全景天窗设计

张博榕

(上海恩坦华汽车部件有限公司，上海 201821)

0 引言

从行业发展趋势来看，全景天窗由于车顶开口面积大，视野范围阔，受到广泛的推崇，有望成为近年来上市车辆的标准配置。

本文作者从部件的角度阐述全景天窗的设计[1]，汇总影响天窗总成产品性能的重要构件的技术参数，期望对于后续设计提供参考。

1 整车匹配

在配置天窗时，车顶开口应该处于车身恰当的位置，不应降低车身可靠性。车身密封条与车顶开口尺寸、装配方式、泡型、干涉量、压缩载荷等密切相关，是重要的匹配技术参数。

主机厂会根据车辆造型要求提供A面，以期尽可能降低车辆风阻系数[2]。对应于天窗，就是对于玻璃板的要求，从实际匹配的经验来看，不同部位与车顶之间面差和间隙要求存在差异。

天窗框架尺寸往往代表了天窗边界尺寸，布置时不应缩小或限制周边其他零件的布置空间。图1是天窗匹配的结构图。

天窗框架由左、右导轨，前、后排水槽等共同构造。湿区可运行机械组，承接进入车辆内部的雨水，由于构造零件使用不同的工艺和材料，装配时需要密封处理，防止漏水；干区用于安装导风网、后玻璃板等零件，与湿区具有近似的构造。

天窗导轨应该能够适应车顶弧度的变化，同时满足机械组运行要求，保证与内饰顶棚的匹配连接关系，能够使得遮阳帘具有良好的运行方案。

图1 天窗匹配结构图

天窗前排水槽可布置电机、控制面板等，后排水槽可布置电机或遮阳帘等，需校核并满足与顶棚间承力或间隙要求，避免异响。

车辆运行时，在导风网处于弹起状态时，本身的结构对于气流具有导向和减压作用，不当的设计会造成气流共振或涡旋，产生异响。

由于帘布厚度不同，全遮光与半遮光遮阳帘运行方式不同，前者需要更加充裕的动力回收。从设计角度来看，这会对乘客舱上下方向产生影响，甚至会影响遮阳帘卷收方式。

由于降温等方面的要求，对于匹配天窗的车型，需要校核玻璃板透光率及遮阳帘遮光率等参数；从使用功能来看，需要确认玻璃板行程、起翘高度、遮阳帘行程、导风网弹起姿态等参数。

从控制策略来看，天窗的联动功能规范了玻璃板与遮阳帘的位置关系，防夹功能基于安全法规的要求，随着AI技术的兴起，触屏和语音控制功能逐渐成为基本要求。

天窗安装时，定位系统对于其使用具有很大的影响。整车安装定位，框架安装定位，构造零件的制造定位均有不同的要求，设计应避免定位基准转换，从而造成零件过定位，匹配精度降低等，以及由此产生噪声、异响等不良。

2 天窗运行

2.1 机械组运行姿态

全景天窗机械组在导轨上运行，可通过电机输出运行指令，控制玻璃板的运行工况。机械组包含支架，前、后滑槽，前、后举升臂等5个零件，运行过程分为关闭、起翘、打开三个阶段，如图2所示(左侧是前端)。

图2 机械组运行姿态

运行时，电机通过软轴驱动前、后滑槽整体向右移动，由于后滑槽的形状变化较大，而前滑槽相对平缓，后面两个滑柱1.1、1.2(后举升臂)会滑动至2.1、2.2(后滑槽)的位置，这是玻璃板后端起翘过程；随着滑槽进一步向右运行，滑柱2.3、2.4(前举升臂)运行至3.3、3.4(前滑槽)的位置时，后举升臂完全举起，前滑槽也进入了曲线段，前举升臂开始上升，这是玻璃板前端起翘过程；之后当滑柱3.1、3.2(后举升臂)，滑柱3.3、3.4(前举升臂)进入前、后滑槽前端位置并锁止，机械组支架在上下方向位置不再变化，机械组整体向右平动，这是天窗打开的阶段。

2.2 机械组约束和自由度

天窗机械组包含5个构件，8个高副、3个低副。平面运动机构的自由度计算由下式获得：

F=3n-2PL-Ph

(1)

式中：n为活动构件数；PL为低副约束数；Ph为高副约束数。在滑槽上施加向后的驱动力时，机械组自由度为零，机构可以模拟运动。

按照第2.1节中所述，当机械组举升臂在滑槽后端时，由于需要克服摩擦力，首先是举升臂在滑槽中运动，随着滑槽持续向右运动，举升臂将与滑槽锁止，机械组整体沿导轨平行移动。

2.3 玻璃质心曲线

采用ADMAS软件分析天窗的运行过程，假设玻璃板约0.6 s可以打开，在X方向，玻璃板质心的位移在t=0.4 s之前基本保持不变，代表后端起翘；在t=0.35～0.4 s，向X负方向移动了5 mm，代表起翘过程质心前移；在t=0.4～0.45 s，X方向位移增加，代表前端上升，质心返回；在t=0.45 s后，X方向的位移变为线性关系，代表玻璃板已经进入平动阶段。在Z方向，玻璃板质心在t=0.4 s以后，相比之前共上升约30 mm。

图3 玻璃质心变化

2.4 天窗运行动力学

采用ADMAS软件分析天窗的运行过程，假设机械组之前在Z向受力是0，由于玻璃板后端上升，滑柱1.1、1.2需要向上的举升力值是58 N，滑柱1.3、1.4在平动段上下无变动，力值是0，当玻璃板前端向上升起时，前举升臂导向柱1.5向上力值是28 N，因此Z方向合力为86 N，因为机械组结构对称，Z方向总力为172 N，亦即机械组运行姿态切换时，力值改变量为172 N。

X方向受力情况。在玻璃后端起翘时，滑柱1.1在X向受力为48～73 N，而滑柱1.2的受力为0～26 N，滑柱1.3和1.4不受力；前举升臂导向柱1.5受力是72 N，主要功能是阻止机构向X正向滑动；在玻璃平动阶段，前举升臂导向柱15受力是0。

在玻璃后端起翘时，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，前举升臂导向柱1.5不受力。在前端起翘以及平移阶段，滑柱1.1、1.2、1.3、1.4和前举升臂导向柱1.5在Y向均不发生力的变化。

2.5 运行模态

(1)固有模态

将车身固定在地面上，采用弹性连接，设置加速度为10 mm/s2，按照正弦振动分析，反馈点为玻璃的质心点，其中10、15、26 Hz接近汽车激振频率。10、15 Hz振动时主要质量分布集中在玻璃的Y方向上，分别是83、72 Hz。26 Hz振动时主要能量分布转移到了玻璃的Z方向上，是39 Hz。

(2)关闭状态下Z方向的受迫振动

车辆在颠簸路面行驶时，在Z方向，设置加速度为10 mm/s2，按照正弦振动分析，反馈点为玻璃的质心点，Z方向发生共振的频率在36 Hz处，5 Hz左右发生反共振。

3 主要组件

3.1 电机

电机是天窗的动力源，如受力分析所述，电机在带有负载情况下，输出动力应该大于姿态变化的力和玻璃板本身的重力，在车辆受迫振动时，还应承受共振所带来的振动力。

电机输出动力时通过齿轮转动，输出为软轴的前后运行，软轴将运动位移输出给机械组，机械组通过本身的上下和前后运行，转化为玻璃板的不同姿态和运行位置。

电机输出功率和扭矩的关系:

9 550P=Tn

(2)

式中：T是扭矩；n是转速。

T=Fr

(3)

式中：T是扭矩；F是齿轮输出力；r为齿轮半径。

由式(2)可知：天窗电机稳定运行时，电机的扭矩和转速成反比，迭代式(3)后，如果不计软轴摩擦力等因素，由于电机的齿轮半径是确定的，因此在玻璃板上施加的力与转速成反比，亦即阻力会使得电机转速变慢。

3.2 天窗热量(玻璃板和遮阳帘)

玻璃板在类型、厚度、透光率等方面存在差异，对于光和热的反应不同。表1是部分玻璃板光热参数。

表1 玻璃板的热量参数

遮阳帘分为全遮光和半遮光两种，由于结构不同，一般认为半遮光和全遮光遮阳帘具有不同的遮光、隔热作用。

图4是全遮光遮阳帘布的纹理和结构，按照图示，表皮1的材质是PET，热熔胶2和4的材质是PUR，膜3的材质是PU，机织布5的材质是PET，这个结构不同于半遮光帘布的单层结构。

当车辆停靠在太阳光下时，随着进入乘客舱的热量累积，其温度会逐步上升，最终累积的热量是通过玻璃板透射和遮阳帘隔热过滤后的热量。

乘客舱温度较高时，热量的主要来源是发动机散热和天窗、侧窗投射进来的热量以及人体散热等，乘客舱空调应该具备足够的功率，以便于进行散热和降低温度。

图4 遮阳帘布结构

3.3 导风网

车辆运行时，气流流经车顶进入乘客舱后，会引起气流波动，造成周期性的气压扰动。当开口处的气流振动频率与乘客舱的固有振动频率相一致时，可引发气流共振，造成更大的气压扰动[3]。在车速不同时，共振的位置和共振的频率也不同。部分研究者为降低风噪，进行数值分析并提出了改进方法[4]。

全景天窗采用导风网对流经车辆顶部的气流进行减压和导流。如图5所示，某导风网布为矩形网孔，横线间距为2.2 mm， 纵线为1.2 mm，网孔占网布总面积的比例是35%。

图5 导风网布结构

按车辆行进速度80 km/h分析导风网的气流压力、速度、流线、声压强度，结果如图6所示。

从图6(a)(b)可知：导风网的上支架前端压力较大(红色区域)，后端存在负压区(蓝色区域)，少量气流流入乘员舱，为此需要将导风网的结构进行闭合，减少气流压差。

从图6(c)(d)可知：由于导风网的存在，气流被导向向上的空间，气流速度也随之加快，但车身内部以及后端气流速度较小。

从图6(e)(f)可知：导风网将流经车顶的气流比较均匀地导向后端，气流在导风网布表面发生气流分离，其前后存在压力差。

图6 导风网CAE分析结果

4 制造性

从制造性来考虑，除本身特征外，总成产品应该尽量减少零件数量；借鉴其他零件和材料，具有尽量少的工艺表面；做好防错设计，减少使用特殊工具；具有对称结构，能够旋转：都会使得产品的制造更易进行。

对于不同模腔的零件应具有相同的使用功能；单个产品应具有灵活性、黏性，不易破碎、打滑，不能有尖锐的棱角，不包含嵌套、缠绕等问题；避免体积庞大、笨重、难以抓取；避免制造过程使用特殊工具，嵌入困难，有阻挡，不易对齐、连接，位置看不见等问题。

装配时减少零件固定数量和类型，采用从上到下分层的装配方式，消除或减少装配过程中定位转换，减少总的装配过程，零件在装配过程中能自动对齐，容易接近，易于装配，没有装配应力。

设计过程应避免先前设计中存在的返工、质保、售后退件、制造工艺问题，产品开发前应与供应商就模具加工以及装配做充分的交流。

对于零件制造过程中涉及冲压、电泳、注塑、辊压、装配等工艺所能够达成的零件公差应做充分的评估。

5 材料选择

产品材料必须满足材料使用功能要求。

非金属材料应满足法规要求，主要是阻燃和散发及乘客舱内空气质量要求。

金属材料零件应满足盐雾腐蚀要求。

总成产品材料不应包含铅、汞、镉、六价铬化合物、多溴联苯、多溴联苯醚等禁限用物质，部分生产辅料可能会带入这些物质。

全景天窗组件涉及的加工工艺种类较多，包含不限于切割、钢化、包塑、注塑、挤出、冲压、喷涂、电泳、发黑处理、裁切、粘接等，这使得零件选择材料的范围变得极为狭小，但这也提供了良好的创新机会。

6 特性分析

全景天窗主要特性参数包括定位系统，内、外部凸出物，透光，透热参数，阻燃，散发，顶出力，防夹力，安装扭矩等。

天窗组件主要特性参数包括机械组滑柱与滑槽、机械组与导轨之间的运行力，导风网弹起力，遮阳帘遮光率，滑动力，玻璃板透光率、透热率，玻璃板之间的面差和间隙，与车身密封条压缩载荷，干涉量，面差等。

导轨需要与前后排水槽装配成框架，与车身钣金以及顶棚搭接，是机械组运行载体，其挤出加工、表面处理、匹配等具有许多重要的特性，需要识别。

7 结束语

在某全景天窗的匹配设计过程中，综合运用了上述的设计方法，其产品已上市销售，取得了令人满意的结果。