汽車星空頂電動天窗結構設計

關鍵詞：汽車星空頂電動天窗；結構設計；實現功能；控制策略

0引言

隨著國內外汽車零部件產業的迅猛發展，汽車天窗市場的競爭也逐漸多元化，消費者對汽車天窗的功能配置的價值感在提升，對生活品質的要求越來越高。尤其年輕人對時尚的追求及個性化功能的需求井噴發展，因此像星空電動天窗等新型產品應用開始逐步發展。但傳統的星空頂系統中需要將每根光纖插入頂棚并固定，并且光纖只能固定在沒有天窗的部分，而有天窗的部分無法布置。這對于全景天窗的車型來說，會出現車頂大部分面積都因無法布置光纖而不能呈現星空圖案的問題[1]。本文從天窗玻璃結構方面進行開發，解決了天窗無法呈現星空效果的困難，同時以星空頂電動天窗系統開發為切入點，詳細闡述其結構及功能邏輯等方面的開發設計。

1汽車星空天窗的主要組成及實現功能

1.1星空頂天窗的主要組成

星空頂天窗是通過對汽車天窗設計增加照明發光元件組成氛圍燈光系統，暗光環境下可以在車內形成非常獨特的高級光暈，從而提升車內的檔次[2]。其主要由星空玻璃總成、前后玻璃燈帶總成、框架總成、接觸開關總成和遮陽簾導風簾等零部件組成，結構如圖1所示。

星空頂天窗的前后玻璃需在傳統玻璃上覆合星空圖案，在前后玻璃側邊位置增加玻璃燈條，通過兩側LED燈光映射實現漫天星空效果。星空圖案可根據客戶要求進行定制，其主要技術集中在前后玻璃圖案的集成設計-玻璃覆合。

此方案與傳統星空頂天窗方案對比：傳統方案需要在汽車頂棚上依次預穿800～1600個孔，每一個孔內都需要裝入獨立光纖，發光光纖需要通過獨立多顆光柱進行效果呈現，在制造及成本極其昂貴，工藝復雜，不利于返修，在配置有天窗的車型上，呈現區域只能在汽車頂棚上面，天窗玻璃區域無法進行呈現。

本設計方案在可開啟汽車天窗的車型基礎上，對天窗玻璃進行覆合處理。通過油墨印刷工藝，將設計好的圖案提前印刷在玻璃上面，通過燈光呈現圖案。相比植入光纖方案，本方案結構和制造工藝簡單，在不改變天窗匹配的情況下，可以通過天窗玻璃的互換方式進行配置加裝，維修便捷[3]。

1.2星空天窗主要實現功能

星空頂具有關閉或隨整車背光控制功能、單色定義、單色呼吸、變色呼吸、隨音樂變化以及亮度調節等功能，如表1所示。

2天窗布置星空頂的結構設計

2.1星空頂結構LED布置方案

在傳統的全景天窗上基礎上，不改變整車裝配，將前活動玻璃及后固定玻璃設計成復合帶有圖案的白玻。然后在白玻玻璃上印刷圖案，通過白玻兩側的LED燈帶向內側照射光源。兩端的LED模塊提供各種顏色的光源，然后將燈光導入夾層玻璃的內層中。在夾層玻璃的底部，印刷處可以散射光線的圖案層。光線在玻璃內部經過多次折射散射，最終在玻璃的內表面呈現整面發光的效果，白玻反射光源顯現圖案。

LED燈帶需布置在白玻的兩側，燈源選擇為多色RGB燈珠。其布置結構如圖2所示，以側邊的RGB燈源為基礎，照射在圖案玻璃上面，呈現星空效果。LED是利用發光二極管把電能直接轉換為光能[4]。因LED發射的能量光束在導光玻璃傳遞具有衰減性，折射次數越多，損耗越大。所以在設計印刷網點的時候一般采取梯度排布，中間網點不能過于稀疏。通過光譜分析，對車內環境光照的一般要求如下。

（1）功能照明：10～80cd/m2。

（2）背景照明：4～15cd/m2。

（3）功能照明亮度：≥2倍的背景照明。

（4）星空頂光照建議值：4～15cd/m2。

2.2星空頂星空玻璃復合設計

2.2.1印刷星空效果圖案

星空效果圖案主要為復合在原玻璃上的白玻自帶印刷圖案，通過反光油墨進行印刷。其印刷方案如下。

（1）圖案需印刷在白玻上。白玻是一種超透明低鐵玻璃，是一種高品質、多功能的新型高檔玻璃品種，透光率可達91.5%以上。

（2）印刷圖案根據客戶要求進行定制開發，開發印刷網板，網板上面呈現圖案。LED直接將能量光束傳遞至導光玻璃，通過絲印網點進行折射和反射后，實現整個天窗均勻發光，光能利用率高，整體亮度高。

（3）將印刷網板與白玻進行貼合，將反光油墨均勻上漿，再通過干燥、曬版等流程生產成成品（圖3）。

2.2.2復合成星空玻璃總成

將印刷后的白玻通過復合工藝與天窗灰玻進行復合，生產成星空玻璃總成，其復合方案如下。

（1）將帶圖案的白玻及天窗原始玻璃通過復合設備進行結合，兩玻璃在結合中間層放置SGP復合膠片（SGP是美國杜邦公司研發的夾層玻璃離子聚合物中間膜）。

（2）SGP膠片厚度為0.75mm。在玻璃膠合前，將玻璃切割成所需尺寸及形狀，SGP膠片的尺寸亦需切割成所需尺寸及形狀，避免膠合完成后再進行切割。復合的白玻尺寸比原始天窗玻璃尺寸小，Y向尺寸相差60.00mm，主要是白玻的側邊需安裝LED燈帶。

（3）復合抽真空。將SGP膠片疊加在一起，夾在玻璃中間，采用真空袋工藝進行抽真空。合成后的夾層玻璃也可以當作玻璃基片，再深加工成其他各種配置的玻璃，以滿足各項性能要求。

2.3星空頂玻璃與整車線束導通觸點設計

因天窗前玻璃為活動玻璃，在天窗打開后，前玻璃星空頂此時處于斷電狀態，不呈現放光效果。在前玻璃運行關閉后，此時需要將前燈條進行導通，即需要導通LED燈帶和主線束的連接。設計方案為接觸式觸點導通結構，即前玻璃LED線束需要與主線束為活動式接觸點進行導通（圖4）。接觸式導通結構設計方案如下。

（1）天窗滑軌上設計觸點固定點。將觸點開關布置在LED滑軌U型槽位置，當前玻璃關閉后，前玻璃線束觸點與滑軌上觸點接觸，起導通作用。

（2）觸點座集成彈性觸點。彈性觸點設計有彈簧，在觸點導通時，觸點被擠壓收縮，滑軌觸點座需要天窗總線束進行連接。

（3）觸點實現功能：在前玻璃關閉位置，觸點和前玻璃LED燈線束銅片接觸，前玻璃LED點亮，反之斷開。

（4）觸點開關為彈片接觸，材料為黃銅，可保證產品壽命和接觸力。理論上彈片的預壓量設計為3.00mm，預壓力設計為2.0～3.5N。彈片接觸方向為Z向接觸，X、Y軸方向接觸面有4.50mm的空間可調整，可保證天窗前玻璃有2.00mm的調整余量。

（5）彈片的性能耐久。通過CAE機構分析及實際試驗驗證，彈片可滿足10萬次的循環耐久試驗。試驗后彈片的性能衰減在5%之內，滿足正常的衰減要求。

（6）天窗布置的星空頂線束與整車線束通過插接器連接，傳遞信息通過LIN線與BCM相互通訊。

3星空頂與車身控制單元（BCM）控制策略設置方案

星空頂燈帶通過LIN線與BCM進行通信，掛載在BCM的網絡下，遵循LIN功能規范。在星空頂天窗左右的后側各設置1個模塊——星空頂控制模塊，使用布置設計的線束進行導光連接[5]。星空頂模塊與BCM通過LIN控制可以實現顏色同步調節。

RGBLIN模塊主要由“RGBLED+LIN通信模塊+單片機控制”組成，該模塊與傳統的LED燈控制不同（圖5）。

3.1RGB顏色控制

RGBLIN模塊可以直接作為BCM或者ALM的通信節點，相關指令對應紅（R）、綠（G）、藍（B）3個顏色通道的變化。

RGBLIN模塊還具有溫度補償功能，保證RGB混光顏色保持在定義的色坐標范圍內。RGB配色顏色計算方式如下。

（1）根據三基色配色原理，只有三角形區域內的顏色才能通過RGB三基色配色實現。

（2）合成光的顏色取決于紅光、綠光和藍光的亮度比例。

（3）合成光的總亮度等于紅光、綠光、藍光各自亮度值的總和。

基于目前的半導體技術，LED燈珠都以bin來區分顏色坐標，某一個bin則表示色坐標在某個范圍，而所有顏色都是由紅、綠、藍三種基色混光出來。以某款LED燈珠為例，紅光有3、4和5這3個bin，綠光有2、3、4、5、6、7、8和9共8個bin，藍光有H、J、K、L、M、N、O、P、Q和R共11bin，所以理論上不考慮亮度的情況下，這款LED燈珠有3×8×11=264種顏色組合。

3.2在電子防盜報警系統（IHU）設置功能

在IHU中可設置“星空頂功能”，包括開啟和關閉。其設置邏輯關系如下。

（1）整車初次上電后，“星空頂功能”默認設置為“開啟”；BCM發送周期型信號。

（2）當“星空頂功能”為“開啟”時，若在IHU中設置為“關閉”，IHU發送事件型信號給BCM，BCM更新設置后立即反饋周期型信號給IHU。

（3）IHU進行設置后不會立即更新狀態，只有收到BCM反饋的狀態信號，IHU才會更新顯示狀態。

（4）整車重新上電后，記憶上一個點火循環設置狀態。整車電源切換至OFF，IHU不記憶設置狀態，BCM記憶當前“星空頂功能”（開啟/關閉）設置狀態。重新上電后，BCM將記憶的設置狀態發送給IHU用于顯示。

3.3星空燈LIN節點判斷邏輯

若星空燈收到LIN信號，則根據LIN音樂音頻信號，由控制器控制動態改變星空燈的亮度和顏色。星空燈的RGB燈按照開啟“動態設置-音樂律動”的設置狀態點亮。例如，開啟“音樂律動”前，星空燈RGB燈設置為紅色；開啟“音樂律動”后；顏色和亮度隨音樂發生變化；當沒有音樂輸出時，星空燈的RGB燈則按照之前設置的狀態執行。

音頻信號根據整車要求的音頻信號屬性執行，星空燈的RGB燈根據標定狀態將64色進行賦值匹配，實現音樂律動時的顏色變化。

4結束語

汽車星空頂配置天窗，主要是在可開啟天窗的基礎上增加LED燈及星空效果，起到裝飾和烘托車內氛圍作用。按實現功能的效果分為氛圍燈效果及呈現圖案效果，二者相互結合，可以達到車輛配置以及體現感的提升[6]。

目前，國內汽車天窗的需求越來越大，本文簡述設計的星空頂天窗在整車上已經得到充分的實測及應用。測試結果表明，星空頂電動天窗完全能夠按照設計要求進行各項功能工作，實際測試都達到了設計標準。本文提出的相關星空頂開發的主要結構設計及控制策略，希望更夠給更多的汽車設計者借鑒。