乘用車天窗加強框結構的優化研究

熊 志 尋 璋

（珠海市瑪斯特五金塑料制品有限公司，珠海 519000）

天窗是大多數汽車中一個普遍的設計，隨著外資及合資品牌的汽車逐漸進入中國市場，汽車制造企業間的競爭越來越激烈。這使得汽車中天窗的結構設計要求不斷提升，不僅要保證它具有良好的功能，還要確保它的美觀。

1 天窗、車身、頂蓋介紹

1.1 汽車天窗類別

根據定崗尺寸和頂蓋形式，汽車天窗可以分為單天窗、雙天窗、全景天窗三類，如圖1所示。常見的天窗開啟方式也可分為三類，即內藏式、外滑式和內藏外翻式。

圖1 天窗分類

1.1.1 單天窗

單天窗最大的特點是占蓋比例小，多數布置位置位于前排座椅正上側。單天窗通常應用的車型為SUV、MPV和各類轎車，其中MPV車型的單天窗與其他車型有所差異，通查設置在第二排座椅的正上方。

1.1.2 雙天窗

雙天窗多數應用于MPV車型，即在MPV車頂蓋處布置兩個單天窗，布置方式為一前一后，前天窗布置在前排座椅上方，后天窗布置在第二個座椅上方。

1.1.3 全景天窗

全景天窗通常會占汽車頂蓋尺寸的2/3，甚至一些車型會將整個頂蓋都設置為玻璃頂蓋。

1.2 單天窗類車型車身及頂蓋組成

采用單天窗的車型，從外觀來講，其頂蓋通常包括天窗總成和頂蓋鈑金。圖2顯示的是頂蓋鈑金，其組成部件有外板、頂蓋前橫梁、頂蓋加強橫梁、頂蓋尾橫梁、天窗加強梁等。其中，天窗加強梁為核心部件，它對天窗起到了安裝和承載的作用。

2 天窗加強結構優化方案

2.1 頂蓋開口優化方案

頂蓋鈑金開口的尺寸，通常以天窗的尺寸大小作為依據，其設計原則為頂蓋鈑金開口須滿足天窗的密封性能，確保在開啟/關閉天窗過程中不會出現刮擦密封膠條現象，進而造成天窗接口處出現縫隙，導致天窗漏水。在圍繞鈑金進行細節結構設計期間，設計師主要關注頂蓋的以下幾處位置及其尺寸，如圖3、圖4所示。

圖2 應用單天窗車型的頂蓋結構

圖3 汽車頂蓋開口結構優化（一）

圖4 汽車頂蓋開口結構優化（二）

圖3 中斷面A尺寸，即a1為汽車天窗膠條的密封面，以天窗膠條的設計要求為依據，a2尺寸通常設計值為2mm，以有效減小天窗運動期間鈑金對膠條的刮擦。此外，尺寸a3的值通常會設置為2mm，其目的是為了保證天窗處于開啟狀態時外觀的美觀程度。

圖3中斷面B為頂蓋轉角的位置，因為頂蓋沖壓帶來的限制，因此轉角處無法采用與斷面A相同的設計形式，在對尺寸b進行設計時，不僅要保證膠條的密封程度，還要保證其在天窗運動期間不會與鈑金形成刮擦現象。考慮到沖壓成型要求，通常情況下轉角尺寸設計為15mm。

在內藏式天窗開啟過程中，天窗從前向后運動，因此斷面C不能采用斷面B的設計形式，從圖4可以看出，以滿足天窗固有密封面的尺寸要求為基礎，同時需要對鈑金止口部位設計翻邊，對于翻邊的要求為：翻遍長度、角度（c1、c2）以天窗運動包絡為依據，通常情況下參考尺寸為：長度2.5～4mm，角度117°～140°；設計c3尺寸時，在滿足天窗運動包絡含有足夠的間隙基礎上，保證將加強版遮擋，進而確保開啟天窗后鈑金外觀的美觀程度。

圖4中所示的斷面D為頂蓋開口后方，通常情況對其采用包邊結構，對其進行設計時，需要在滿足運動包絡間隙、滿足膠條密封面尺寸的基礎上，以制造廠商對包邊機構的要求為依據進行設計，其市面上較為成熟的結構為：d1/d2/d3/d4=10.5mm/2mm/50°/2mm，此外，要求R1/R2/R3的半徑≥2mm。

2.2 前橫梁結構優化方案

頂蓋前橫梁通常設置在前頂燈位置，電機設置在天窗前方位置，在對前橫梁設計期間，除了要滿足車身性能，還需重點對頂蓋前梁與天窗之間的設計間隙進行確認，要求最小間隙不得小于10mm，圖5為前橫梁與天窗電機間隙示意圖。

圖5 前橫梁與天窗電機間隙示意圖

2.2.1 側圍與加強框連接形式

天窗加強框與天窗側圍通過支腳結構進行連接，通常連接支腳布置在加強框的前方與后方，其主要可分為三種支腳形式，即整體式、分體式和綜合式，如表1所示。

整體式是指加強框自帶連接支腳的形式，具有精度高、強度好的特性，但是其材料利用率較低；分體式事指加強框利用連接支架連接側圍，與整體式相比，分體式精度、強度都略差，但具備較高的材料利用率；綜合式是指加強框后側自帶連接支腳，前方利用支架與側圍進行連接。

表1 加強框支腳形式

2.2.2 加強框關鍵尺寸優化方案

在對加強框的關鍵尺寸進行設計時，需要以天窗總成的尺寸大小、總成重量、材料的利用率等一系列綜合條件作為依據，如圖6所示。根據市場上成熟產品的調研結果，加強框關鍵尺寸的設計可參考表2的數據。

圖6 加強框關鍵尺寸設計

表2 市場成熟加強框尺寸參數

2.2.3 運動校核

對天窗的運動校核，即對運動包絡、頂蓋鈑金之間的間隙進行運動校核，通常要求其不得小于10mm，若設置不合理的間隙，則會影響天窗開啟/關閉功能的正常使用。

3 結語

隨著國民經濟的持續發展，人們對汽車配置的要求日益增高，汽車天窗的合理配置直接決定著汽車產品的用戶體驗度。因此，汽車廠家為迎合消費者對體驗度的要求，就須不斷優化汽車生產工藝，在確保質量的同時滿足外觀精細的要求。

[1]劉文章，何景武.機身加強框結構剛度優化設計研究[J].強度與環境，2014，（4）：41-47.

[2]蔣振宇.結構優化在汽車天窗設計中的應用[J].汽車實用技術，2017，（5）：7-9.