轎車天窗設(shè)計(jì)和開發(fā)分析

韓小偉，王文龍

轎車天窗設(shè)計(jì)和開發(fā)分析

韓小偉1，王文龍2

（1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241003； 2.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054035)

天窗系統(tǒng)已逐漸成為各個(gè)汽車廠家生產(chǎn)轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置，天窗在汽車前期設(shè)計(jì)開發(fā)中牽涉面較廣,涉及到和周邊部件的配合質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)空間校核等,直接關(guān)乎到汽車的駕乘舒適性和運(yùn)行安全性。所以做好天窗前期設(shè)計(jì)開發(fā)工作十分重要。文章通過對(duì)某車型新開發(fā)設(shè)計(jì)天窗過程中的問題進(jìn)行歸納總結(jié),以期為相關(guān)領(lǐng)域工作人員提供一定的參考。

轎車天窗；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；產(chǎn)品開發(fā)；轎車外飾

汽車頂部的天窗不僅起到裝飾作用，更發(fā)揮著許多實(shí)際作用。一方面，車內(nèi)乘客可以控制天窗閉合運(yùn)動(dòng)以有效調(diào)節(jié)明亮度，并將清新的空氣自然地在車內(nèi)循環(huán)以使得室內(nèi)空氣通風(fēng)換氣，提升駕駛舒適性和安全性；另一方面是在人機(jī)工程方面，不流通和含氧量低的空氣會(huì)使駕駛員疲倦，打開天窗可以使空氣流通性增加，清新流通的空氣會(huì)使得駕駛者頭腦清醒，警覺性提高，減少司機(jī)的疲勞感并可以預(yù)防交通事故；此外，天窗的價(jià)值還體現(xiàn)在開闊駕乘視野、減少汽車能量損耗、降低行駛噪音、玻璃除霜除霧、移動(dòng)攝影攝像等方面。

一、天窗結(jié)構(gòu)和材料分析

1.天窗系統(tǒng)簡(jiǎn)介

天窗類型很多，按照運(yùn)動(dòng)行程來分，分為全景天窗（含敞篷式）和半景天窗；按照動(dòng)力方式可分為手動(dòng)天窗和電動(dòng)天窗。手動(dòng)天窗主要由上部骨架、玻璃組合、手柄組合、內(nèi)密封圈等部件組成，具有玻璃可拆卸、可分步鎖止、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、價(jià)格較低、重量較輕的特性，但玻璃不能前后移動(dòng)，只能上下運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)天窗又分為內(nèi)滑式天窗和外滑式天窗。內(nèi)滑式天窗是較為常用的一種天窗類型，顧名思義，是指天窗在車頂蓋內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，可有效降低行駛噪音并且易于保養(yǎng)，同時(shí)具有尾部上升抬起功能，其下部裝配有遮陽板，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較高、重量較大、安裝困難的特性。外滑式電動(dòng)天窗，是玻璃在車頂外部滑行的一種運(yùn)動(dòng)形式，具有結(jié)構(gòu)一般、價(jià)格適中、安裝容易的特性[1]。天窗功能一般有上掀、移動(dòng)、關(guān)閉、遮陽板隨玻璃運(yùn)動(dòng)功能，同時(shí)為了操作舒適性和安全性考慮，還可設(shè)計(jì)有感知、防夾、一鍵啟動(dòng)、軟停止、玻璃微調(diào)等功能。

2.結(jié)構(gòu)及材料規(guī)格

電動(dòng)天窗一般由驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、排水機(jī)構(gòu)和密封機(jī)構(gòu)構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、微電腦、傳感器、控制開關(guān)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和拉線等；滑動(dòng)機(jī)構(gòu)主要指滑軌軌道部分、排水機(jī)構(gòu)包括兩側(cè)排水槽和各部分導(dǎo)水管等[2]。密封機(jī)構(gòu)是指其運(yùn)動(dòng)玻璃和周圍密封圈組合，以常見的轎車內(nèi)藏式電動(dòng)天窗為例，說明天窗的結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的材料和規(guī)格，圖1為電動(dòng)天窗主要零部件爆炸示意圖。

圖1 電動(dòng)天窗主要零部件爆炸示意圖

表1 電動(dòng)天窗主要零部件示意圖

二、天窗的開發(fā)流程

天窗結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)配合質(zhì)量和使用性能技術(shù)要求較高，同時(shí)設(shè)計(jì)開發(fā)周期較長(zhǎng)，對(duì)于全新開發(fā)的車型，主機(jī)廠和供應(yīng)商要做好開發(fā)同步配合工作，合理的開發(fā)流程見表2。

表2 開發(fā)流程

三、天窗特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

天窗系統(tǒng)在裝配時(shí)須滿足裝車性、密封性、作動(dòng)性、外觀性等基本性能要求；裝車性是指天窗和車頂蓋裝配孔的配合，與車頂?shù)拈g隙，與頂棚的配合，玻璃弧度與車頂弧度的匹配性，遮陽板絨布與頂棚絨布的配合情況；密封性指玻璃組合與車頂開口部的配合；作動(dòng)性是指天窗裝在車體上的作動(dòng)性能；外觀性是玻璃弧度與車頂弧度的匹配性，遮陽板絨布與頂棚絨布的配合情況[3]。

天窗在設(shè)計(jì)之初要考慮的問題是分析其功能和整車總布置關(guān)系，如空間問題（運(yùn)動(dòng)和裝配）、配合問題（與周邊頂棚、橫梁、遮陽板、扶手、燈具等）、人機(jī)工程布置問題（遮陽板相對(duì)于H點(diǎn)的布置）。其次需要計(jì)算車身頂部頂蓋的開孔尺寸（長(zhǎng)×寬）、玻璃曲率變化和安裝孔的曲率變化范圍（在車頂中分面沿著X、Y、Z三個(gè)方向），天窗總布置曲率變化的如圖2所示。

圖2 天窗總布置曲率變化

需要注意的是，為防止后期出現(xiàn)天窗漏水現(xiàn)象，天窗設(shè)計(jì)中要著重考慮密封問題。一方面需要在其內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)流水槽，另一方面要在天窗框架上設(shè)計(jì)密封橡膠，還要沿著流水槽的縫隙漏水出設(shè)計(jì)導(dǎo)水管，利用導(dǎo)水管和流水槽將縫隙處漏下的水引到車外。

為提升天窗的使用性能，防止后期產(chǎn)生漏雨、異響、工作噪音大和運(yùn)動(dòng)干涉等問題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就需要注意配合間隙和尺寸公差質(zhì)量，天窗各配合間隙要求（單位：毫米）

圖3 裝配要求

天窗玻璃窗組合中玻璃板一般設(shè)計(jì)顏色為可反射陽光的褐色，厚度4mm，周邊加裝植絨玻璃密封條，可防漏水、防噪聲，同時(shí)加設(shè)玻璃固定板，以固定玻璃并將之裝配在控制機(jī)構(gòu)滑槽板上。下部設(shè)有遮陽板總成，可在關(guān)閉時(shí)起到遮光作用，打開后又可將光線照進(jìn)車廂。為了固定其和頂棚配合的周邊強(qiáng)度，以防止頂棚開孔邊下落，需要在遮陽板周邊設(shè)計(jì)密封圈[4]。天窗骨架總成需要設(shè)計(jì)9個(gè)安裝支架以保證安裝強(qiáng)度，左右兩側(cè)各3個(gè)，設(shè)計(jì)在橫梁結(jié)合點(diǎn)位置最佳，主要用于安裝前后后支架和備用孔，用它們來調(diào)整天窗左右間隙和高度。在骨架總成前區(qū)為了安裝固定和調(diào)整天窗高度及前后間隙，同樣需要設(shè)計(jì)3個(gè)安裝支架為佳。

四、天窗技術(shù)要求

1.主要性能要求

天窗須滿足兩項(xiàng)國(guó)家強(qiáng)檢標(biāo)準(zhǔn)是GB8410-94（汽車內(nèi)飾材料的耐燃燒特性）和汽車玻璃3C標(biāo)準(zhǔn)，此外，出口車輛還要滿足相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是歐洲ECE NO21（內(nèi)部突起：車內(nèi)具有依規(guī)定制定的安全構(gòu)造）、歐洲ECE NO26（外部突起：車內(nèi)具有依規(guī)定制定的安全構(gòu)造）、美國(guó)FMVSS NO303（難燃性：車內(nèi)的內(nèi)裝材的難燃性）、美國(guó)FMVSS NO205（玻璃的安全基準(zhǔn)）、電動(dòng)天窗應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)的要求，并按經(jīng)規(guī)定程序批準(zhǔn)的產(chǎn)品圖樣及設(shè)計(jì)文件制造生產(chǎn)。

2.基本要求

（1）外觀、形狀、顏色：檢查是否有變形破裂的危害，檢查其磨損情形，尺度或與樣品作比較，不應(yīng)有影響其商品價(jià)值的缺陷。

（2）操作性：在15V電壓下操作下，一般溫度時(shí)，其操作速度為1±0.35s/mm，負(fù)載下的電壓須介于11~15V。

（3）玻璃松脫程度：在玻璃關(guān)閉狀況下，當(dāng)施加5Kg力在頂蓋時(shí)，玻璃的縱向晃動(dòng)量在1.0mm之內(nèi)。

（4）玻璃維持性：須按保持強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法（13-2B）檢測(cè)。機(jī)構(gòu)不應(yīng)該發(fā)生作動(dòng)終止，實(shí)驗(yàn)后機(jī)構(gòu)不應(yīng)該作動(dòng)終止，并保持關(guān)閉狀態(tài)。

（5）玻璃剛性：按保持強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法（13-2C）檢測(cè)。向下偏移量：小于3mm，向上偏移量：（2-1）P1 T0 P4：小于2mm，P5：小于5mm，P6：小于3mm。

（6）遮陽蓋擋塊強(qiáng)度之操作力：操作力的測(cè)量位置在遮陽蓋的把手位置處。操作力不能低于遮陽蓋的重量也不能超過25N，最大操作力須小于35N，且擋塊不可產(chǎn)生危害。

（7）遮陽蓋剛性：依遮陽蓋剛性實(shí)驗(yàn)方法（13-2E）檢測(cè)。位移量小于9mm。

（8）作動(dòng)異音：于實(shí)際裝車狀態(tài)下，背景噪音40dB以下，于馬達(dá)正下方及底板后300mm處測(cè)量。異音在70db以下。

（9）異常噪音：在實(shí)車驅(qū)動(dòng)的狀況下或在底盤加振動(dòng)的情況下檢測(cè)，不可有松動(dòng)、干涉、摩擦等的異音。

（10）放銹、放腐蝕：目測(cè)不可有腐蝕。

（11）電流值：應(yīng)在實(shí)際的條件下測(cè)量，電源供應(yīng)：13.5V。作動(dòng)時(shí)工作電流低于11A、阻擋時(shí)電流低于30A。

（12）馬達(dá)噪音：在作動(dòng)時(shí)，測(cè)量馬達(dá)噪音、測(cè)量電壓波動(dòng)。噪音規(guī)范依28 400 NDS 21規(guī)范，低頻起伏：300以下，高頻起伏：300V以下

（13）電路裝置特性：馬達(dá)特性，馬達(dá)應(yīng)在實(shí)際裝配中15V電壓情況下自鎖，并且第一次開啟須作動(dòng)。開啟的時(shí)間必須被測(cè)。

（14）漏油率：須目視檢查，不可有漏油現(xiàn)象。

（15）密封性：下列實(shí)驗(yàn)須執(zhí)行，排水管不可有漏水現(xiàn)象，并車室內(nèi)不可有漏水。

天窗設(shè)計(jì)既要重視和供應(yīng)商前期的產(chǎn)品定義、性能要求等技術(shù)溝通工作，也要強(qiáng)調(diào)后期完成后進(jìn)行充分的尺寸裝配、運(yùn)動(dòng)校核和性能匹配工作，對(duì)于剛性要求比較高的零部件一定要在結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計(jì)之初就要充分機(jī)型CAE及Moldflow 輔助驗(yàn)證[5]，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制車身頂蓋的配合質(zhì)量，特別是頂蓋開口尺寸和頂蓋橫梁的配合質(zhì)量。

[1]鄭勇軍，原紹鵬.汽車天窗在前期開發(fā)中的研究[J].輕型汽車技術(shù)，2015（Z4）：18-20.

[2]蔣振宇.結(jié)構(gòu)優(yōu)化在汽車天窗設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017（05）：7-9.

[3]化文波.汽車天窗的結(jié)構(gòu)與維護(hù)[J].汽車維修，2006（10）：38-39.

[4]劉燕霞.汽車天窗設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].汽車與配件，2014（23）：64-65.

[5]金婉如.基于UG的汽車天窗設(shè)計(jì)和開發(fā)[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2005.

Analysis of Design and Development of Car Sunroof System.

HAN Xiao-wei1，WANG Wen-long2

（1.Wuhu institute of technology, Wuhu, Anhui 241003, China; 2. Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China）

The sunroof system has gradually become the standard sedan car features of all the manufacturers. It impacts widely in the early stage of the automotive design and development and involves the fit quality and movement space proofread with the surrounding parts, which is directly related to the car comfort and safety. Therefore, it is very important to design and develop the sunroof system. This paper summarizes the problems in the new development and design of a new model, in order to provide some references for the relevant field staff.

car sunroof; structural design; product development; car exterior trim

U469.72

A

1008—6129（2018）01—0080—05

2018—01—06

安徽省高校省級(jí)質(zhì)量工程——“名師工作室”，項(xiàng)目編號(hào)：2014msgzs173；安徽省高校省級(jí)質(zhì)量工程——“高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目”，項(xiàng)目編號(hào)：KJ2016A755；安徽省高校省級(jí)質(zhì)量工程——“專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”，項(xiàng)目編號(hào)：2014sjjd074；安徽高校省級(jí)質(zhì)量工程——“專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”，項(xiàng)目編號(hào)：2015zy087。

韓小偉（1980—），安徽阜陽人，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師。