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(tuán)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)

2.1 國家強制性標(biāo)準(zhǔn)

天窗在開發(fā)的過程中，必需滿足國家強制性標(biāo)準(zhǔn)，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(hù)》；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(rèn)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(jìn)行整體布置時，必須對頭部空間進(jìn)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(jìn)行整體布置時，必須對頭部空間進(jìn)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(jìn)內(nèi)飾及非排水區(qū)域，需要保證從密封條進(jìn)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(jìn)行細(xì)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dá)到縮短開發(fā)周期、降低成本以及持續(xù)改進(jìn)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。