汽车电动天窗典型异响问题研究

潘钇安

(上海汽车集团股份有限公司技术中心， 上海 201804)

0 引言

电动天窗从早期的多应用于高档车型上发展至今，越来越普及于各级别乘用车上，成为汽车的一个标准配置，其不仅具有美观、开阔视野的作用，还拥有换气、除雾和节能等功能。作为较复杂的运动件，电动天窗在汽车行驶和自身运行过程中均有可能引起令人烦恼的异响。一般而言，电动天窗按开启方向可分为内藏式和外开式两种，这两种天窗的异响来源基本相同。据售后统计，电动天窗异响的表现形式大致可分为三类，第一类是天窗自身部件相互作用产生的异响[1]，主要异响源为天窗限位结构异响、车辆行驶在颠簸路面时遮阳板攒动、链条与导轨内壁的摩擦、驱动滑块与导轨滑槽的摩擦、滑块与玻璃安装支架凹槽的摩擦、马达内部蜗轮蜗杆运转不平稳等。第二类是天窗与其他部件作用产生的异响[1]，主要异响源为天窗开闭时密封条与车顶的摩擦、马达启停切换时引起前框架抖动撞击车顶、天窗打开时导风条弹起撞击车顶等。第三类是行车时天窗玻璃处于开启状态时的行驶风噪，主要异响源为由天窗开口处的不稳定气流产生的风振。随着客户对零件质量和乘坐舒适性的要求越来越高，与异响相关的投诉抱怨也越来越多，异响问题必须得到足够的重视。

在上述各种异响当中，以 “限位结构异响”、“密封条与车顶的摩擦异响”、“天窗风振噪声”出现的频率最高。本文对这三种异响进行探讨，以期指导天窗产品设计，最大限度降低出现异响的风险。

1 天窗限位结构异响

无论是外开式还是内藏式天窗，其玻璃的运动可分为沿导轨方向运动和垂直运动两种模式(如图1)，天窗的运动执行机构需具备将玻璃垂直运行和沿导轨运行这两种状态相互转换的功能，该功能靠天窗限位结构的结合与脱离来实现。因此，限位结构是天窗开启关闭不可或缺的关键部位。本节针对某车型天窗暴露的限位结构异响问题进行分析，并给出解决方案。

图1 天窗玻璃运动模式示意图

1.1 某车型天窗限位结构

图2为某款内藏式天窗的运动执行机构，由驱动滑块、从动滑块、限位块、举升臂、举升臂滑块、连杆、导轨限位槽等7个部件组成。

图2 天窗运动执行机构

对于该执行机构，玻璃垂直运动或是沿导轨方向运动取决于驱动滑块与举升臂凹槽是否产生相对运动，而是否产生相对运动则由限位结构的结合与脱离控制。图3为该款天窗限位结构的细节图，其由限位块、双扭簧、转轴和方形限位槽组成。限位块前端为可与驱动滑块配合的U形倒扣，后端为可与限位槽配合的限位滚轮，中间通过转轴固定在从动滑块上，形成跷跷板结构。双扭簧固定在限位块上，给限位滚轮一端施加向下的压力。

图3 天窗限位结构

当限位块前端与驱动滑块结合时，限位块后端与限位槽脱离，驱动滑块通过限位块、从动滑块和连杆驱动举升臂在导轨中滑动(驱动滑块与举升臂凹槽不产生相对运动)，实现天窗玻璃的水平运动；当限位块后端与限位槽结合时，限位块前端与驱动滑块脱离，驱动滑块带动平衡块在举升臂凹槽内滑动(驱动滑块与举升臂凹槽产生相对运动)，实现天窗玻璃的垂直运动。

1.2 限位结构异响分析

该天窗运行过程中，发现其限位结构出现异响，即限位滚轮进入限位槽时发出“咔”的尖锐响声，根源在于冲击力过大。下面结合天窗的运动形式，对此问题进行深入分析。

限位滚轮进入、脱出限位槽的过程如下：当滚轮随从动滑块向前运动至限位槽时，在双扭簧的压力下，滚轮绕限位块转轴转动，滚入限位槽(如图4-a)；当驱动滑块向后运动压下U形倒扣时，限位块滚轮端抬起，脱出限位槽(如图4-b)。可以看出，限位块与限位槽的结合与脱离是通过转动副来实现的，限位块的自由度为1，当限位滚轮落入限位槽后，需要依靠双扭簧的弹力来抑制转动自由度。在运输过程当中，天窗处于关闭位置，当天窗玻璃受到惯性力(加减速、颠簸路面、碰撞等)时，该惯性力将通过举升臂、连杆、从动滑块传递到限位块上，一旦滚轮脱出，则玻璃将产生水平移动，导致功能失效。从安全角度出发，一般要求给玻璃施加水平方向300N的作用力时，限位块不可脱出。双扭簧的弹力既是滚轮落入限位槽的动力，同时也是阻止滚轮脱出限位槽的约束力。弹力较小，则滚轮落入限位槽的冲击力较小，产生异响的风险较小，但限位稳定性较差；弹力较大，则滚轮落入限位槽的冲击力较大，产生异响的风险较大，但限位稳定性较好。实测存在异响问题的天窗，其双扭簧弹力为20N。

图4a 滚轮落入限位槽

图4b 滚轮脱离限位槽

表1反映了双扭簧弹力对限位结构异响和稳定性的影响。从表1中可以看出，随双扭簧弹力增大，异响风险增大，但稳定性加强。当弹力为12N时，既满足脱离力要求，又可避免产生异响。

表1 双扭簧弹力对限位结构异响和稳定性的影响

注：脱离力为滚轮从限位槽脱出时玻璃前缘所受水平向后的作用力。

2 天窗密封条与车顶的摩擦异响

为了保证天窗玻璃和车顶开口翻边之间的防尘、防水、放漏气等功能，并保持一定的美观功效，通常会在天窗玻璃外包覆密封条，通过密封条与车顶开口翻边之间的弹性压缩，形成一定的干涉量，尽可能阻隔车外环境对乘客舱的影响(如图5)。由于天窗在开启和关闭过程中，密封条与车顶开口翻边之间会发生相对运动，这种运动对密封条产生挤压和摩擦，当摩擦不稳定时就可能产生“咯咯”异响，这将直接影响车辆的感知质量[2]。本节探讨天窗开启关闭时密封条与车顶相对运动产生异响的原因和解决方法。

2.1 密封条与车顶摩擦机理的探讨

密封条的摩擦异响，看似简单，其实当中涉及到一个复杂的物理过程：stick-slip运动(黏滑运动)，即物体与接触面之间由于附着和滑动反复作用而发生的振动，是一种不稳定的相对滑动。黏滑运动在车辆中随处可见，比如制动器刹车异响、雨刮器刮风挡玻璃异响、车门铰链开关异响等都与之有关。一般认为，黏滑运动主要是由于滑动摩擦力与相对速度的变化呈非线性关系而引起的，当振子作黏滑运动时会发生沿摩擦面的跳动，从而产生异响[3]。

滑动摩擦力通常为摩擦系数与正压力的乘积，摩擦系数的变化和正压力的变化均可能引起黏滑。在大多数研究中，为了简化分析，通常将接触面间的法向压力视为定值，仅考虑摩擦系数随相对速度的变化[4]。实际上，天窗密封条在与车顶相对滑动的过程中，密封条沿摩擦面法向方向是做小角度旋转运动的，并不是直线运动，也就是说，密封条相对摩擦面的压缩量是不断变化的，摩擦面施加给密封条的正压力也是不断变化的。因此，对于密封条与车顶的摩擦异响，摩擦系数与正压力的变化均对其有所贡献。也就是说，摩擦系数与密封条的相对速度呈非线性关系，正压力与密封条的相对位移也呈非线性关系，二者共同作用导致密封条与车顶发生黏滑发生。

文献[1,2]指出可将密封条与车顶看作是单自由度干摩擦系统，并提出了相应的物理模型。在此力学模型中，将密封条视为摩擦振子m，车顶开口翻边视为摩擦面，K、C分别为密封条的弹性系数和阻尼系数，为车顶对密封条的抵制力。本文对该模型的建立不再赘述，根据此模型，密封条所受正压力不变，而基于上文的分析，应对其做进一步的完善(如图6)，即考虑正压力(x)的变化对摩擦振动的影响。

在天窗开启关闭时，密封条m被速度为v的玻璃框架驱动，沿接触面方向移动。取密封条未发生弹性形变的位置作为坐标轴x的原点，则x为振子离开原点的距离，是振子的运动速度，是振子的加速度，(v-)是振子相对摩擦面的速度。

如前所述，振子与接触面之间的摩擦系数与振子的相对运动速度(v-)是非线性关系的，记作(v-)。振子与接触面之间的正压力与振子的相对位移x是非线性关系的，记作(x)

根据此力学模型，密封条与车顶开口翻边的运动学方程为：

mcx(v-)(x)

此方程直观地表达了摩擦系数(v-)和正压力(x)对密封条振动异响的影响。

2.2 密封条摩擦异响的控制

根据2.1所列运动学方程可知，减小密封条摩擦异响的根本途径在于将摩擦系数和正压力的变化控制在合理范围内。

密封条表面涂层是影响摩擦系数的重要因素。实验表明[2]，光滑表面比粗糙表面更容易产生摩擦噪声。不同的涂层材料在相同的正压力下其摩擦系数随运动速度变化的趋势不同，应尽可能选择变化曲线较平缓的涂层型号。另外，涂层厚度和耐磨性也是决定密封条在长期使用过程中是否产生摩擦异响的关键参数。涂层太薄，可能使密封条表面存在不均匀的空洞，直接导致密封条在滑动过程中与车顶开口翻边的摩擦系数发生显著变化；涂层太厚，则可能降低涂层与密封条基材的附着力。一般而言，涂层厚度控制在9～12 μm较适宜。

密封条与车顶的压缩量决定密封条受到的正压力。因此，根据密封条的材料、结构不同，必须合理设计天窗玻璃与车顶开口翻边的干涉量,一般控制在1.2～2.0 mm范围内较适宜(如图7)。另外，研究表明[4]，黏滑运动的幅值随着可变正压力加速度的增加而增加，随着变化频率的增加而减小,因此保持密封条断面厚度的一致性，增大密封条顶部圆弧的弧度，也可在一定程度上减小密封条摩擦异响。

图7 密封条与车顶的干涉量

3 天窗风振噪声

某款越野车在天窗完全打开的状态下以40 km/h的速度行驶时，前排乘客耳朵感受到明显的压力，令人头晕不适，这便是天窗引起的风振噪声。风振噪声是一种频率低(20 Hz左右)但强度高(大于100 dB)的风噪声，虽然不易被人耳听到，但它产生的脉动压力却使乘客感到烦躁和疲倦。因此，为了确保乘坐舒适性，有必要在汽车设计阶段开展风振噪声的研究。本节探讨天窗风振噪声产生的原因和解决方法。

3.1 天窗风振噪声机理的探讨

在车顶开口前部边缘，车外高速通过的气流和车内相对静止的气体之间存在一个剪切层。当车内外气流的速度差超过一个临界值后，剪切层就会处于不稳定的状态，最终形成旋涡，并随着气流一起向后流动。当它们撞击到开口后缘时，涡旋破碎, 产生一个向四面传播的压力波。传到车外的一部分压力波到达开口的前缘，将再次引发涡旋的脱落，形成反馈回路。当漩涡的发散频率恰巧与车内空气的固有频率一致时，将会发生赫姆霍兹共振，该过程即天窗的风振现象。

由此可见，天窗风振噪声实际上是汽车内外空气的共振现象，对共振频率的预估有助于抑制风振的发生。车外空气漩涡的发散频率受车辆行驶速度及车辆外部造型等因素影响，相对难以确定，而车厢内部空气的固有频率则比较容易求得。根据Rayleigh经验公式，赫姆霍兹共振腔的固有频率f=c/(2л)[A/(VL)]-1/2。f是固有频率，c是音速，V是赫姆霍兹共振腔的体积，L和A分别是颈部的长度和截面面积, 如图8所示。

图8 赫姆霍兹共振腔

汽车打开天窗行驶时，可等效于赫姆霍兹共振腔(如图9)。车内容积可以看作是赫姆霍兹共振腔的体积V，车顶开口到顶棚之间的厚度近似于共振腔颈部的长度L，天窗的开口面积即为腔体的截面面积A。

图9 天窗与顶棚断面

3.2 天窗风振噪声的控制

基于天窗风振噪声的机理，控制风振噪声主要可从两方面着手，一是改变外部涡流的扩散频率，二是改变车内空腔的固有频率。

在天窗前沿安装导流装置，可明显影响外部涡流的扩散频率，导流装置的高度、起翘角度、迎风面结构对风振噪声均有影响。研究表明[5]，导流装置高度增加，风振噪声先缓慢增加, 然后迅速下降。但受造型和风阻制约，导流装置高度的可设计范围很小，一般为15 mm左右；导流装置起翘角度很小或者很大，都不能很好地抑制风振，一般在40°左右效果较好(如图10)；在导流装置迎风面开槽(如图11)或使用网状织物(如图12)均有利于减小风振。

图10 天窗导流板示意图

车顶开口到顶棚之间的厚度变化不大，一般在45-55 mm左右，且在车型设计前期，其与车内容积均已确定，因此，改变车内空腔固有频率简单有效的方法是改变玻璃的开启距离。在开发阶段，整车厂可在实车上测试天窗不同开启位置的风振噪声，找到适宜的开启位置-“舒适位置”，然后在天窗控制器中设定该位置，并在天窗开关上加以标识，引导乘客规避风振噪声。

图11 导流板迎风面开槽

图12 网状织物导流板

此外，通过优化开口前缘、后缘形状和顶棚局部倾斜角度也可抑制天窗风振噪声[6]。

4 结语

为降低天窗限位结构异响、密封条与车顶的摩擦异响、风振噪声这三种典型异响问题出现的概率，在进行天窗产品设计时，应充分论证限位结构结合与脱离是否平缓、顺畅；优化密封条断面形状，合理选择密封条尤其是其表面涂层的材料，合理设计与开口翻边的干涉量；合理设计导流装置的高度、安装角度和迎风面结构，并通过开关标识主动引导乘客将天窗打开至合适的开启距离。如果条件允许，可运用CAE软件对三维模型进行运动学和动力学分析，有针对性地优化设计，进一步规避潜在风险。