汽车星空顶电动天窗结构设计

2023-05-19邵文彬

汽车与驾驶维修(维修版) 2023年3期

邵文彬

（芜湖莫森泰克汽车科技股份有限公司，芜湖 241000）

0 引言

随着国内外汽车零部件产业的迅猛发展，汽车天窗市场的竞争也逐渐多元化，消费者对汽车天窗的功能配置的价值感在提升，对生活品质的要求越来越高。尤其年轻人对时尚的追求及个性化功能的需求井喷发展，因此像星空电动天窗等新型产品应用开始逐步发展。但传统的星空顶系统中需要将每根光纤插入顶棚并固定，并且光纤只能固定在没有天窗的部分，而有天窗的部分无法布置。这对于全景天窗的车型来说，会出现车顶大部分面积都因无法布置光纤而不能呈现星空图案的问题[1]。本文从天窗玻璃结构方面进行开发，解决了天窗无法呈现星空效果的困难，同时以星空顶电动天窗系统开发为切入点，详细阐述其结构及功能逻辑等方面的开发设计。

1 汽车星空天窗的主要组成及实现功能

1.1 星空顶天窗的主要组成

星空顶天窗是通过对汽车天窗设计增加照明发光元件组成氛围灯光系统，暗光环境下可以在车内形成非常独特的高级光晕，从而提升车内的档次[2]。其主要由星空玻璃总成、前后玻璃灯带总成、框架总成、接触开关总成和遮阳帘导风帘等零部件组成，结构如图1所示。

图1 星空顶天窗结构示意图

星空顶天窗的前后玻璃需在传统玻璃上覆合星空图案，在前后玻璃侧边位置增加玻璃灯条，通过两侧LED 灯光映射实现漫天星空效果。星空图案可根据客户要求进行定制，其主要技术集中在前后玻璃图案的集成设计-玻璃覆合。

此方案与传统星空顶天窗方案对比：传统方案需要在汽车顶棚上依次预穿800～1 600 个孔，每一个孔内都需要装入独立光纤，发光光纤需要通过独立多颗光柱进行效果呈现，在制造及成本极其昂贵，工艺复杂，不利于返修，在配置有天窗的车型上，呈现区域只能在汽车顶棚上面，天窗玻璃区域无法进行呈现。

本设计方案在可开启汽车天窗的车型基础上，对天窗玻璃进行覆合处理。通过油墨印刷工艺，将设计好的图案提前印刷在玻璃上面，通过灯光呈现图案。相比植入光纤方案，本方案结构和制造工艺简单，在不改变天窗匹配的情况下，可以通过天窗玻璃的互换方式进行配置加装，维修便捷[3]。

1.2 星空天窗主要实现功能

星空顶具有关闭或随整车背光控制功能、单色定义、单色呼吸、变色呼吸、随音乐变化以及亮度调节等功能，如表1所示。

表1 星空顶主要功能列表

2 天窗布置星空顶的结构设计

2.1 星空顶结构LED 布置方案

在传统的全景天窗上基础上，不改变整车装配，将前活动玻璃及后固定玻璃设计成复合带有图案的白玻。然后在白玻玻璃上印刷图案，通过白玻两侧的LED 灯带向内侧照射光源。两端的LED 模块提供各种颜色的光源，然后将灯光导入夹层玻璃的内层中。在夹层玻璃的底部，印刷处可以散射光线的图案层。光线在玻璃内部经过多次折射散射，最终在玻璃的内表面呈现整面发光的效果，白玻反射光源显现图案。

LED 灯带需布置在白玻的两侧，灯源选择为多色RGB 灯珠。其布置结构如图2所示，以侧边的RGB 灯源为基础，照射在图案玻璃上面，呈现星空效果。LED 是利用发光二极管把电能直接转换为光能[4]。因LED 发射的能量光束在导光玻璃传递具有衰减性，折射次数越多，损耗越大。所以在设计印刷网点的时候一般采取梯度排布，中间网点不能过于稀疏。通过光谱分析，对车内环境光照的一般要求如下。

图2 星空灯带光源示意图

（1）功能照明：10～80 cd/m2。

（2）背景照明：4～15 cd/m2。

（3）功能照明亮度：≥2 倍的背景照明。

（4）星空顶光照建议值：4～15 cd/m2。

2.2 星空顶星空玻璃复合设计

2.2.1 印刷星空效果图案

星空效果图案主要为复合在原玻璃上的白玻自带印刷图案，通过反光油墨进行印刷。其印刷方案如下。

（1）图案需印刷在白玻上。白玻是一种超透明低铁玻璃，是一种高品质、多功能的新型高档玻璃品种，透光率可达91.5%以上。

（2）印刷图案根据客户要求进行定制开发，开发印刷网板，网板上面呈现图案。LED 直接将能量光束传递至导光玻璃，通过丝印网点进行折射和反射后，实现整个天窗均匀发光，光能利用率高，整体亮度高。

（3）将印刷网板与白玻进行贴合，将反光油墨均匀上浆，再通过干燥、晒版等流程生产成成品（图3）。

图3 星空顶选配图案示例（菱形图案和天使翅膀）

2.2.2 复合成星空玻璃总成

将印刷后的白玻通过复合工艺与天窗灰玻进行复合，生产成星空玻璃总成，其复合方案如下。

（1）将带图案的白玻及天窗原始玻璃通过复合设备进行结合，两玻璃在结合中间层放置SGP 复合胶片（SGP 是美国杜邦公司研发的夹层玻璃离子聚合物中间膜）。

（2）SGP 胶片厚度为0.75 mm。在玻璃胶合前，将玻璃切割成所需尺寸及形状，SGP 胶片的尺寸亦需切割成所需尺寸及形状，避免胶合完成后再进行切割。复合的白玻尺寸比原始天窗玻璃尺寸小，Y向尺寸相差60.00 mm，主要是白玻的侧边需安装LED灯带。

（3）复合抽真空。将SGP 胶片叠加在一起，夹在玻璃中间，采用真空袋工艺进行抽真空。合成后的夹层玻璃也可以当作玻璃基片，再深加工成其他各种配置的玻璃，以满足各项性能要求。

2.3 星空顶玻璃与整车线束导通触点设计

因天窗前玻璃为活动玻璃，在天窗打开后，前玻璃星空顶此时处于断电状态，不呈现放光效果。在前玻璃运行关闭后，此时需要将前灯条进行导通，即需要导通LED 灯带和主线束的连接。设计方案为接触式触点导通结构，即前玻璃LED 线束需要与主线束为活动式接触点进行导通（图4）。接触式导通结构设计方案如下。

图4 星空玻璃触点结构设计

（1）天窗滑轨上设计触点固定点。将触点开关布置在LED滑轨U 型槽位置，当前玻璃关闭后，前玻璃线束触点与滑轨上触点接触，起导通作用。

（2）触点座集成弹性触点。弹性触点设计有弹簧，在触点导通时，触点被挤压收缩，滑轨触点座需要天窗总线束进行连接。

（3）触点实现功能：在前玻璃关闭位置，触点和前玻璃LED灯线束铜片接触，前玻璃LED 点亮，反之断开。

（4）触点开关为弹片接触，材料为黄铜，可保证产品寿命和接触力。理论上弹片的预压量设计为3.00 mm，预压力设计为2.0～3.5 N。弹片接触方向为Z 向接触，X、Y 轴方向接触面有4.50 mm 的空间可调整，可保证天窗前玻璃有2.00 mm 的调整余量。

（5）弹片的性能耐久。通过CAE 机构分析及实际试验验证，弹片可满足10 万次的循环耐久试验。试验后弹片的性能衰减在5%之内，满足正常的衰减要求。

（6）天窗布置的星空顶线束与整车线束通过插接器连接，传递信息通过LIN 线与BCM 相互通讯。

3 星空顶与车身控制单元（BCM）控制策略设置方案

星空顶灯带通过LIN 线与BCM 进行通信，挂载在BCM 的网络下，遵循LIN 功能规范。在星空顶天窗左右的后侧各设置1 个模块——星空顶控制模块，使用布置设计的线束进行导光连接[5]。星空顶模块与BCM 通过LIN 控制可以实现颜色同步调节。

RGB LIN 模块主要由“RGB LED+LIN 通信模块+单片机控制”组成，该模块与传统的LED 灯控制不同（图5）。

图5 独立控制器通过LIN 线控制

3.1 RGB 颜色控制

RGB LIN 模块可以直接作为BCM 或者ALM 的通信节点，相关指令对应红（R）、绿（G）、蓝（B）3 个颜色通道的变化。RGB LIN 模块还具有温度补偿功能，保证RGB 混光颜色保持在定义的色坐标范围内。RGB 配色颜色计算方式如下。

（1）根据三基色配色原理，只有三角形区域内的颜色才能通过RGB 三基色配色实现。

（2）合成光的颜色取决于红光、绿光和蓝光的亮度比例。

（3）合成光的总亮度等于红光、绿光、蓝光各自亮度值的总和。

基于目前的半导体技术，LED 灯珠都以bin 来区分颜色坐标，某一个bin 则表示色坐标在某个范围，而所有颜色都是由红、绿、蓝三种基色混光出来。以某款LED 灯珠为例，红光有3、4 和5 这3 个bin，绿光有2、3、4、5、6、7、8 和9 共8 个bin，蓝光有H、J、K、L、M、N、O、P、Q 和R 共11 bin，所以理论上不考虑亮度的情况下，这款LED 灯珠有3×8×11=264 种颜色组合。

3.2 在电子防盗报警系统（IHU）设置功能

在IHU 中可设置“星空顶功能”，包括开启和关闭。其设置逻辑关系如下。

（1）整车初次上电后，“星空顶功能”默认设置为“开启”；BCM 发送周期型信号。

（2）当“星空顶功能”为“开启”时，若在IHU 中设置为“关闭”，IHU 发送事件型信号给BCM，BCM 更新设置后立即反馈周期型信号给IHU。

（3）IHU 进行设置后不会立即更新状态，只有收到BCM 反馈的状态信号，IHU 才会更新显示状态。

（4）整车重新上电后，记忆上一个点火循环设置状态。整车电源切换至OFF，IHU 不记忆设置状态，BCM 记忆当前“星空顶功能”（开启/关闭）设置状态。重新上电后，BCM 将记忆的设置状态发送给IHU 用于显示。

3.3 星空灯LIN 节点判断逻辑

若星空灯收到LIN 信号，则根据LIN 音乐音频信号，由控制器控制动态改变星空灯的亮度和颜色。星空灯的RGB 灯按照开启“动态设置-音乐律动”的设置状态点亮。例如，开启“音乐律动”前，星空灯RGB 灯设置为红色；开启“音乐律动”后；颜色和亮度随音乐发生变化；当没有音乐输出时，星空灯的RGB灯则按照之前设置的状态执行。

音频信号根据整车要求的音频信号属性执行，星空灯的RGB灯根据标定状态将64 色进行赋值匹配，实现音乐律动时的颜色变化。