全景天窗設計

張博榕

(上海恩坦華汽車部件有限公司，上海 201821)

0 引言

從行業發展趨勢來看，全景天窗由于車頂開口面積大，視野范圍闊，受到廣泛的推崇，有望成為近年來上市車輛的標準配置。

本文作者從部件的角度闡述全景天窗的設計[1]，匯總影響天窗總成產品性能的重要構件的技術參數，期望對于后續設計提供參考。

1 整車匹配

在配置天窗時，車頂開口應該處于車身恰當的位置，不應降低車身可靠性。車身密封條與車頂開口尺寸、裝配方式、泡型、干涉量、壓縮載荷等密切相關，是重要的匹配技術參數。

主機廠會根據車輛造型要求提供A面，以期盡可能降低車輛風阻系數[2]。對應于天窗，就是對于玻璃板的要求，從實際匹配的經驗來看，不同部位與車頂之間面差和間隙要求存在差異。

天窗框架尺寸往往代表了天窗邊界尺寸，布置時不應縮小或限制周邊其他零件的布置空間。圖1是天窗匹配的結構圖。

天窗框架由左、右導軌，前、后排水槽等共同構造。濕區可運行機械組，承接進入車輛內部的雨水，由于構造零件使用不同的工藝和材料，裝配時需要密封處理，防止漏水；干區用于安裝導風網、后玻璃板等零件，與濕區具有近似的構造。

天窗導軌應該能夠適應車頂弧度的變化，同時滿足機械組運行要求，保證與內飾頂棚的匹配連接關系，能夠使得遮陽簾具有良好的運行方案。

圖1 天窗匹配結構圖

天窗前排水槽可布置電機、控制面板等，后排水槽可布置電機或遮陽簾等，需校核并滿足與頂棚間承力或間隙要求，避免異響。

車輛運行時，在導風網處于彈起狀態時，本身的結構對于氣流具有導向和減壓作用，不當的設計會造成氣流共振或渦旋，產生異響。

由于簾布厚度不同，全遮光與半遮光遮陽簾運行方式不同，前者需要更加充裕的動力回收。從設計角度來看，這會對乘客艙上下方向產生影響，甚至會影響遮陽簾卷收方式。

由于降溫等方面的要求，對于匹配天窗的車型，需要校核玻璃板透光率及遮陽簾遮光率等參數；從使用功能來看，需要確認玻璃板行程、起翹高度、遮陽簾行程、導風網彈起姿態等參數。

從控制策略來看，天窗的聯動功能規范了玻璃板與遮陽簾的位置關系，防夾功能基于安全法規的要求，隨著AI技術的興起，觸屏和語音控制功能逐漸成為基本要求。

天窗安裝時，定位系統對于其使用具有很大的影響。整車安裝定位，框架安裝定位，構造零件的制造定位均有不同的要求，設計應避免定位基準轉換，從而造成零件過定位，匹配精度降低等，以及由此產生噪聲、異響等不良。

2 天窗運行

2.1 機械組運行姿態

全景天窗機械組在導軌上運行，可通過電機輸出運行指令，控制玻璃板的運行工況。機械組包含支架，前、后滑槽，前、后舉升臂等5個零件，運行過程分為關閉、起翹、打開三個階段，如圖2所示(左側是前端)。

圖2 機械組運行姿態

運行時，電機通過軟軸驅動前、后滑槽整體向右移動，由于后滑槽的形狀變化較大，而前滑槽相對平緩，后面兩個滑柱1.1、1.2(后舉升臂)會滑動至2.1、2.2(后滑槽)的位置，這是玻璃板后端起翹過程；隨著滑槽進一步向右運行，滑柱2.3、2.4(前舉升臂)運行至3.3、3.4(前滑槽)的位置時，后舉升臂完全舉起，前滑槽也進入了曲線段，前舉升臂開始上升，這是玻璃板前端起翹過程；之后當滑柱3.1、3.2(后舉升臂)，滑柱3.3、3.4(前舉升臂)進入前、后滑槽前端位置并鎖止，機械組支架在上下方向位置不再變化，機械組整體向右平動，這是天窗打開的階段。

2.2 機械組約束和自由度

天窗機械組包含5個構件，8個高副、3個低副。平面運動機構的自由度計算由下式獲得：

F=3n-2PL-Ph

(1)

式中：n為活動構件數；PL為低副約束數；Ph為高副約束數。在滑槽上施加向后的驅動力時，機械組自由度為零，機構可以模擬運動。

按照第2.1節中所述，當機械組舉升臂在滑槽后端時，由于需要克服摩擦力，首先是舉升臂在滑槽中運動，隨著滑槽持續向右運動，舉升臂將與滑槽鎖止，機械組整體沿導軌平行移動。

2.3 玻璃質心曲線

采用ADMAS軟件分析天窗的運行過程，假設玻璃板約0.6 s可以打開，在X方向，玻璃板質心的位移在t=0.4 s之前基本保持不變，代表后端起翹；在t=0.35～0.4 s，向X負方向移動了5 mm，代表起翹過程質心前移；在t=0.4～0.45 s，X方向位移增加，代表前端上升，質心返回；在t=0.45 s后，X方向的位移變為線性關系，代表玻璃板已經進入平動階段。在Z方向，玻璃板質心在t=0.4 s以后，相比之前共上升約30 mm。

圖3 玻璃質心變化

2.4 天窗運行動力學

采用ADMAS軟件分析天窗的運行過程，假設機械組之前在Z向受力是0，由于玻璃板后端上升，滑柱1.1、1.2需要向上的舉升力值是58 N，滑柱1.3、1.4在平動段上下無變動，力值是0，當玻璃板前端向上升起時，前舉升臂導向柱1.5向上力值是28 N，因此Z方向合力為86 N，因為機械組結構對稱，Z方向總力為172 N，亦即機械組運行姿態切換時，力值改變量為172 N。

X方向受力情況。在玻璃后端起翹時，滑柱1.1在X向受力為48～73 N，而滑柱1.2的受力為0～26 N，滑柱1.3和1.4不受力；前舉升臂導向柱1.5受力是72 N，主要功能是阻止機構向X正向滑動；在玻璃平動階段，前舉升臂導向柱15受力是0。

在玻璃后端起翹時，滑柱1.1、1.2Y向受力是20 N，滑柱1.3和1.4的Y向不受力，前舉升臂導向柱1.5不受力。在前端起翹以及平移階段，滑柱1.1、1.2、1.3、1.4和前舉升臂導向柱1.5在Y向均不發生力的變化。

2.5 運行模態

(1)固有模態

將車身固定在地面上，采用彈性連接，設置加速度為10 mm/s2，按照正弦振動分析，反饋點為玻璃的質心點，其中10、15、26 Hz接近汽車激振頻率。10、15 Hz振動時主要質量分布集中在玻璃的Y方向上，分別是83、72 Hz。26 Hz振動時主要能量分布轉移到了玻璃的Z方向上，是39 Hz。

(2)關閉狀態下Z方向的受迫振動

車輛在顛簸路面行駛時，在Z方向，設置加速度為10 mm/s2，按照正弦振動分析，反饋點為玻璃的質心點，Z方向發生共振的頻率在36 Hz處，5 Hz左右發生反共振。

3 主要組件

3.1 電機

電機是天窗的動力源，如受力分析所述，電機在帶有負載情況下，輸出動力應該大于姿態變化的力和玻璃板本身的重力，在車輛受迫振動時，還應承受共振所帶來的振動力。

電機輸出動力時通過齒輪轉動，輸出為軟軸的前后運行，軟軸將運動位移輸出給機械組，機械組通過本身的上下和前后運行，轉化為玻璃板的不同姿態和運行位置。

電機輸出功率和扭矩的關系:

9 550P=Tn

(2)

式中：T是扭矩；n是轉速。

T=Fr

(3)

式中：T是扭矩；F是齒輪輸出力；r為齒輪半徑。

由式(2)可知：天窗電機穩定運行時，電機的扭矩和轉速成反比，迭代式(3)后，如果不計軟軸摩擦力等因素，由于電機的齒輪半徑是確定的，因此在玻璃板上施加的力與轉速成反比，亦即阻力會使得電機轉速變慢。

3.2 天窗熱量(玻璃板和遮陽簾)

玻璃板在類型、厚度、透光率等方面存在差異，對于光和熱的反應不同。表1是部分玻璃板光熱參數。

表1 玻璃板的熱量參數

遮陽簾分為全遮光和半遮光兩種，由于結構不同，一般認為半遮光和全遮光遮陽簾具有不同的遮光、隔熱作用。

圖4是全遮光遮陽簾布的紋理和結構，按照圖示，表皮1的材質是PET，熱熔膠2和4的材質是PUR，膜3的材質是PU，機織布5的材質是PET，這個結構不同于半遮光簾布的單層結構。

當車輛停靠在太陽光下時，隨著進入乘客艙的熱量累積，其溫度會逐步上升，最終累積的熱量是通過玻璃板透射和遮陽簾隔熱過濾后的熱量。

乘客艙溫度較高時，熱量的主要來源是發動機散熱和天窗、側窗投射進來的熱量以及人體散熱等，乘客艙空調應該具備足夠的功率，以便于進行散熱和降低溫度。

圖4 遮陽簾布結構

3.3 導風網

車輛運行時，氣流流經車頂進入乘客艙后，會引起氣流波動，造成周期性的氣壓擾動。當開口處的氣流振動頻率與乘客艙的固有振動頻率相一致時，可引發氣流共振，造成更大的氣壓擾動[3]。在車速不同時，共振的位置和共振的頻率也不同。部分研究者為降低風噪，進行數值分析并提出了改進方法[4]。

全景天窗采用導風網對流經車輛頂部的氣流進行減壓和導流。如圖5所示，某導風網布為矩形網孔，橫線間距為2.2 mm， 縱線為1.2 mm，網孔占網布總面積的比例是35%。

圖5 導風網布結構

按車輛行進速度80 km/h分析導風網的氣流壓力、速度、流線、聲壓強度，結果如圖6所示。

從圖6(a)(b)可知：導風網的上支架前端壓力較大(紅色區域)，后端存在負壓區(藍色區域)，少量氣流流入乘員艙，為此需要將導風網的結構進行閉合，減少氣流壓差。

從圖6(c)(d)可知：由于導風網的存在，氣流被導向向上的空間，氣流速度也隨之加快，但車身內部以及后端氣流速度較小。

從圖6(e)(f)可知：導風網將流經車頂的氣流比較均勻地導向后端，氣流在導風網布表面發生氣流分離，其前后存在壓力差。

圖6 導風網CAE分析結果

4 制造性

從制造性來考慮，除本身特征外，總成產品應該盡量減少零件數量；借鑒其他零件和材料，具有盡量少的工藝表面；做好防錯設計，減少使用特殊工具；具有對稱結構，能夠旋轉：都會使得產品的制造更易進行。

對于不同模腔的零件應具有相同的使用功能；單個產品應具有靈活性、黏性，不易破碎、打滑，不能有尖銳的棱角，不包含嵌套、纏繞等問題；避免體積龐大、笨重、難以抓取；避免制造過程使用特殊工具，嵌入困難，有阻擋，不易對齊、連接，位置看不見等問題。

裝配時減少零件固定數量和類型，采用從上到下分層的裝配方式，消除或減少裝配過程中定位轉換，減少總的裝配過程，零件在裝配過程中能自動對齊，容易接近，易于裝配，沒有裝配應力。

設計過程應避免先前設計中存在的返工、質保、售后退件、制造工藝問題，產品開發前應與供應商就模具加工以及裝配做充分的交流。

對于零件制造過程中涉及沖壓、電泳、注塑、輥壓、裝配等工藝所能夠達成的零件公差應做充分的評估。

5 材料選擇

產品材料必須滿足材料使用功能要求。

非金屬材料應滿足法規要求，主要是阻燃和散發及乘客艙內空氣質量要求。

金屬材料零件應滿足鹽霧腐蝕要求。

總成產品材料不應包含鉛、汞、鎘、六價鉻化合物、多溴聯苯、多溴聯苯醚等禁限用物質，部分生產輔料可能會帶入這些物質。

全景天窗組件涉及的加工工藝種類較多，包含不限于切割、鋼化、包塑、注塑、擠出、沖壓、噴涂、電泳、發黑處理、裁切、粘接等，這使得零件選擇材料的范圍變得極為狹小，但這也提供了良好的創新機會。

6 特性分析

全景天窗主要特性參數包括定位系統，內、外部凸出物，透光，透熱參數，阻燃，散發，頂出力，防夾力，安裝扭矩等。

天窗組件主要特性參數包括機械組滑柱與滑槽、機械組與導軌之間的運行力，導風網彈起力，遮陽簾遮光率，滑動力，玻璃板透光率、透熱率，玻璃板之間的面差和間隙，與車身密封條壓縮載荷，干涉量，面差等。

導軌需要與前后排水槽裝配成框架，與車身鈑金以及頂棚搭接，是機械組運行載體，其擠出加工、表面處理、匹配等具有許多重要的特性，需要識別。

7 結束語

在某全景天窗的匹配設計過程中，綜合運用了上述的設計方法，其產品已上市銷售，取得了令人滿意的結果。