胡勇

蜂窩型聚氨酯發(fā)泡材料應(yīng)用于汽車天窗遮陽(yáng)板的初步研究

胡勇

（西艾科德管理（上海）有限公司，上海 200131）

現(xiàn)代汽車基于人們個(gè)性化的需求，越來(lái)越多地配置了車頂天窗系統(tǒng)。有一種小尺寸單片玻璃的車頂天窗是需要在內(nèi)飾頂襯上配置遮陽(yáng)板部件，以便在乘客需要時(shí)提供透光和換氣的作用。傳統(tǒng)的汽車天窗遮陽(yáng)板部件通常采用經(jīng)過(guò)電泳漆處理過(guò)的鐵板或塑料材料作為基板材料，這兩種類型的遮陽(yáng)板重量比較大設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜且成本高。因此我們?cè)O(shè)想利用蜂窩型聚氨酯發(fā)泡材料作為汽車天窗遮陽(yáng)板的基板，替代鐵板或塑料材料。文章主要就開(kāi)發(fā)這種蜂窩型聚氨酯發(fā)泡材料遮陽(yáng)板部件的過(guò)程，以及需要解決的技術(shù)問(wèn)題作初步探討和研究。

汽車天窗；蜂窩型；聚氨酯發(fā)泡材料；遮陽(yáng)板

1 引言

汽車小尺寸天窗系統(tǒng)的遮陽(yáng)板部件，有多種多樣的材料和結(jié)構(gòu)形式，同以往的鐵板或塑料材料的遮陽(yáng)板相比，蜂窩型聚氨酯發(fā)泡材料具有重量輕，成本低的特點(diǎn)，而且也沒(méi)有降低整體強(qiáng)度及滑動(dòng)穩(wěn)定性等產(chǎn)品性能。從輕量化角度，新型遮陽(yáng)板部件在天窗約10kg總重量基礎(chǔ)上，可以降低約7%重量；從成本節(jié)省角度，每個(gè)遮陽(yáng)板能節(jié)省至少20元的成本，以某款車型一年12萬(wàn)的量來(lái)計(jì)算，此項(xiàng)改進(jìn)在單個(gè)項(xiàng)目上每年預(yù)計(jì)可以節(jié)省240多萬(wàn)元的成本。通過(guò)推廣引用到其他類似天窗的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目上，預(yù)計(jì)可以產(chǎn)生更多的效益。

作為汽車天窗的設(shè)計(jì)制造供應(yīng)商來(lái)講，采用輕質(zhì)材料也有很多好處。首先，選擇輕質(zhì)材料替代，能直接降低產(chǎn)品原材料的成本；同時(shí)新的材料結(jié)構(gòu)也間接減少零件數(shù)量進(jìn)一步降低成本；其次，輕質(zhì)材料相對(duì)原本材料的產(chǎn)品有更好的操作感和更舒適的外觀。

在輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展潮流的時(shí)代，天窗遮陽(yáng)板能實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)肯定是一個(gè)趨勢(shì)，從大的方面考慮，天窗產(chǎn)品也需要在汽車的輕量化，社會(huì)環(huán)保等方面做出貢獻(xiàn)。

2 新概念遮陽(yáng)板

2.1 替代材料的選擇

在經(jīng)過(guò)材料篩選及工藝成型分析之后，我們選擇了蜂窩型聚氨酯發(fā)泡材料作為替代材料并且進(jìn)行可行性研究。

選擇這種材料基于以下考慮：

1）蜂窩型聚氨酯發(fā)泡材料密度小，重量輕，符合輕量化理念；

2）相對(duì)于純車頂頂棚類模壓纖維材料，由于可嵌入蜂窩紙板，它有更高的密實(shí)度，可滿足強(qiáng)度要求；

3）蜂窩型聚氨酯發(fā)泡材料在模具壓合中一步成型，工藝簡(jiǎn)單且蜂窩紙板節(jié)省了純聚氨酯材料的使用量，零件成本有所降低。

2.2 基于功能需求的再設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案

2.2.1天窗遮陽(yáng)板的功能

天窗遮陽(yáng)板關(guān)閉時(shí)是用來(lái)阻擋從天窗玻璃透射進(jìn)來(lái)的光線，以實(shí)現(xiàn)隔光隔熱功能，同時(shí)還能增強(qiáng)車廂空間的隱私性；當(dāng)天窗玻璃打開(kāi)的同時(shí)，遮陽(yáng)板也必須自動(dòng)打開(kāi)以保證車廂內(nèi)的透光性和透氣性；有些時(shí)候，用戶也需要手動(dòng)打開(kāi)遮陽(yáng)板以達(dá)到較好的透光性。典型性小尺寸天窗結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 典型性小尺寸天窗結(jié)構(gòu)

2.2.2基于功能需求的天窗遮陽(yáng)板的特征

基于功能分析，天窗遮陽(yáng)板應(yīng)該具有這樣的特征：

1）遮陽(yáng)板基板不能透光；

2）遮陽(yáng)板面料需要貼合在基板下部，并與整車頂襯保持同樣的風(fēng)格和外觀

3）整個(gè)遮陽(yáng)板需要有一定的強(qiáng)度，保證乘客的正常操作；

4）遮陽(yáng)板在使用過(guò)程中會(huì)滑動(dòng)，需要配合的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)如軌道，滑腳等，以便于在天窗其他零件內(nèi)滑動(dòng)；

5）遮陽(yáng)板上需要一個(gè)把手，供用戶操作遮陽(yáng)板。

2.2.3基于特征的天窗遮陽(yáng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于上述特征1）通過(guò)蜂窩型聚氨酯發(fā)泡材料作為遮陽(yáng)板的基板來(lái)實(shí)現(xiàn)不透光功能。對(duì)于上述特征2）采用整車客戶定義的與頂襯同樣材質(zhì)和類型的面料。為了達(dá)到上述特征3）的硬度和強(qiáng)度的要求，我們?cè)诰郯滨グl(fā)泡材料內(nèi)部成型時(shí)嵌入蜂窩型硬紙板，其中蜂窩型硬紙板在增加強(qiáng)度同時(shí)又降低了聚氨酯材料用量，最終在不降低產(chǎn)品強(qiáng)度的基礎(chǔ)上降低了成本。

對(duì)于上述特征4）因?yàn)樘齑皟蓚?cè)設(shè)置有兩根鋁合金材料的導(dǎo)軌，通過(guò)螺釘連接安裝在整車車頂及車頂加強(qiáng)板上。遮陽(yáng)板基板兩側(cè)各設(shè)置了三個(gè)滑腳，滑動(dòng)的時(shí)候僅通過(guò)滑腳和導(dǎo)軌滑槽接觸而不是面料，以提供穩(wěn)定的滑動(dòng)界面。

關(guān)于這種新設(shè)計(jì)遮陽(yáng)板的滑腳的詳細(xì)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)，在后續(xù)章節(jié)有具體的介紹。

對(duì)于上述特征5）我們選擇了環(huán)保，外觀時(shí)尚且操作感好地塑料材質(zhì)把手，并且在設(shè)計(jì)中較好地考慮到了人機(jī)工程學(xué)，方便乘客操作。

2.2.4最終天窗遮陽(yáng)板設(shè)計(jì)方案

新設(shè)計(jì)遮陽(yáng)板的結(jié)構(gòu)如下圖2所示：

圖2 新設(shè)計(jì)遮陽(yáng)板的結(jié)構(gòu)

從天窗遮陽(yáng)板俯視圖看，布置在兩側(cè)的六個(gè)滑腳中的前端左右兩個(gè)是比較特殊的，這兩個(gè)滑腳提供了遮陽(yáng)板主要的滑動(dòng)力。新遮陽(yáng)板及滑腳和導(dǎo)軌的截面示意圖如下：

圖3 新遮陽(yáng)板及滑腳和導(dǎo)軌的截面示意圖

新設(shè)計(jì)遮陽(yáng)板包含了組件把手（圖3，結(jié)構(gòu)1）和與面料附和的基板（圖3，結(jié)構(gòu)2），以及滑動(dòng)機(jī)構(gòu)滑腳（圖3，結(jié)構(gòu)5內(nèi)各零件）?；_的材料是具有較高潤(rùn)滑性的POM，便于降低在導(dǎo)軌滑槽（圖3，結(jié)構(gòu)5）中的滑動(dòng)摩擦力。為了消除裝配以后和導(dǎo)軌滑槽之間過(guò)松產(chǎn)生振動(dòng)噪音的可能，我們?cè)诨_上端設(shè)計(jì)了一種彈片形狀（圖3，結(jié)構(gòu)3和4）的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)同時(shí)可以中和左右導(dǎo)軌Y向間距和本身滑槽Z向尺寸不均勻產(chǎn)生的誤差。

2.3 最終天窗遮陽(yáng)板的工業(yè)化生產(chǎn)及裝配方式

新設(shè)計(jì)遮陽(yáng)板工業(yè)化生產(chǎn)及裝配方式如下所示：

1）一次成型蜂窩型聚氨酯發(fā)泡材料的基板，內(nèi)部的材料為發(fā)泡的聚氨酯和蜂窩型硬紙板。在成型過(guò)程中，蜂窩型硬紙板和聚氨酯發(fā)泡材料被模具壓緊密實(shí)。工廠只需投資發(fā)泡機(jī)和基板模具來(lái)一次成型基板組件。

2）將與頂棚材料類似的面料與基板復(fù)合，同時(shí)將側(cè)邊輔助滑角面料包覆好；工廠只需投資復(fù)合模具來(lái)將兩者復(fù)合成總成，然后由切邊機(jī)切除多余的邊角料。

3）手工將塑料把手卡入遮陽(yáng)板基板的凹坑仿形特征中，通過(guò)螺釘固定在遮陽(yáng)板基板上。

4）手工將兩個(gè)塑料滑腳卡接在遮陽(yáng)板的前側(cè)。

預(yù)計(jì)只需要四個(gè)生產(chǎn)工位及三個(gè)操作員，在兩分鐘內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)新設(shè)計(jì)遮陽(yáng)板的全過(guò)程生產(chǎn)及組裝。

3 設(shè)計(jì)方案中的主要技術(shù)問(wèn)題及分析解決

3.1 重點(diǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求定義

在天窗遮陽(yáng)板產(chǎn)品各種要求中，我們選取其中一個(gè)對(duì)天窗最重要也是最難的功能要求進(jìn)行深入研究，即確定遮陽(yáng)板在天窗軌道內(nèi)的滑動(dòng)力，同時(shí)保證在各種工況下維持穩(wěn)定。

基于拉動(dòng)遮陽(yáng)板的人機(jī)工程，客戶有最大30N的具體的力值要求，但最小值需要從理論計(jì)算來(lái)最終確定?？蛻魧?duì)天窗遮陽(yáng)板有以下的要求：遮陽(yáng)板在汽車正?；蚍钦Ｐ旭偟倪^(guò)程中，不允許由于慣性而和導(dǎo)軌產(chǎn)生相對(duì)位移，從而導(dǎo)致對(duì)乘客產(chǎn)生可能的碰撞和夾手傷害。

從理論上計(jì)算上，天窗遮陽(yáng)板和天窗導(dǎo)軌之間需要多大的靜摩擦力，才能保證遮陽(yáng)板在汽車正?；蚍钦Ｐ旭傔^(guò)程中不會(huì)自動(dòng)滑動(dòng)是可以通過(guò)公式來(lái)評(píng)估的，即力學(xué)公式（其中是靜摩擦力，是遮陽(yáng)板的加速度，是遮陽(yáng)板重量）。當(dāng)計(jì)算出臨界值的靜摩擦力時(shí)，就可以知道遮陽(yáng)板滑動(dòng)力達(dá)到多大時(shí)，就克服了臨界靜摩擦力開(kāi)始了自動(dòng)滑行。

首先我們假定天窗遮陽(yáng)板在緊急剎車時(shí)的加速度與汽車加速度一致，而遮陽(yáng)板重量實(shí)測(cè)約為0.8kg。根據(jù)整車規(guī)范輸入，經(jīng)測(cè)試汽車的固有性能參數(shù)，比如從的速度急剎車到h的時(shí)間，結(jié)合的速度公式，得出極限加速度約為1（為重力加速度，為2）。由此經(jīng)計(jì)算得出，汽車在急剎車的過(guò)程中，天窗遮陽(yáng)板至少需要8N的靜摩擦力臨界值。結(jié)合整車客戶對(duì)天窗遮陽(yáng)板的滑動(dòng)力規(guī)范的上限值要求，即人機(jī)工程最大的操作力，此滑動(dòng)力技術(shù)要求的目標(biāo)范圍被定義為8N~30N。

3.2 設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的技術(shù)問(wèn)題

在實(shí)際的設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程中，新概念遮陽(yáng)板樣品在下線后，實(shí)測(cè)的滑動(dòng)力大概在15-20N之間，可以滿足技術(shù)要求范圍，但是當(dāng)整個(gè)天窗總成組裝完成，經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)一段時(shí)間，到達(dá)整車產(chǎn)線后，滑動(dòng)力下降到5-10N之間。主要原因是存儲(chǔ)過(guò)程中，由于環(huán)境溫度的變化，特別是高溫的影響，滑動(dòng)力在自然衰減并且下降到超出標(biāo)準(zhǔn)的程度，這種情況不可接受，因此必須尋找方案解決這個(gè)問(wèn)題。

3.3 設(shè)計(jì)分析及改進(jìn)

為了解決上述提到的滑動(dòng)摩擦力不穩(wěn)定的問(wèn)題，接下來(lái)對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的滑動(dòng)力來(lái)源進(jìn)行深入研究。

3.3.1天窗遮陽(yáng)板滑動(dòng)力來(lái)源

截取遮陽(yáng)板滑腳在導(dǎo)軌滑槽里裝配的細(xì)節(jié)圖，如下圖：其中G是遮陽(yáng)板本身的重力，F(xiàn)是裝配后彈片結(jié)構(gòu)由于變形而受到上導(dǎo)軌滑槽面的擠壓力，F(xiàn)是下導(dǎo)軌滑槽面向上的支撐力。由于遮陽(yáng)板在垂直方向上沒(méi)有位移，我們知道F= F+G。

圖4 遮陽(yáng)板滑腳在導(dǎo)軌內(nèi)的受力圖

根據(jù)摩擦學(xué)，摩擦系數(shù)只和接觸面的兩種材料有關(guān)，而和面積沒(méi)有關(guān)系。由此我們可以得出遮陽(yáng)板在滑動(dòng)過(guò)程中受到的摩擦力：F+uF，再將公式F= F+G代入，可得出如下結(jié)論：F+uG。在這個(gè)例子中，和都是固定值。唯一可變的是公式中的F，由于滑角POM塑料材料彈片結(jié)構(gòu)，在外力（如路面振動(dòng)）以及環(huán)境（如溫度，濕度）變化的作用下，必定會(huì)產(chǎn)生蠕變。變形產(chǎn)生后，上滑槽面對(duì)滑腳的擠壓力即F會(huì)逐漸衰減，逐步導(dǎo)致了天窗遮陽(yáng)板的滑動(dòng)力衰減。

3.3.2控制滑動(dòng)力不穩(wěn)定因素

針對(duì)上述分析根本原因，如果控制F不隨著時(shí)間在外力以及環(huán)境變化作用下變化，就可以解決遮陽(yáng)板滑動(dòng)力衰減的問(wèn)題。最終我們的解決方案產(chǎn)生了，在上述塑料彈片形狀（圖3，結(jié)構(gòu)4）下面再增加一個(gè)仿形的小金屬?gòu)椘慵?。由于彈片是合金材料，在外力以及環(huán)境變化中非常穩(wěn)定，所以擠壓力F非常穩(wěn)定，不產(chǎn)生衰減。

最終樣品的驗(yàn)證證明了這點(diǎn)，在經(jīng)過(guò)環(huán)境交變以及振動(dòng)試驗(yàn)之后，遮陽(yáng)板的滑動(dòng)力仍然可以穩(wěn)定在10N以上，滑動(dòng)力問(wèn)題解決了。

4 結(jié)論與展望

新型蜂窩型聚氨酯發(fā)泡材料的遮陽(yáng)板, 通過(guò)一系列的設(shè)計(jì)改進(jìn)研究，在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后正式在天窗項(xiàng)目上實(shí)施并量產(chǎn)，由于這種新設(shè)計(jì)遮陽(yáng)板質(zhì)量輕，成本低，給公司帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益和客戶體驗(yàn)。在整個(gè)新概念遮陽(yáng)板開(kāi)發(fā)的探討過(guò)程中，我們基于產(chǎn)品性能的需求，深入分析改進(jìn)了具體結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方式，最終完美解決遇到的技術(shù)難題。此材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)用的創(chuàng)新，可作為汽車天窗產(chǎn)品開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的范例，為后續(xù)更多新技術(shù)應(yīng)用或者創(chuàng)新發(fā)明提供了參考。

[1] 洪鵬.關(guān)于汽車天窗[J].汽車實(shí)用技術(shù),2003(10):37-38.

[2] 譚立國(guó),張淑立.汽車遮陽(yáng)板的設(shè)計(jì)[J].天津汽車,2002(03):17-20.

[3] 楊英惠（摘譯）.熱塑性聚酯塑料可防止汽車遮陽(yáng)板彎曲[J].現(xiàn)代材料動(dòng)態(tài),2006(5):8-9.

[4] 劉燕霞.汽車天窗設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].汽車與配件,2014(23):64-65.

Preliminary Research on Application of Cellular Polyurethane Foaming Material to Automobile Sunroof Sunshade

Hu Yong

( CIE Golde Shanghai Innovation Co., Ltd., Shanghai 200131 )

Nowadays, cars are increasingly equipped with sunroof systems based on people's individual needs. There is a small-sized sunroof that needs to be equipped with sunshade components on the interior headlining to provide light transmission and ventilation when passengers need it. Traditional automotive sunroof sunshade component usually use electrophoretic paint-treated iron plates or plastic materials as substrate materials. These two types of sunshade are relatively heavy, relatively complex in design, and costly. Therefore, we envisage the use of cellular polyurethane foam material as the substrate material of the sunroof sunshade, instead of iron plates or plastic materials. This article mainly discusses the process of developing this kind of honeycomb polyurethane foam material sunshade component and the technical problems to be solved.

Car sunroof; Honeycomb type; Polyurethane foam; Sunshade

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.037

U465

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胡勇（1982.12-），男，工程師主管，本科學(xué)位，就職于西艾科德管理（上海）有限公司，研究方向：汽車天窗及零部件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。