某款车型挡风网支撑结构的优化设计与研究

摘要：全景天窗的挡风网，不仅可以让车在行驶过程中降低风燥，还能遮挡异物进入车内，也保持车内良好的通风，增加车内乘客的舒适性，提升整车的豪华感。文中从可开启的全景天窗挡风网扭簧支撑固定结构出发，结合塑料框架的制造工艺、扭簧线圈的空间大小，而增加扭簧的限位结构;这样既提供了其工程可行性，又去除了天窗漏水的风险;还避免扭簧从框架中蹦出误伤他人，为后续天窗结构设计的合理性、可靠性和安全性提供了有利的参考价值。

关键词：全景天窗挡风网;挡风网扭簧;扭簧支撑固定结构;可靠性

0 引 言

近年來，在汽车相对封闭的狭小空间，消费者越来越重视车内舒适性;而追求的舒适性，自然少不了天窗的配置;毕竟天窗不仅可以保持车内空气新鲜，而且还可以让车内乘客欣赏更多的车外风景。于是可开启式的全景天窗成为了各大主机厂的最佳选择。

可开启式的全景天窗，在车辆行驶过程中打开天窗玻璃，将会有刺耳的风啸声，同时也会有异物容易落入车内，大大降低了乘客的舒适性;由此就需要增加对应的挡风网结构来避免;而为了保证挡风网结构的稳定性，其支撑结构起着关键性的作用。本文主要展现了平台开发过程中挡风网支撑结构的优化，结合自身和周边零件装配、功能的要求，使其更为可靠;这种结构不仅得到客户的认可并成功上市，同时还在多国申请了专利;最终让消费者在享受舒适性的同时，还获得更高的可靠性和安全性。

1 挡风网支撑结构的要求

挡风网支撑结构的布置空间，主要受周边零件的影响;根据天窗机械组带着前玻璃运动的轨迹而带动挡风网的起翘和关闭状态，继而确定了挡风网的布置空间;再结合挡风网与导轨及前框架的固定结构，最终确定了挡风网支撑结构的形式和位置。

1.1 设计结构的原理

根据客户对于此车型的定位，此款车型为客户主打的高端SUV，其同时供货于汽油车和新能源车。而当下由于汽车行业竞争激烈，为了获得更有利的竞争力，降低成本成为了各大主机厂和零部件公司的首要目标。结合客户的要求及公司的目标，平台开发时确定采用成熟的支撑结构，即将扭簧短臂固定在前框上，长臂固定在挡风杆上。其运行原理如下：当天窗玻璃处于关闭状态时，机械组上的滑脚压住挡风杆，底部靠扭簧顶住，防止车辆在运行过程中产生异响;当机械组带动天窗玻璃向后打开时，机械组滑脚在挡风杆上滑行逐渐后退，而挡风网总成在扭簧的作用下逐渐升起，继而起翘到最大的高度;当机械组带动天窗玻璃向前关闭时，滑脚逐渐接触到挡风杆，并在挡风杆上滑行并下压，完成挡风网总成的关闭。

1.2 设计结构的需求

挡风网作为天窗总成中的一个分总成零件，售后市场有更换便利性的要求。为了满足客户售后市场的需求，其扭簧①与挡风杆②的配合是通过将扭簧长臂藏于挡风杆的凹槽中，凹槽两侧采用筋限位的方式，减少与扭簧的接触点以便避免扭簧工作过程中的异响缺陷;同时扭簧设计时，长臂的安装角度大于工作角度，让扭簧一直处于压缩状态中，避免扭簧从挡风杆中脱出;而扭簧短臂直接插入前框③的孔中即可。安装时，先将天窗玻璃打开，将挡风杆其它结构固定在前框和导轨上，然后将扭簧短臂固定在前框，再将扭簧长臂固定在挡风杆中;更换拆卸时，按照其反操作即可，详细的装配方式如下图1所示。

1.3 设计结构的合理性

天窗布置的要求，在乘客享受到温暖阳光的同时，也需要避免雨水渗入车内;此要求对于挡风网的布置，也是同等重要。以往量产项目扭簧的支撑结构设计，是在前框上增加一个通孔，扭簧的短臂设计成后翻结构，然后通过前框的通孔旋转安装插入到其背面的凹槽中，而扭簧的长臂固定在挡风杆上;扭簧的旋转受力过程中，将力由长臂传递到断臂，继而让前框背面受力，以保持扭簧工作过程中的稳定性。虽然这种成熟结构经过多个项目上百万台天窗的量产验证，确保了结构的稳定;但因前框中增加通孔，且又靠近天窗的湿区，客户担心极端情况下可能会导致漏水缺陷。基于客户的顾虑，我们结合扭簧自身有自由角度折弯的特点，并参考其他项目的优化思路，将扭簧的短臂后翻结构更改成下翻，前框上的通孔更改为盲孔，由上而下将扭簧短臂直接装配到前框中，并在下翻的短臂两侧增加了限位，防止扭簧绕短臂而产生自身的旋转。此结构的优化，完全解决了客户担心的漏水风险。详细如下图：

1.4 设计结构的安全性

虽然按照客户的需求，使挡风网的支撑结构更为合理，避免了天窗漏水的风险;但在后续的试装过程中，此结构却易引发出风险更大的安全性问题。在后期开发试生产过程中，工人按照设计的装配要求，先将扭簧短臂插入前框中，然后再将扭簧长臂下压受力固定挡风杆上;但因周边零件的布置，装配空间有限，长臂下压受力过程中很容易从手中脱开，而扭簧短臂也跟随从盲孔中脱离，导致扭簧从前框中高比例的蹦出。这种存在安全隐患的结构，无疑是违背了当初优化设计的初衷。这也就是需要继续优化结构的根本原因。

2 挡风网支撑结构的优化方案

在近两年的开发周期内，我们一直在探索更有效的改善方案。结合周边零件的空间要求，我们将此处结构做成一个小块，然后在此合理的空间范围内，考虑多种不同的优化方案来评估，并通过3D打印和机加工快速成型样件进行试装和验证。

2.1 方案（1）

扭簧的短臂延长到前端，并采用卡扣结构在线圈的前端固定短臂，由上向逆时针方向旋转下压安装，通过卡扣弹性变形以确保扭簧安装到位;同时在短臂两侧增加Y向限位筋，以确保扭簧在使用过程中维持稳定的状态;经过对此处配合结构进行3D打印并试装，因扭簧安装空间有限，导致扭簧安装过程非常困难，不利于量产的装配性要求;且安装到位后，模拟挡风网起翘和关闭过程中，由于扭簧扭转产生的应力，通过短臂传递到前框卡扣结构上，因无法承受其应力，而导致卡扣结构断裂;结合以上两点来分析，此方案无可行性，以失败而告终。

2.2 方案（2）

结合方案（1）反馈的问题点，为了解决扭簧安装问题，将扭簧的短臂前端增加一个折弯;扭簧安装时，先将扭簧竖起，短臂折弯结构插入到前框的盲孔中，两侧增加限位筋，以确保扭簧前后和左右方向均保持稳定状态。经过3D打印结构验证，但因短臂插入的深度很小，和框架的重叠量仅有2.5mm，扭簧在运行旋转过程中受力倾斜导致短臂从框架中脱离;同时根据前框供应商的反馈，前框的盲孔深度达到7.5mm，斜顶后端的退让空间不足，导致模具上的斜顶结构无法布置，继而无法实现此结构。

2.3 方案（3）

按照方案（2）的试装效果，按照前框模具供应商的建议，将前框上盲孔深度调整到4mm，斜顶后退空间也有11.5mm;既让模具具有制造的可行性;同时通过减少了扭簧的圈数，让扭簧和框架的重叠量达到3.5mm，以便扭簧短臂不从盲孔中脱离;虽然解决了以上问题，但是在试装过程中发现随着扭簧长臂的受力，而短臂的旋转轴也位于前端，此时整个扭簧就会以短臂前端为旋转轴，后端线圈区域将跟随长臂的受力而翘起，敲打挡风网结构，导致扭簧受力偏向外侧，继而导致扭簧从框架中脱离而失效;

2.4 方案（4）

根据之前的试装结果表现，我们将前框对应的结构跟随扭簧短臂结构调整到线圈后端，仍然保持扭簧的短臂折弯结构插入到前框中，然后再线圈区域旋转放置到前框中，当扭簧长臂装配到挡风杆底部受力下压时，通过线圈的连接，短臂受力朝上，以保持前后手里均衡。经过3D打印样件的试装，其试装结果确实满足要求。为了确保此方案设计有效，我们使用量产材质，采用机加工的方式，组装了整个天窗总成进行疲劳试验验证;在进行到第7000次的疲劳试验中，扭簧仍从前框中脱出;结合现场情况来分析，扭簧短臂折弯结构的受力较大，与前框的盲孔接触面积小，使得前框局部受力磨损严重，继而发生局部结构开裂;同时扭簧线圈与其底部的前框结构由于存在磨损，运行过程中产生异响而易引起客户的抱怨;项目组评估因无法接受异响缺陷而放弃。

2.5 方案（5）

将单长臂扭簧更改为双长臂扭簧：扭簧短臂变更为两个，由上而下插入前框结构中;扭簧中间结构拉长与挡风杆连接固定，但是因挡风杆受机械组及天窗玻璃空间限制，结构布置后会周边零件存在干涉而无法实现;

2.6 方案（6）

在扭簧线圈区域增加轴：扭簧从外侧装配到前框中，将扭簧短臂往前延伸，减少与长臂之间的长度差异;通过轴的加持，让扭簧在运行过程中保持更加的稳定;此方案需将前框干湿区分离的墙打通，以便有足够的安装空间;由此前框的干湿区将合并，但干区与导轨存在远远低于干涉分离墙高度的螺钉固定点，这将会导致前框漏水;而且按照装配顺序，扭簧拆卸过程中将会和机械组干涉，无法满足售后市场更换的便利性要求。

3 挡风网支撑结构的最终优化方案

在经过多种方案的尝试，仍然无法优化现有的结构设计;通过研发小组的多次讨论，作者发现扭簧线圈之间的间隙是关键点，此间隙是为了避免扭簧在受力过程中每相邻两个线圈之间不会因有摩擦而产生异响;作者通过两手指沿着径向压缩压线圈，发现线圈的径向能缩小;当手指释放力时，扭簧线圈会还原。

作者根据扭簧线圈的这种特性，来增加限位结构以防止扭簧从前框中脱离。于是结合之前失败的方案以及客户的需求，优化了限位结构：在前框③放置扭簧线圈的轴心位置增加了圆形的斜坡卡扣，斜坡结构是为了扭簧①更容易装配到前框中，而当线圈受力时，卡扣还能遮挡扭簧不会从前框中脱出;卡扣底部和扭簧线圈之间还保持有2.2mm的间隙，以确保卡扣和扭簧线圈之间不会有接触磨损而造成异响缺陷，减少客户的投诉抱怨;同时，在线圈外轮廓的后端也增加了预防性的限位筋，保持与扭簧较小的间隙，扭簧正常工作状态是不会接触到限位筋的;当扭簧长臂从挡风杆②中脱离时，回弹的扭簧线圈会产生一个向上和向后的力，通过线圈中的卡扣结构来阻止扭簧向上飞出，而预防性的限位筋会直接顶住扭簧，减少扭簧自身的振动，而让扭簧快速停止下来。前框增加的卡扣限位結构，经过供应商的评估分析，也可通过模具上增加斜顶机构来实现。前框增加的限位结构如下图：

对于优化有的方案，详细的装配过程如下图所示。

此方案的优化，减少了周边结构的更改，维持现有的扭簧结构，仅优化前框结构即可满足要求。同时对于售后市场更换扭簧也是极其方便，仅使用一字螺丝刀在卡扣位置插入扭簧线圈区域，压紧扭簧使其变为压缩状态;再将扭簧从前框中拔出短臂即可。经过3D打印的结构验证，确实达到了扭簧不易蹦出的效果;后续前框模具更改后，使用合格的前框状态装配成天窗总成的疲劳耐久试验也完全符合要求。最终此方案的实施，也获得了客户的一致好评。

4 结 论

不同的挡风网支撑结构，是通过注塑、缝纫和折弯等多种工艺组合而成的。让挡风网结构处于一个稳定、可靠和安全的状态;对车内前排乘客的舒适性是很大的指标;这也是不断优化改进的结果。所以在开发时需要充分考虑其装配和功能的需求，合理布置、吸取经验、大胆创新、谨慎验证;加强和供应商的沟通交流，内部多进行设计评审、头脑风暴等方式来优化产品结构，才能设计出合理又安全的产品。

姓名：卜运泉 出生年月：1984年05月16日; 性别：男; 籍贯：江西省萍乡市;学历：本科;职称：中级职称; 研究方向：汽车专业;