同環境和使用工況帶來的挑戰。玻璃升降器作為汽車重要的功能性零件，對安全、NVH和駕駛體驗有重要影響，已經成為消費者在購買過程中重點關注的零件之一。

玻璃升降器是汽車門窗玻璃的升降裝置，主要分電動玻璃升降器與手動玻璃升降器兩大類。本次研究車型前門使用電動繩輪式雙導軌玻璃升降器，后側門使用電動繩輪式單導軌玻璃升降器，故本文關于其他類型玻璃升降器不做過多介紹。繩輪式玻璃升降器由電動機、減速器、鋼絲繩、導向板和玻璃安裝滑塊（后文簡稱滑塊）等零部件組成，安裝時門窗玻璃固定在玻璃安裝滑塊上，玻璃導向槽與鋼絲繩導向板平行。起動電動機，由電動機帶動減速器輸出動力，拉動鋼絲繩移動玻璃安裝滑塊，迫使門窗玻璃作上升或下降的直線運動[2]。

作為汽車上重要的功能性零件，玻璃升降器的性能和故障模式一直以來都是各大汽車主機廠和零部件供應廠家研究的重點。通過對比各大汽車主機廠及國內汽車行業標準，結合臺架試驗結果，分析得出玻璃升降器常見的故障模式和故障原因[3]。針對玻璃升降器的耐久性能提出：升降器耐久性能需要在不同溫度（常溫、高濕、高溫及低溫）和不同氣候（熱帶模擬氣候、大氣暴曬試驗及長周期溫度存放試驗）試驗條件下進行考核[4]。主要列舉了常見的升降器故障模式，并提出相應的解決方法[5]。

本文針對某款SUV，在出口海外國家市場中玻璃升降器故障率高的問題進行研究。通過排查和試驗確認故障發生的主要原因，并有針對性地改進玻璃升降器結構，取得較好的效果，市場售后反饋，該車型玻璃升降器故障率極大降低。

2 故障模式確認

項目小組接到市場售后區域反饋：某SUV 車型后側門玻璃升降器在海外M地區市場故障維修率高，多年累計換件220件。故障信息記錄為：玻璃無法升降，引起客戶抱怨。項目小組對M區域市場一百臺玻璃升降器故障車輛進行調查統計，統計出故障模式見表1。

表1 故障模式統計

從根據統計結果可以看出，在玻璃升降器失效的故障模式中，機構運動部件失效是主要的故障模式，占比85%。由于機構運動部件部件失效，導致玻璃無法正常升降，也符合故障信息描述記錄。

完成故障模式統計工作后，項目小組到售后庫房對故障零件進行調查。從故障零件可以看出（圖1），升降器在滑塊端和繞線輪端鋼絲繩脫落是導致機構運動部件失效的結癥。

圖1 故障零件

2.1 機構運動部件失效原因分析

為找到玻璃升降器機構運動部件失效原因，項目小組首先對各個市場售后故障維修數據進行統計，統計結果見表2。

表2 各市場故障率

項目小組針對M市場，分別統計該SUV 車型20XX 年8月—（20XX+2）年9月內每月份前門和后側門玻璃升降器故障維修量，以及故障車輛行駛里程，統計結果分別見表3和表4。

表3 20XX 年8月—（20XX+2）年9月故障維修量

表4 故障里程分布

由以上統計結果可以看出：①前門和后門故障約為1∶5；②維修月份呈現周期性變化，且集中發生在5—10月，該時間段為M地區夏季高溫期；③故障車輛行駛里程集中在6萬km以內，玻璃升降器故障屬于耐久性問題。

為找出影響“機構運動部件失效”的關鍵因子，小組成員運用魚骨圖法，從人、機、料、法、環、測的相關因素進行分析（圖3）。通過分析結果，得出影響“機構運動部件失效”的8個末端因素：①注塑材料變異因素；②鋼絲繩變異因素；③繞線輪強度變異因素 ；④滑塊強度變異因素；⑤彈簧套管變異因素；⑥沙塵環境影響因素；⑦高溫環境影響因素；⑧材料熱膨脹系數差異影響因素。

圖3 項目小組繪制的魚骨圖

2.2 確認要因

針對魚骨圖中分析得出的8個影響“機構運動部件失效”的末端因素，小組對每個末端因素進行確認。

2.2.1 注塑材料變異因素

確認標準：原材料牌號/廠家和性能要求是否被更改。

小組對零部件供應商進行實際走訪考察。在檢查供應商來料庫房，和原材料分供方、材料檢測報告等文件后，排除原材料牌號/廠家和性能要求被更改的可能性。注塑材料變異不是影響問題的關鍵因素。

2.2.2 鋼絲繩變異因素

確認標準：鋼絲繩是否符合圖紙設計要求。

項目小組確認鋼絲繩長度進行測量，長度尺寸要求（791.00±0.50）mm，實測范圍790.89～791.23mm，尺寸符合設計要求。對鋼絲繩材料進行確認，鋼絲繩符合圖紙圖紙設計要求。鋼絲繩變異不是影響問題的關鍵因素。

2.2.3 繞線輪強度變異因素

確認標準：①繞線輪安裝塊鋼索套管處拉脫力不合格，受力后出現破裂導致鋼索與安裝塊脫落；②圖紙要求拉脫力大于或等于1000N，鋼索套管安裝點無變形、開裂現象。

隨機取5塊繞線輪安裝塊進行拉脫力試驗。在鋼絲繩套管安裝點，用拉力機鋼索固定，拉力機同時施加豎直向上/下的拉力。在試驗過程中，拉脫力峰值達1 400 N，安裝塊套管安裝點位置無變形，符合設計要求；受力后不會出現破裂導致鋼索和滑塊脫落。繞線輪強度變形不是運動機構鋼索脫落的主要原因。

2.2.4 滑塊強度變異因素

確認標準：①滑塊鋼索堵頭處拉脫力不合格，受力后滑塊鋼索堵頭處出現破裂導致鋼索與滑塊散落；②圖紙要求在滑塊玻璃安裝點位置的拉脫力大于或等于1000N，滑塊玻璃安裝點無變形、開裂現象。

隨機拿取5 塊玻璃托塊滑塊進行拉脫力試驗。在玻璃安裝點，用拉力機鋼索固定，拉力機同時施加豎直向上/下的拉力。在試驗過程中，拉脫力峰值達1 800 N；滑塊玻璃安裝點無變形，符合設計要求?；瑝K強度變形不是運動機構鋼索脫落的主要原因。

2.2.5 彈簧套管變異因素

確認標準：根據玻璃滑塊運動機構上升到頂時，電機堵轉時鋼絲繩固定管長伸入絲輪蓋長度夾緊，對彈簧套管塑料樣件做破壞試驗，檢測破壞力大于500 N的要求。

隨機取10個彈簧套管，用拉力機夾具固定，固定后沿鋼索方向施加破壞拉力。記錄10組試驗數據，破壞拉力最大值867 N，最小值773N，平均值816N，滿足破壞拉力大于500N設計要求。彈簧套管強度不足不是運動機構鋼絲繩脫落失效的原因。

2.2.6 沙塵環境影響因素

確認標準：噴灑粉塵后，升降器應能承受2萬個工作循環的耐久性試驗；試驗后不應有任何損壞、破裂、變形和異響發生，試驗后符合耐久性能要求。

使用ISO 12103-1定義的A2或A3級粉塵，耐久試驗開始前，玻璃降至車門后在導槽密封條外表面均勻噴灑粉塵，剛好均勻覆蓋導槽外表面。為更好模擬M地區沙塵環境工況，試驗中額外對機構運動部件噴灑4 次，每次10 mL 沙塵。在高溫循環階段，玻璃托架轉角R 角開裂，提拉點未斷裂。小組成員判斷M地區沙塵環境是開裂的影響因素之一。

2.2.7 高溫環境影響因素

確認標準：升降器高低溫和環境溫度下在承受2 萬個工作循環后，不應有任何損壞、破裂、變形和異響發生，試驗后符合性能要求。

試驗環境和過程同2.2.6。為更好模擬M地區高溫工況，高溫循環溫度提高至90℃。同樣在高溫循環中，出現玻璃托架轉角R角開裂，提拉點未斷裂的情況。小組成員判斷，中東持續高溫是開裂的影響因素之一。

2.2.8 材料熱膨脹系數差異影響因素

確認標準：在2.2.6和2.2.7相同試驗條件下，對比不同結構、工藝和材料的耐久性能。

分別對2種不同結構和材料滑塊的升降器進行2.2.6沙塵耐久試驗和2.2.7高溫加強耐久試驗。A 升降器與故障件為相同鐵包塑結構，在鈑金鋼絲繩固定點改進結構增加U型金屬卡槽，減輕升降過程中受力不均；B升降器使用純塑料結構滑塊。

A 升降器在改進結構后依然出現滑塊開裂失效；B升降器在完成沙塵及加強高溫耐久試驗后沒有出現開裂（圖4）。

圖4 純塑料結構B類升降器（左）與改進結構后塑包鐵A 類升降器（右）的對比

為找出在高溫工況下滑塊斷裂原因，小組進行進一步分析。在查看斷裂處掃描電子顯微圖像（SEM）后發現：斷面邊緣出現脆性斷裂放射狀紋路，斷面中央出現蠕變斷裂纖維狀紋路（圖5）。針對斷裂模式進行CAE分析，在90℃高溫工況下發現應力集中于滑塊鋼絲繩安裝點拐角位置（圖6）。抽取3批POM樣件檢測在90℃環境下蠕變模量，檢測結果見圖7。

圖5 斷面SEM圖

圖6 結構優化前后CAE分析圖

圖7POM材料蠕變模量檢測報告

根據斷裂失效機理分析，產生疲勞失效的外因是零件受到了變化的載荷，而內因則是鐵包塑料注塑結構中，天然存在位錯滑移帶、夾雜物熱膨脹變形等能夠引起高應力集中的缺陷。小組成員判斷塑包鐵結構的熱膨脹系數差異是開裂的影響因素之一。

綜合所有試驗和測試結果，得出“機構運動部件失效”的3個原因。

（1）沙塵。在沙塵環境下，升降器拉索系統阻力出現動態變化而塑包鐵結構中天然存在的位錯滑移引起應力集中。

（2）高溫。在持續高溫影響的動態工況下，膨脹變形后能夠引起高應力集中的缺陷，在熱脹冷縮后塑料拉裂，長期負荷下壽命斷裂失效。

（3）材料高溫膨脹系數。材料高溫膨脹系數不同為失效的根本原因，由于鈑金和塑料的熱膨脹系數相差約6倍，塑包鐵結構中天然存在的位錯滑移、熱膨脹變形后能夠引起高應力集中的缺陷，在熱脹冷縮后塑料拉裂，長期負荷下壽命斷裂失效。

3 解決方案

針對導致“機構運動部件失效”的3個原因，在考慮成本、時間和工藝等因素后，小組提出以下2個改進方案。

（1）針對“塑料和鈑金熱膨脹系數不同”，滑塊由塑包鐵結構改為純塑料注塑結構，減少熱膨脹差異導致應力集中（圖8）。

圖8 滑塊由塑包鐵結構改為純塑料注塑結構

（2）針對沙塵環境因素，鋼絲繩繞線輪區域由半封閉鐵件結構改為“PA66+GF30”的封閉注塑結構，減少灰塵顆粒進入繞線輪內板的鋼絲安裝槽（圖9）。

圖9 鋼絲繩繞線輪區域由半封閉鐵件結構改為PA66+GF30的封閉注塑結構

完成結構改進后，對3個樣件在2.2.6和2.2.7相同試驗條件下，重新進行玻璃升降器耐久試驗，3個樣件在試驗結束后升降器運行良好。拆解試驗樣件進行觀察運動滑塊沒有出現斷裂，零件狀態良好。

4 效果驗證

改進措施實施后，小組對實施效果進行檢查，統計202N年XX月零件狀態切換后4周內的故障率。比較切換前同期故障率，M車型后側門玻璃升降器故障率明顯下降，由0.510%下降至0.088%（表5）。

表5 改進后故障率

5 結束語

本文分析某SUV 在M市場升玻璃降器故障率高問題的因素，并針對所有因素逐一進行驗證，確定了3個影響升降器故障率的關鍵因素：沙塵、高溫和材料膨脹系數差異。導致玻璃升降器故障的根本原因是由于鈑金和塑料的熱膨脹系數相差約6倍，塑包鐵結構中天然存在的位錯滑移和熱膨脹變形后能夠引起高應力集中的缺陷，在熱脹冷縮后塑料拉裂，長期負荷下壽命斷裂失效。針對關鍵因素提出解決方案，方案施行后問題得到明顯改善。

中國汽車在走向世界，在巨大的機遇背后也有對質量的嚴格考驗，針對汽車功能性零件尤為如此。在產品出口前工程師提前到目標市場進行實地考察并對標在目標市場已售車輛，對即將出口的產品在模擬目標市場的氣候環境中進行嚴格測試，將質量問題消滅在交付客戶之前，打好中國汽車質量和口碑的戰役。