汽車外開天窗的設(shè)計

劉燕霞 張淑立

（1.天津一汽夏利汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心；2.上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心）

外開天窗是安裝在汽車的車頂上，通過電機的驅(qū)動將天窗玻璃起翹和打開，進行通風(fēng)換氣和采光散熱的裝置。10年以前外開天窗的設(shè)計技術(shù)比較落后，天窗風(fēng)噪大，外觀粗糙，市場上應(yīng)用較少。但是最近幾年隨著天窗技術(shù)的不斷進步，外開天窗從結(jié)構(gòu)設(shè)計上加強了對風(fēng)噪的控制，外觀設(shè)計也越來越美觀。同時汽車行業(yè)也正向節(jié)能減排和優(yōu)化車內(nèi)空間方向發(fā)展，外開天窗由于節(jié)省頭部空間，更多地被廣大汽車公司采用，尤其是外開全景天窗已經(jīng)變成汽車銷售的一大亮點。

1 外開天窗簡述

1.1 類型

外開天窗的類型有：手動外開天窗、電動普通外開天窗及全景外開天窗。傳統(tǒng)的手動外開天窗只有起翹功能，不含排水系統(tǒng)，外觀普通，因此只用于較為低端的車型、改裝車市場和公交車型。目前大多數(shù)車型使用的都是電動天窗。電動天窗按照玻璃打開方式方向不同分為：普通外開天窗、全景外開天窗。普通外開式天窗在開啟時，是在車頂外側(cè)滑動。滑動總成為伸縮型軌道，具有體積小和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，可以傾斜升高，打開一定角度，打開時是從傾斜位置平移向后滑動，但是開口大小有限，風(fēng)噪較大。

目前許多新型機械組結(jié)構(gòu)，滑動總成仍為伸縮型軌道，天窗玻璃板以和頂蓋平行的方式打開，外觀很好，但開口的大小有限。前側(cè)導(dǎo)風(fēng)板一般為網(wǎng)狀織物材料，盡管是外開的天窗，但也能有較低的風(fēng)噪表現(xiàn)。

在歐洲，還有很多全景天窗的車型，全景天窗由普通的外開式天窗逐漸演變而來，全景天窗的機械結(jié)構(gòu)和普通天窗略有不同，滑動機械組可以從前塊玻璃滑移到后塊玻璃和車頂?shù)拿芊鈼l中間，玻璃板可以完全打開，天窗的開啟面積是可以達到普通外開天窗的140%。全景天窗與普通天窗相比玻璃板面積和塊數(shù)增加，車頂可透光面積增大，這也是將來國內(nèi)天窗的發(fā)展趨勢。

1.2 結(jié)構(gòu)

通常電動外開天窗和內(nèi)藏天窗的結(jié)構(gòu)大致相同，略有不同的是天窗框架組合上的后排水槽為固定形式。外開天窗一般結(jié)構(gòu)組成，如圖1 所示。

1.3 功能

電動外開天窗通常帶有一般功能，考慮到國內(nèi)外市場和高級車型的要求，在天窗的設(shè)計中通常還帶有一些特殊功能，這些功能需要與車速信號及雨量傳感器等整車控制模塊相匹配。具體功能，如表1 所示。

表1 電動外開天窗的功能

1.4 安裝方式

天窗的安裝方式有上裝形式和下裝形式。下裝形式天窗是在前風(fēng)擋玻璃未安裝之前，用移載機從前風(fēng)擋的開口送入頂蓋下方，從底部安裝到頂蓋上，然后再用螺釘連接到天窗加強板上，加強板和天窗之間有定位控制以保證安裝精度，裝配方式示意圖，如圖2 所示。普通天窗和大部分全景天窗一般采用下裝形式。這是傳統(tǒng)的安裝方式，工藝簡單。

天窗安裝時不僅要考慮與車身的定位和裝配，還要考慮天窗玻璃與頂蓋的配合，天窗玻璃要預(yù)留玻璃螺釘調(diào)節(jié)時的安裝空間。

2 天窗設(shè)計的標準和法規(guī)

2.1 國家強制性標準

天窗在開發(fā)的過程中，必需滿足國家強制性標準，如：1）GB 9656—2003《汽車用安全玻璃》；2）GB 11551—2003《正面碰撞的駕駛員保護》；3）GB 11552—2009《乘用車內(nèi)部凸出物》；4）GB 11566—2009《轎車外部凸出物》；5）GB 8410—2006《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》。

2.2 國外法規(guī)

天窗產(chǎn)品在確定形式項目期間，必須滿足所有銷售地區(qū)的當(dāng)前和未來的法規(guī)和安全的要求，以保證符合整車的形式認證，代表性的國外法規(guī)有：

1）74/60 /EEC《內(nèi)飾安裝件的變更》；2）74/483/EEC《內(nèi)飾安裝件的變更》；3）FMVSS302《可燃性》；4）FMVSS204《玻璃材料》；5）FMVSS118《電動車窗系統(tǒng)》；6）ECE43《玻璃》；7）ECE26.01《外部彈出裝置》。

3 天窗的設(shè)計要求

3.1 開口尺寸的確定

天窗的開口尺寸取決于整車內(nèi)部允許的布置空間，并盡可能沿用成熟的天窗平臺開口尺寸，以便能共用部件，避免重新開發(fā)新平臺所產(chǎn)生的費用和周期。天窗開口尺寸的確定主要考慮3 點。

1）確定天窗的寬度。天窗的寬度取決于頂棚前后拉手位置側(cè)凹后，所剩的空間，同時要考慮頂蓋在沖壓天窗開口后側(cè)邊要保留必要的沖壓寬度。

2）確定天窗高度方向的可布置空間。天窗進行整體布置時，必須對頭部空間進行校核，確保滿足整車前排和后排乘客對頭部空間的要求。外開天窗的厚度相對內(nèi)藏天窗較薄，對頭部空間的布置比較有利。

3）確定天窗開啟后所允許的長度空間。前部要考慮與頂燈和頂棚的間隙，后部要考慮頂棚預(yù)留的長度空間。

結(jié)合以上的要素，再考慮與周邊零件的間隙，就可以確定天窗的開口尺寸和布置位置。

3.2 頭部空間的校核

天窗進行整體布置時，必須對頭部空間進行校核，確保滿足整車對頭部空間的要求，圖3 示出天窗頭部空間校核示意圖。不同的廠家對頭部空間的要求不盡相同，但一般都確保天窗的下部與頂棚間隙（b）預(yù)留5～8 mm，天窗的下部到99%的頭部位置間隙（a）預(yù)留在16 mm 以上。

3.3 密封要求

天窗玻璃板密封條與車身頂蓋翻邊為過盈配合，以保證良好的密封性能。天窗密封面必須避開頂蓋翻邊處的焊點，以保證天窗密封條和車身頂蓋的配合有合理的過盈量，一般過盈量控制在1.2～1.8 mm。頂蓋天窗開口前部的翻邊焊點的位置布置在下部，這樣可以避開密封條的運動區(qū)域，以防長期的摩擦運動對密封條造成磨損。頂蓋翻邊的焊點位置要滿足焊鉗的空間，圖4 示出車身天窗開口前翻邊的焊點位置。

3.4 灑水性要求

外開天窗的灑水性要求與內(nèi)開天窗的相同，防水性要求無水溢進內(nèi)飾及非排水區(qū)域，需要保證從密封條進入的水滴在汽車行駛過程中仍然能夠滴在排水槽的區(qū)域[1]。大多數(shù)的天窗排水槽設(shè)計以覆蓋到水滴（15±5）°擺角區(qū)域為設(shè)計基礎(chǔ)，校核灑水角度時，注意校核每處引水滴下的邊緣的水滴角度是否滿足設(shè)計要求。圖5 示出天窗防水性尺寸要求斷面圖。

3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

在確定了天窗的開口尺寸及天窗的空間布置完成后，可以參考同類車型，進行細部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要考慮產(chǎn)品的工藝性、可裝配性以及自身的強度和剛度。

產(chǎn)品設(shè)計時一定要確保產(chǎn)品的成型性。天窗的塑料件，如前橫梁、擋風(fēng)板及后排水槽等窄長的零件，設(shè)計時必須考慮材料的變形和翹曲，合理布置結(jié)構(gòu)和加強筋。尤其是前橫梁屬于結(jié)構(gòu)件，一般用玻璃增強的材料，這類零件的長寬收縮比不同，要配合產(chǎn)品進行模流分析，保證產(chǎn)品成型后的尺寸合理和弧度一致性。

產(chǎn)品設(shè)計時，主要對天窗系統(tǒng)剛度試驗的重點項目做CAE 模擬分析；對天窗總成做靜態(tài)強度分析和模態(tài)分析。強度分析用來優(yōu)化設(shè)計，圖6 示出天窗有限元分析位移圖。模態(tài)分析用于避開整車存在共振。通過分析，可以直觀地了解到結(jié)構(gòu)設(shè)計的符合性，從而合理地設(shè)計零件結(jié)構(gòu)和控制零件的質(zhì)量。

外開天窗的設(shè)計和內(nèi)藏天窗的設(shè)計大同小異，其中有一些一般性的設(shè)計原則、布置的典型斷面及標準法規(guī)要求是相通的，但是外開天窗在產(chǎn)品的開發(fā)過程中，更要注意產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的加強和風(fēng)噪控制策略的合理制定，同時還要結(jié)合整車空間的實際情況和客戶的具體要求進行相應(yīng)的調(diào)整和補充。

4 結(jié)論

不斷加強系列產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的建立，是展開平臺化設(shè)計來達到縮短開發(fā)周期、降低成本以及持續(xù)改進的基礎(chǔ)。同時，還要開拓視野，關(guān)注市場上新型外開天窗的機械組結(jié)構(gòu)形式，相關(guān)新技術(shù)的應(yīng)用情況，把握天窗未來的發(fā)展趨勢，如外開的大玻璃的半全景和外開全景天窗。輕量化、多功能及全景的外開天窗設(shè)計將成為天窗研發(fā)的主流技術(shù)，作為整車的魅力質(zhì)量吸引更多的客戶目光。