汽車電動天窗典型異響問題研究

潘釔安

(上海汽車集團股份有限公司技術中心， 上海 201804)

0 引言

電動天窗從早期的多應用于高檔車型上發展至今，越來越普及于各級別乘用車上，成為汽車的一個標準配置，其不僅具有美觀、開闊視野的作用，還擁有換氣、除霧和節能等功能。作為較復雜的運動件，電動天窗在汽車行駛和自身運行過程中均有可能引起令人煩惱的異響。一般而言，電動天窗按開啟方向可分為內藏式和外開式兩種，這兩種天窗的異響來源基本相同。據售后統計，電動天窗異響的表現形式大致可分為三類，第一類是天窗自身部件相互作用產生的異響[1]，主要異響源為天窗限位結構異響、車輛行駛在顛簸路面時遮陽板攢動、鏈條與導軌內壁的摩擦、驅動滑塊與導軌滑槽的摩擦、滑塊與玻璃安裝支架凹槽的摩擦、馬達內部蝸輪蝸桿運轉不平穩等。第二類是天窗與其他部件作用產生的異響[1]，主要異響源為天窗開閉時密封條與車頂的摩擦、馬達啟停切換時引起前框架抖動撞擊車頂、天窗打開時導風條彈起撞擊車頂等。第三類是行車時天窗玻璃處于開啟狀態時的行駛風噪，主要異響源為由天窗開口處的不穩定氣流產生的風振。隨著客戶對零件質量和乘坐舒適性的要求越來越高，與異響相關的投訴抱怨也越來越多，異響問題必須得到足夠的重視。

在上述各種異響當中，以 “限位結構異響”、“密封條與車頂的摩擦異響”、“天窗風振噪聲”出現的頻率最高。本文對這三種異響進行探討，以期指導天窗產品設計，最大限度降低出現異響的風險。

1 天窗限位結構異響

無論是外開式還是內藏式天窗，其玻璃的運動可分為沿導軌方向運動和垂直運動兩種模式(如圖1)，天窗的運動執行機構需具備將玻璃垂直運行和沿導軌運行這兩種狀態相互轉換的功能，該功能靠天窗限位結構的結合與脫離來實現。因此，限位結構是天窗開啟關閉不可或缺的關鍵部位。本節針對某車型天窗暴露的限位結構異響問題進行分析，并給出解決方案。

圖1 天窗玻璃運動模式示意圖

1.1 某車型天窗限位結構

圖2為某款內藏式天窗的運動執行機構，由驅動滑塊、從動滑塊、限位塊、舉升臂、舉升臂滑塊、連桿、導軌限位槽等7個部件組成。

圖2 天窗運動執行機構

對于該執行機構，玻璃垂直運動或是沿導軌方向運動取決于驅動滑塊與舉升臂凹槽是否產生相對運動，而是否產生相對運動則由限位結構的結合與脫離控制。圖3為該款天窗限位結構的細節圖，其由限位塊、雙扭簧、轉軸和方形限位槽組成。限位塊前端為可與驅動滑塊配合的U形倒扣，后端為可與限位槽配合的限位滾輪，中間通過轉軸固定在從動滑塊上，形成蹺蹺板結構。雙扭簧固定在限位塊上，給限位滾輪一端施加向下的壓力。

圖3 天窗限位結構

當限位塊前端與驅動滑塊結合時，限位塊后端與限位槽脫離，驅動滑塊通過限位塊、從動滑塊和連桿驅動舉升臂在導軌中滑動(驅動滑塊與舉升臂凹槽不產生相對運動)，實現天窗玻璃的水平運動；當限位塊后端與限位槽結合時，限位塊前端與驅動滑塊脫離，驅動滑塊帶動平衡塊在舉升臂凹槽內滑動(驅動滑塊與舉升臂凹槽產生相對運動)，實現天窗玻璃的垂直運動。

1.2 限位結構異響分析

該天窗運行過程中，發現其限位結構出現異響，即限位滾輪進入限位槽時發出“咔”的尖銳響聲，根源在于沖擊力過大。下面結合天窗的運動形式，對此問題進行深入分析。

限位滾輪進入、脫出限位槽的過程如下：當滾輪隨從動滑塊向前運動至限位槽時，在雙扭簧的壓力下，滾輪繞限位塊轉軸轉動，滾入限位槽(如圖4-a)；當驅動滑塊向后運動壓下U形倒扣時，限位塊滾輪端抬起，脫出限位槽(如圖4-b)。可以看出，限位塊與限位槽的結合與脫離是通過轉動副來實現的，限位塊的自由度為1，當限位滾輪落入限位槽后，需要依靠雙扭簧的彈力來抑制轉動自由度。在運輸過程當中，天窗處于關閉位置，當天窗玻璃受到慣性力(加減速、顛簸路面、碰撞等)時，該慣性力將通過舉升臂、連桿、從動滑塊傳遞到限位塊上，一旦滾輪脫出，則玻璃將產生水平移動，導致功能失效。從安全角度出發，一般要求給玻璃施加水平方向300N的作用力時，限位塊不可脫出。雙扭簧的彈力既是滾輪落入限位槽的動力，同時也是阻止滾輪脫出限位槽的約束力。彈力較小，則滾輪落入限位槽的沖擊力較小，產生異響的風險較小，但限位穩定性較差；彈力較大，則滾輪落入限位槽的沖擊力較大，產生異響的風險較大，但限位穩定性較好。實測存在異響問題的天窗，其雙扭簧彈力為20N。

圖4a 滾輪落入限位槽

圖4b 滾輪脫離限位槽

表1反映了雙扭簧彈力對限位結構異響和穩定性的影響。從表1中可以看出，隨雙扭簧彈力增大，異響風險增大，但穩定性加強。當彈力為12N時，既滿足脫離力要求，又可避免產生異響。

表1 雙扭簧彈力對限位結構異響和穩定性的影響

注：脫離力為滾輪從限位槽脫出時玻璃前緣所受水平向后的作用力。

2 天窗密封條與車頂的摩擦異響

為了保證天窗玻璃和車頂開口翻邊之間的防塵、防水、放漏氣等功能，并保持一定的美觀功效，通常會在天窗玻璃外包覆密封條，通過密封條與車頂開口翻邊之間的彈性壓縮，形成一定的干涉量，盡可能阻隔車外環境對乘客艙的影響(如圖5)。由于天窗在開啟和關閉過程中，密封條與車頂開口翻邊之間會發生相對運動，這種運動對密封條產生擠壓和摩擦，當摩擦不穩定時就可能產生“咯咯”異響，這將直接影響車輛的感知質量[2]。本節探討天窗開啟關閉時密封條與車頂相對運動產生異響的原因和解決方法。

2.1 密封條與車頂摩擦機理的探討

密封條的摩擦異響，看似簡單，其實當中涉及到一個復雜的物理過程：stick-slip運動(黏滑運動)，即物體與接觸面之間由于附著和滑動反復作用而發生的振動，是一種不穩定的相對滑動。黏滑運動在車輛中隨處可見，比如制動器剎車異響、雨刮器刮風擋玻璃異響、車門鉸鏈開關異響等都與之有關。一般認為，黏滑運動主要是由于滑動摩擦力與相對速度的變化呈非線性關系而引起的，當振子作黏滑運動時會發生沿摩擦面的跳動，從而產生異響[3]。

滑動摩擦力通常為摩擦系數與正壓力的乘積，摩擦系數的變化和正壓力的變化均可能引起黏滑。在大多數研究中，為了簡化分析，通常將接觸面間的法向壓力視為定值，僅考慮摩擦系數隨相對速度的變化[4]。實際上，天窗密封條在與車頂相對滑動的過程中，密封條沿摩擦面法向方向是做小角度旋轉運動的，并不是直線運動，也就是說，密封條相對摩擦面的壓縮量是不斷變化的，摩擦面施加給密封條的正壓力也是不斷變化的。因此，對于密封條與車頂的摩擦異響，摩擦系數與正壓力的變化均對其有所貢獻。也就是說，摩擦系數與密封條的相對速度呈非線性關系，正壓力與密封條的相對位移也呈非線性關系，二者共同作用導致密封條與車頂發生黏滑發生。

文獻[1,2]指出可將密封條與車頂看作是單自由度干摩擦系統，并提出了相應的物理模型。在此力學模型中，將密封條視為摩擦振子m，車頂開口翻邊視為摩擦面，K、C分別為密封條的彈性系數和阻尼系數，為車頂對密封條的抵制力。本文對該模型的建立不再贅述，根據此模型，密封條所受正壓力不變，而基于上文的分析，應對其做進一步的完善(如圖6)，即考慮正壓力(x)的變化對摩擦振動的影響。

在天窗開啟關閉時，密封條m被速度為v的玻璃框架驅動，沿接觸面方向移動。取密封條未發生彈性形變的位置作為坐標軸x的原點，則x為振子離開原點的距離，是振子的運動速度，是振子的加速度，(v-)是振子相對摩擦面的速度。

如前所述，振子與接觸面之間的摩擦系數與振子的相對運動速度(v-)是非線性關系的，記作(v-)。振子與接觸面之間的正壓力與振子的相對位移x是非線性關系的，記作(x)

根據此力學模型，密封條與車頂開口翻邊的運動學方程為：

mcx(v-)(x)

此方程直觀地表達了摩擦系數(v-)和正壓力(x)對密封條振動異響的影響。

2.2 密封條摩擦異響的控制

根據2.1所列運動學方程可知，減小密封條摩擦異響的根本途徑在于將摩擦系數和正壓力的變化控制在合理范圍內。

密封條表面涂層是影響摩擦系數的重要因素。實驗表明[2]，光滑表面比粗糙表面更容易產生摩擦噪聲。不同的涂層材料在相同的正壓力下其摩擦系數隨運動速度變化的趨勢不同，應盡可能選擇變化曲線較平緩的涂層型號。另外，涂層厚度和耐磨性也是決定密封條在長期使用過程中是否產生摩擦異響的關鍵參數。涂層太薄，可能使密封條表面存在不均勻的空洞，直接導致密封條在滑動過程中與車頂開口翻邊的摩擦系數發生顯著變化；涂層太厚，則可能降低涂層與密封條基材的附著力。一般而言，涂層厚度控制在9～12 μm較適宜。

密封條與車頂的壓縮量決定密封條受到的正壓力。因此，根據密封條的材料、結構不同，必須合理設計天窗玻璃與車頂開口翻邊的干涉量,一般控制在1.2～2.0 mm范圍內較適宜(如圖7)。另外，研究表明[4]，黏滑運動的幅值隨著可變正壓力加速度的增加而增加，隨著變化頻率的增加而減小,因此保持密封條斷面厚度的一致性，增大密封條頂部圓弧的弧度，也可在一定程度上減小密封條摩擦異響。

圖7 密封條與車頂的干涉量

3 天窗風振噪聲

某款越野車在天窗完全打開的狀態下以40 km/h的速度行駛時，前排乘客耳朵感受到明顯的壓力，令人頭暈不適，這便是天窗引起的風振噪聲。風振噪聲是一種頻率低(20 Hz左右)但強度高(大于100 dB)的風噪聲，雖然不易被人耳聽到，但它產生的脈動壓力卻使乘客感到煩躁和疲倦。因此，為了確保乘坐舒適性，有必要在汽車設計階段開展風振噪聲的研究。本節探討天窗風振噪聲產生的原因和解決方法。

3.1 天窗風振噪聲機理的探討

在車頂開口前部邊緣，車外高速通過的氣流和車內相對靜止的氣體之間存在一個剪切層。當車內外氣流的速度差超過一個臨界值后，剪切層就會處于不穩定的狀態，最終形成旋渦，并隨著氣流一起向后流動。當它們撞擊到開口后緣時，渦旋破碎, 產生一個向四面傳播的壓力波。傳到車外的一部分壓力波到達開口的前緣，將再次引發渦旋的脫落，形成反饋回路。當漩渦的發散頻率恰巧與車內空氣的固有頻率一致時，將會發生赫姆霍茲共振，該過程即天窗的風振現象。

由此可見，天窗風振噪聲實際上是汽車內外空氣的共振現象，對共振頻率的預估有助于抑制風振的發生。車外空氣漩渦的發散頻率受車輛行駛速度及車輛外部造型等因素影響，相對難以確定，而車廂內部空氣的固有頻率則比較容易求得。根據Rayleigh經驗公式，赫姆霍茲共振腔的固有頻率f=c/(2л)[A/(VL)]-1/2。f是固有頻率，c是音速，V是赫姆霍茲共振腔的體積，L和A分別是頸部的長度和截面面積, 如圖8所示。

圖8 赫姆霍茲共振腔

汽車打開天窗行駛時，可等效于赫姆霍茲共振腔(如圖9)。車內容積可以看作是赫姆霍茲共振腔的體積V，車頂開口到頂棚之間的厚度近似于共振腔頸部的長度L，天窗的開口面積即為腔體的截面面積A。

圖9 天窗與頂棚斷面

3.2 天窗風振噪聲的控制

基于天窗風振噪聲的機理，控制風振噪聲主要可從兩方面著手，一是改變外部渦流的擴散頻率，二是改變車內空腔的固有頻率。

在天窗前沿安裝導流裝置，可明顯影響外部渦流的擴散頻率，導流裝置的高度、起翹角度、迎風面結構對風振噪聲均有影響。研究表明[5]，導流裝置高度增加，風振噪聲先緩慢增加, 然后迅速下降。但受造型和風阻制約，導流裝置高度的可設計范圍很小，一般為15 mm左右；導流裝置起翹角度很小或者很大，都不能很好地抑制風振，一般在40°左右效果較好(如圖10)；在導流裝置迎風面開槽(如圖11)或使用網狀織物(如圖12)均有利于減小風振。

圖10 天窗導流板示意圖

車頂開口到頂棚之間的厚度變化不大，一般在45-55 mm左右，且在車型設計前期，其與車內容積均已確定，因此，改變車內空腔固有頻率簡單有效的方法是改變玻璃的開啟距離。在開發階段，整車廠可在實車上測試天窗不同開啟位置的風振噪聲，找到適宜的開啟位置-“舒適位置”，然后在天窗控制器中設定該位置，并在天窗開關上加以標識，引導乘客規避風振噪聲。

圖11 導流板迎風面開槽

圖12 網狀織物導流板

此外，通過優化開口前緣、后緣形狀和頂棚局部傾斜角度也可抑制天窗風振噪聲[6]。

4 結語

為降低天窗限位結構異響、密封條與車頂的摩擦異響、風振噪聲這三種典型異響問題出現的概率，在進行天窗產品設計時，應充分論證限位結構結合與脫離是否平緩、順暢；優化密封條斷面形狀，合理選擇密封條尤其是其表面涂層的材料，合理設計與開口翻邊的干涉量；合理設計導流裝置的高度、安裝角度和迎風面結構，并通過開關標識主動引導乘客將天窗打開至合適的開啟距離。如果條件允許，可運用CAE軟件對三維模型進行運動學和動力學分析，有針對性地優化設計，進一步規避潛在風險。