轿车电动天窗运动机构设计与动力学分析

郑海，杨立峰

(杭州职业技术学院青年汽车学院，浙江杭州 310018)



轿车电动天窗运动机构设计与动力学分析

郑海，杨立峰

(杭州职业技术学院青年汽车学院，浙江杭州 310018)

电动天窗已经成为很多轿车的标配，国内在吸收国外设计经验的基础上进行了国产化，期间出现的问题很多。研究天窗的结构设计，提高国产电动天窗的装车成功率，是轿车整车厂、天窗零部件厂关注的突出问题。介绍了轻量型天窗的结构设计过程，主要论述了运动机构设计、装配结构，以及机构的动力学分析过程。该研究对于轿车天窗的改进有重要意义。

轿车；电动天窗；运动机构；动力学分析

0 引言

轿车天窗是改善车内空气品质的一种附加装置。为了避免污浊的空气和外界噪声，汽车在城市或高速公路上行驶时，一般不得不关上侧窗。这种情况会给乘客带来身体的不适，使用天窗能很好地提高乘员舒适性。

随着汽车向智能、舒适、节能、环保等方向发展，天窗也向舒适、美观、轻量方向发展。伟巴斯特是国际知名的汽车天窗设计及生产制造商，为后加装市场提供天窗已有数10年的经验[1]。其产品在合资品牌轿车上使用较多，市场占有率比较高，故该企业一直引领轿车天窗的前沿，目前已经有多款轻量型天窗投放市场。国内天窗企业对于轻量型天窗的设计还处于摸索阶段，研究新型天窗的结构设计有重要意义。

1 轿车电动天窗结构介绍

轿车电动天窗由电机驱动实现开启、关闭，按在车上的运动方式，主要结构可分为内藏式、外开式。其中内藏式天窗是电动天窗的主流，其结构如图1所示。

内藏式天窗位于顶棚内饰与车身顶盖之间。这种天窗开口尺寸大，外型漂亮简洁，多用于B级以上轿车及商务MPV。随着汽车市场的发展，将大量用于主流A级家用轿车。

图1 电动天窗结构图

2 轿车天窗结构设计介绍

轿车电动天窗产品是集机械、电子、控制等于一体的大型车身附件，其结构设计要配合整车厂的车顶结构硬点、力学性能指标、曲面光顺连接等要求。设计过程中要进行各种零部件、整机试验，检验其性能是否符合国家标准。

2.1 天窗结构设计相关技术

新型天窗的结构设计涉及铝合金、塑料等各种材料组成的轻量化结构设计，力学性能方面涉及框架强度与刚度、机构动力学分析、机构的摩擦与润滑等问题的研究，舒适性方面涉及密封性、排水、气动性、振动噪声等问题。

在CAE仿真方面，涉及刚柔体相结合力学、接触、摩擦等非线性问题的研究，对塑料件进行力学分析与工艺分析也非常重要。国内学者在天窗设计方法方面已经做了一些研究。哈尔滨理工大学的金婉如等[1]提出了一种汽车天窗参数化设计方法，实现了汽车天窗零部件建模和装配过程的参数化。

2.2 天窗结构设计开发流程

电动天窗产品的开发需要配合整车研发企业的项目开发进度，设计流程比较复杂，自主开发能力的提升需要加大研发力度，逆向式的“照搬照抄”无法保证产品质量和品质的提升，有的厂家甚至会影响整车项目节点-SOP。作者对实际开发项目进行总结，提出如图2所示的开发流程。

图2 电动天窗结构设计开发流程图

国内厂家的开发设计流程缺少虚拟样机仿真、机构动态分析，由于缺乏基础研究，设计的产品可靠性得不到保证。特别是对支撑框架、运动机构的设计，几乎没有力学计算分析[2]。这样的结果会大大影响整车的力学性能、舒适性能以及消费者的满意度，不利于提升品牌形象。

3 运动机构的结构设计

运动机构是天窗运行的执行系统，也是整个天窗的核心系统。整个机构的设计经过多轮设计、计算、仿真、试验、分析、改进，最终的结构十分巧妙，在装配工艺、材料选择方面有很多创新之处。

塑料导槽与玻璃总成使用螺栓联为一体，塑料导槽可绕前端滑块连接处旋转；为加强强度，塑料导槽前端设置加强筋以及凸台。前端滑块的主要作用是压紧扰流板，用于防止扰流板上面的弹簧片反弹。

连杆的作用主要是支撑导槽运动、带动限位支架，连杆的结构非常复杂，内侧设计很多加强肋，以加强其力学强度。支架嵌块过盈配合，嵌入驱动支架专门设计的缺口中，这一塑料件的设计很有创新；支架嵌块与塑料导槽为多面力学接触，保证运动的平稳性，实现导槽的升降过程。系统设计多处为活动连接，对于运动件是非常必要的，这种设计能使机构运动过程更加平顺，能够降低卡滞、异响等现象出现的可能。

支架嵌块与导槽联接设计的接触方式可以完全实现自锁；当乘客按下停止按键时，导槽的结构保证它能够立即停止，保证了使用的安全性、用户的体验感。接触部件采用具有自润滑效果的塑料，不需要添加润滑油料，大大减小摩擦，节省了天窗的装配时间，降低了天窗的生产成本。

前端滑块、驱动滑块、限位支架等部件都是结构很复杂的塑料注塑件，都装配到铝合金框架表面的导轨上，实现机构运行的直线度，这一装配关系要求装配人员有较高的技术水平，对产品的尺寸误差要控制到位。驱动软轴柔性拉动驱动滑块，驱动滑块整体拖动支架嵌块，支架嵌块与塑料导槽力学接触，其下端顶起塑料导槽。因玻璃总成与导槽连为一体，所以当导槽绕着旋转点升起时，就实现了天窗开启过程；同理，当支架嵌块上端拉下塑料导槽时，就实现了天窗关闭过程。

4 运动机构的动力学分析

天窗的运动包括升起、下降、前进、后退，以实现产品的功能，这些运动过程都需要图3所示的机构来实现，基于车身轻量化的考虑，整个机械运动机构全部采用塑料。对于结构的强度、刚度、动力学、耐久性、疲劳等性能，需要进行多轮计算、试验、结构改进、分析等设计过程[3]。

图3 机械运动机构

对设计的整机进行运动学分析、动力学仿真、整机试验，得知天窗的运动轨迹合理，机构设计满足企业要求，运动过程中的力学强度满足工况，应力分布合理，塑料材料合理、充分地发挥了潜力。文中主要介绍动力学分析相关的内容，整个分析过程包括装配关系分析、结构力学模型建立、机构约束的等效、添加机构载荷、模型受力计算、动力学分析、结果后处理等过程。以下说明主要的分析过程。

4.1 动力学分析模型建立

新型天窗的运动机构在天窗中的装配关系如图4所示，从这一侧视图可以看出运动机构分别通过左右各3个螺栓与天窗玻璃总成装配到一起。为方便计算，经过结构简化、添加载荷，建立的模型如图5所示。

图4 运动机构装配关系图

图5 运动机构动力学分析模型

4.2 动力学分析结果

经过几何清理、网格划分、约束设置，得到的有限元模型总计有13 902个力学单元、10 071个节点。通过设置非线性有限元参数，经过分析软件运算，得到机构工作过程中的受力情况。动力学分析结果表明：运动机构动载荷分布均匀，最大应力为10.8MPa，位置如图6所示，这一结果满足该塑料材料的受力要求。

图6 运动机构动力学分析应力图

5 结论与展望

介绍了轻量型天窗的结构及其设计过程，着重论述了运动机构的设计、装配结构以及动力学分析过程，阐述了其结构的先进性。文中的研究成果对于轿车天窗的改进有重要意义。

【1】金婉如,邵俊鹏,刘庆全,等.基于UG的汽车天窗参数化设计[J].哈尔滨理工大学学报,2004,9(5):4-6.

【2】赵静斌.轿车电动天窗运动执行机构的虚拟样机分析与试验研究[D]．长春:吉林大学，2006.

【3】郑海.面向轻量化的轿车电动天窗结构创新设计的有限元分析[D]．长春:吉林大学，2009.

MechanismDesignandDynamicsAnalysisofCarElectricalSunroof

ZHENGHai,YANGLifeng

(YoungmanAutomotiveInstitute,HangzhouVocational&TechnicalCollege,HangzhouZhejiang310018,China)

Asthedevelopmentoftechnology,sunroofhasbeenthestandardconfiguration.Intheprocessofdomesticelectricalsunrooflocalization,alotofproblemsareneededtobesolved.Studyingthestructuralcharacteristicsoftheelectricsunroof,improvingthedesignlevel,andachievinglightweightskylightareconcernsofcarcompaniesandcarpartscompany.Thestructuraldesignprocessoflightweightelectricsunroofwasexplained.Themechanismdesign,assemblyprocess,andthedynamicsanalysisprocesswerediscussed.Thestudyhasgreatsignificanceontheimprovementofcarelectricalsunroof.

Car;Sunroof;Mechanism;Dynamicsanalysis

2015-12-04

郑海(1985—)，男，讲师，主要从事汽车设计及CAE分析、制造工艺方面的研究。E-mail:design-zh@163.com。

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