張博榕

(上海恩坦華汽車部件有限公司，上海 201821)

0 引言

從行業(yè)發(fā)展趨勢來看，全景天窗由于車頂開口面積大，視野范圍闊，受到廣泛的推崇，有望成為近年來上市車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置。

本文作者從部件的角度闡述全景天窗的設(shè)計(jì)[1]，匯總影響天窗總成產(chǎn)品性能的重要構(gòu)件的技術(shù)參數(shù)，期望對于后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 整車匹配

在配置天窗時(shí)，車頂開口應(yīng)該處于車身恰當(dāng)?shù)奈恢?，不?yīng)降低車身可靠性。車身密封條與車頂開口尺寸、裝配方式、泡型、干涉量、壓縮載荷等密切相關(guān)，是重要的匹配技術(shù)參數(shù)。

主機(jī)廠會(huì)根據(jù)車輛造型要求提供A面，以期盡可能降低車輛風(fēng)阻系數(shù)[2]。對應(yīng)于天窗，就是對于玻璃板的要求，從實(shí)際匹配的經(jīng)驗(yàn)來看，不同部位與車頂之間面差和間隙要求存在差異。

天窗框架尺寸往往代表了天窗邊界尺寸，布置時(shí)不應(yīng)縮小或限制周邊其他零件的布置空間。圖1是天窗匹配的結(jié)構(gòu)圖。

天窗框架由左、右導(dǎo)軌，前、后排水槽等共同構(gòu)造。濕區(qū)可運(yùn)行機(jī)械組，承接進(jìn)入車輛內(nèi)部的雨水，由于構(gòu)造零件使用不同的工藝和材料，裝配時(shí)需要密封處理，防止漏水；干區(qū)用于安裝導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)、后玻璃板等零件，與濕區(qū)具有近似的構(gòu)造。

天窗導(dǎo)軌應(yīng)該能夠適應(yīng)車頂弧度的變化，同時(shí)滿足機(jī)械組運(yùn)行要求，保證與內(nèi)飾頂棚的匹配連接關(guān)系，能夠使得遮陽簾具有良好的運(yùn)行方案。

圖1 天窗匹配結(jié)構(gòu)圖

天窗前排水槽可布置電機(jī)、控制面板等，后排水槽可布置電機(jī)或遮陽簾等，需校核并滿足與頂棚間承力或間隙要求，避免異響。

車輛運(yùn)行時(shí)，在導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)處于彈起狀態(tài)時(shí)，本身的結(jié)構(gòu)對于氣流具有導(dǎo)向和減壓作用，不當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)會(huì)造成氣流共振或渦旋，產(chǎn)生異響。

由于簾布厚度不同，全遮光與半遮光遮陽簾運(yùn)行方式不同，前者需要更加充裕的動(dòng)力回收。從設(shè)計(jì)角度來看，這會(huì)對乘客艙上下方向產(chǎn)生影響，甚至?xí)绊懻陉柡熅硎辗绞健?/p>

由于降溫等方面的要求，對于匹配天窗的車型，需要校核玻璃板透光率及遮陽簾遮光率等參數(shù)；從使用功能來看，需要確認(rèn)玻璃板行程、起翹高度、遮陽簾行程、導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)彈起姿態(tài)等參數(shù)。

從控制策略來看，天窗的聯(lián)動(dòng)功能規(guī)范了玻璃板與遮陽簾的位置關(guān)系，防夾功能基于安全法規(guī)的要求，隨著AI技術(shù)的興起，觸屏和語音控制功能逐漸成為基本要求。

天窗安裝時(shí)，定位系統(tǒng)對于其使用具有很大的影響。整車安裝定位，框架安裝定位，構(gòu)造零件的制造定位均有不同的要求，設(shè)計(jì)應(yīng)避免定位基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，從而造成零件過定位，匹配精度降低等，以及由此產(chǎn)生噪聲、異響等不良。

2 天窗運(yùn)行

2.1 機(jī)械組運(yùn)行姿態(tài)

全景天窗機(jī)械組在導(dǎo)軌上運(yùn)行，可通過電機(jī)輸出運(yùn)行指令，控制玻璃板的運(yùn)行工況。機(jī)械組包含支架，前、后滑槽，前、后舉升臂等5個(gè)零件，運(yùn)行過程分為關(guān)閉、起翹、打開三個(gè)階段，如圖2所示(左側(cè)是前端)。

圖2 機(jī)械組運(yùn)行姿態(tài)

運(yùn)行時(shí)，電機(jī)通過軟軸驅(qū)動(dòng)前、后滑槽整體向右移動(dòng)，由于后滑槽的形狀變化較大，而前滑槽相對平緩，后面兩個(gè)滑柱1.1、1.2(后舉升臂)會(huì)滑動(dòng)至2.1、2.2(后滑槽)的位置，這是玻璃板后端起翹過程；隨著滑槽進(jìn)一步向右運(yùn)行，滑柱2.3、2.4(前舉升臂)運(yùn)行至3.3、3.4(前滑槽)的位置時(shí)，后舉升臂完全舉起，前滑槽也進(jìn)入了曲線段，前舉升臂開始上升，這是玻璃板前端起翹過程；之后當(dāng)滑柱3.1、3.2(后舉升臂)，滑柱3.3、3.4(前舉升臂)進(jìn)入前、后滑槽前端位置并鎖止，機(jī)械組支架在上下方向位置不再變化，機(jī)械組整體向右平動(dòng)，這是天窗打開的階段。

2.2 機(jī)械組約束和自由度

天窗機(jī)械組包含5個(gè)構(gòu)件，8個(gè)高副、3個(gè)低副。平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算由下式獲得：

F=3n-2PL-Ph

(1)

式中：n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；PL為低副約束數(shù)；Ph為高副約束數(shù)。在滑槽上施加向后的驅(qū)動(dòng)力時(shí)，機(jī)械組自由度為零，機(jī)構(gòu)可以模擬運(yùn)動(dòng)。

按照第2.1節(jié)中所述，當(dāng)機(jī)械組舉升臂在滑槽后端時(shí)，由于需要克服摩擦力，首先是舉升臂在滑槽中運(yùn)動(dòng)，隨著滑槽持續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，舉升臂將與滑槽鎖止，機(jī)械組整體沿導(dǎo)軌平行移動(dòng)。

2.3 玻璃質(zhì)心曲線

采用ADMAS軟件分析天窗的運(yùn)行過程，假設(shè)玻璃板約0.6 s可以打開，在X方向，玻璃板質(zhì)心的位移在t=0.4 s之前基本保持不變，代表后端起翹；在t=0.35～0.4 s，向X負(fù)方向移動(dòng)了5 mm，代表起翹過程質(zhì)心前移；在t=0.4～0.45 s，X方向位移增加，代表前端上升，質(zhì)心返回；在t=0.45 s后，X方向的位移變?yōu)榫€性關(guān)系，代表玻璃板已經(jīng)進(jìn)入平動(dòng)階段。在Z方向，玻璃板質(zhì)心在t=0.4 s以后，相比之前共上升約30 mm。

圖3 玻璃質(zhì)心變化

2.4 天窗運(yùn)行動(dòng)力學(xué)

采用ADMAS軟件分析天窗的運(yùn)行過程，假設(shè)機(jī)械組之前在Z向受力是0，由于玻璃板后端上升，滑柱1.1、1.2需要向上的舉升力值是58 N，滑柱1.3、1.4在平動(dòng)段上下無變動(dòng)，力值是0，當(dāng)玻璃板前端向上升起時(shí)，前舉升臂導(dǎo)向柱1.5向上力值是28 N，因此Z方向合力為86 N，因?yàn)闄C(jī)械組結(jié)構(gòu)對稱，Z方向總力為172 N，亦即機(jī)械組運(yùn)行姿態(tài)切換時(shí)，力值改變量為172 N。

X方向受力情況。在玻璃后端起翹時(shí)，滑柱1.1在X向受力為48～73 N，而滑柱1.2的受力為0～26 N，滑柱1.3和1.4不受力；前舉升臂導(dǎo)向柱1.5受力是72 N，主要功能是阻止機(jī)構(gòu)向X正向滑動(dòng)；在玻璃平動(dòng)階段，前舉升臂導(dǎo)向柱15受力是0。

在玻璃后端起翹時(shí)，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，前舉升臂導(dǎo)向柱1.5不受力。在前端起翹以及平移階段，滑柱1.1、1.2、1.3、1.4和前舉升臂導(dǎo)向柱1.5在Y向均不發(fā)生力的變化。

2.5 運(yùn)行模態(tài)

(1)固有模態(tài)

將車身固定在地面上，采用彈性連接，設(shè)置加速度為10 mm/s2，按照正弦振動(dòng)分析，反饋點(diǎn)為玻璃的質(zhì)心點(diǎn)，其中10、15、26 Hz接近汽車激振頻率。10、15 Hz振動(dòng)時(shí)主要質(zhì)量分布集中在玻璃的Y方向上，分別是83、72 Hz。26 Hz振動(dòng)時(shí)主要能量分布轉(zhuǎn)移到了玻璃的Z方向上，是39 Hz。

(2)關(guān)閉狀態(tài)下Z方向的受迫振動(dòng)

車輛在顛簸路面行駛時(shí)，在Z方向，設(shè)置加速度為10 mm/s2，按照正弦振動(dòng)分析，反饋點(diǎn)為玻璃的質(zhì)心點(diǎn)，Z方向發(fā)生共振的頻率在36 Hz處，5 Hz左右發(fā)生反共振。

3 主要組件

3.1 電機(jī)

電機(jī)是天窗的動(dòng)力源，如受力分析所述，電機(jī)在帶有負(fù)載情況下，輸出動(dòng)力應(yīng)該大于姿態(tài)變化的力和玻璃板本身的重力，在車輛受迫振動(dòng)時(shí)，還應(yīng)承受共振所帶來的振動(dòng)力。

電機(jī)輸出動(dòng)力時(shí)通過齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出為軟軸的前后運(yùn)行，軟軸將運(yùn)動(dòng)位移輸出給機(jī)械組，機(jī)械組通過本身的上下和前后運(yùn)行，轉(zhuǎn)化為玻璃板的不同姿態(tài)和運(yùn)行位置。

電機(jī)輸出功率和扭矩的關(guān)系:

9 550P=Tn

(2)

式中：T是扭矩；n是轉(zhuǎn)速。

T=Fr

(3)

式中：T是扭矩；F是齒輪輸出力；r為齒輪半徑。

由式(2)可知：天窗電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速成反比，迭代式(3)后，如果不計(jì)軟軸摩擦力等因素，由于電機(jī)的齒輪半徑是確定的，因此在玻璃板上施加的力與轉(zhuǎn)速成反比，亦即阻力會(huì)使得電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢。

3.2 天窗熱量(玻璃板和遮陽簾)

玻璃板在類型、厚度、透光率等方面存在差異，對于光和熱的反應(yīng)不同。表1是部分玻璃板光熱參數(shù)。

表1 玻璃板的熱量參數(shù)

遮陽簾分為全遮光和半遮光兩種，由于結(jié)構(gòu)不同，一般認(rèn)為半遮光和全遮光遮陽簾具有不同的遮光、隔熱作用。

圖4是全遮光遮陽簾布的紋理和結(jié)構(gòu)，按照圖示，表皮1的材質(zhì)是PET，熱熔膠2和4的材質(zhì)是PUR，膜3的材質(zhì)是PU，機(jī)織布5的材質(zhì)是PET，這個(gè)結(jié)構(gòu)不同于半遮光簾布的單層結(jié)構(gòu)。

當(dāng)車輛?？吭谔柟庀聲r(shí)，隨著進(jìn)入乘客艙的熱量累積，其溫度會(huì)逐步上升，最終累積的熱量是通過玻璃板透射和遮陽簾隔熱過濾后的熱量。

乘客艙溫度較高時(shí)，熱量的主要來源是發(fā)動(dòng)機(jī)散熱和天窗、側(cè)窗投射進(jìn)來的熱量以及人體散熱等，乘客艙空調(diào)應(yīng)該具備足夠的功率，以便于進(jìn)行散熱和降低溫度。

圖4 遮陽簾布結(jié)構(gòu)

3.3 導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)

車輛運(yùn)行時(shí)，氣流流經(jīng)車頂進(jìn)入乘客艙后，會(huì)引起氣流波動(dòng)，造成周期性的氣壓擾動(dòng)。當(dāng)開口處的氣流振動(dòng)頻率與乘客艙的固有振動(dòng)頻率相一致時(shí)，可引發(fā)氣流共振，造成更大的氣壓擾動(dòng)[3]。在車速不同時(shí)，共振的位置和共振的頻率也不同。部分研究者為降低風(fēng)噪，進(jìn)行數(shù)值分析并提出了改進(jìn)方法[4]。

全景天窗采用導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)對流經(jīng)車輛頂部的氣流進(jìn)行減壓和導(dǎo)流。如圖5所示，某導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)布為矩形網(wǎng)孔，橫線間距為2.2 mm， 縱線為1.2 mm，網(wǎng)孔占網(wǎng)布總面積的比例是35%。

圖5 導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)布結(jié)構(gòu)

按車輛行進(jìn)速度80 km/h分析導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)的氣流壓力、速度、流線、聲壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖6所示。

從圖6(a)(b)可知：導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)的上支架前端壓力較大(紅色區(qū)域)，后端存在負(fù)壓區(qū)(藍(lán)色區(qū)域)，少量氣流流入乘員艙，為此需要將導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行閉合，減少氣流壓差。

從圖6(c)(d)可知：由于導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)的存在，氣流被導(dǎo)向向上的空間，氣流速度也隨之加快，但車身內(nèi)部以及后端氣流速度較小。

從圖6(e)(f)可知：導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)將流經(jīng)車頂?shù)臍饬鞅容^均勻地導(dǎo)向后端，氣流在導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)布表面發(fā)生氣流分離，其前后存在壓力差。

圖6 導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)CAE分析結(jié)果

4 制造性

從制造性來考慮，除本身特征外，總成產(chǎn)品應(yīng)該盡量減少零件數(shù)量；借鑒其他零件和材料，具有盡量少的工藝表面；做好防錯(cuò)設(shè)計(jì)，減少使用特殊工具；具有對稱結(jié)構(gòu)，能夠旋轉(zhuǎn)：都會(huì)使得產(chǎn)品的制造更易進(jìn)行。

對于不同模腔的零件應(yīng)具有相同的使用功能；單個(gè)產(chǎn)品應(yīng)具有靈活性、黏性，不易破碎、打滑，不能有尖銳的棱角，不包含嵌套、纏繞等問題；避免體積龐大、笨重、難以抓取；避免制造過程使用特殊工具，嵌入困難，有阻擋，不易對齊、連接，位置看不見等問題。

裝配時(shí)減少零件固定數(shù)量和類型，采用從上到下分層的裝配方式，消除或減少裝配過程中定位轉(zhuǎn)換，減少總的裝配過程，零件在裝配過程中能自動(dòng)對齊，容易接近，易于裝配，沒有裝配應(yīng)力。

設(shè)計(jì)過程應(yīng)避免先前設(shè)計(jì)中存在的返工、質(zhì)保、售后退件、制造工藝問題，產(chǎn)品開發(fā)前應(yīng)與供應(yīng)商就模具加工以及裝配做充分的交流。

對于零件制造過程中涉及沖壓、電泳、注塑、輥壓、裝配等工藝所能夠達(dá)成的零件公差應(yīng)做充分的評估。

5 材料選擇

產(chǎn)品材料必須滿足材料使用功能要求。

非金屬材料應(yīng)滿足法規(guī)要求，主要是阻燃和散發(fā)及乘客艙內(nèi)空氣質(zhì)量要求。

金屬材料零件應(yīng)滿足鹽霧腐蝕要求。

總成產(chǎn)品材料不應(yīng)包含鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻化合物、多溴聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚等禁限用物質(zhì)，部分生產(chǎn)輔料可能會(huì)帶入這些物質(zhì)。

全景天窗組件涉及的加工工藝種類較多，包含不限于切割、鋼化、包塑、注塑、擠出、沖壓、噴涂、電泳、發(fā)黑處理、裁切、粘接等，這使得零件選擇材料的范圍變得極為狹小，但這也提供了良好的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。

6 特性分析

全景天窗主要特性參數(shù)包括定位系統(tǒng)，內(nèi)、外部凸出物，透光，透熱參數(shù)，阻燃，散發(fā)，頂出力，防夾力，安裝扭矩等。

天窗組件主要特性參數(shù)包括機(jī)械組滑柱與滑槽、機(jī)械組與導(dǎo)軌之間的運(yùn)行力，導(dǎo)風(fēng)網(wǎng)彈起力，遮陽簾遮光率，滑動(dòng)力，玻璃板透光率、透熱率，玻璃板之間的面差和間隙，與車身密封條壓縮載荷，干涉量，面差等。

導(dǎo)軌需要與前后排水槽裝配成框架，與車身鈑金以及頂棚搭接，是機(jī)械組運(yùn)行載體，其擠出加工、表面處理、匹配等具有許多重要的特性，需要識(shí)別。

7 結(jié)束語

在某全景天窗的匹配設(shè)計(jì)過程中，綜合運(yùn)用了上述的設(shè)計(jì)方法，其產(chǎn)品已上市銷售，取得了令人滿意的結(jié)果。