滑动外翻式汽车全景天窗设计

吴涛

摘要：滑动外翻式汽车全景天窗视野开阔、通风良好，因而备受广大消费者青睐。本文通过分析滑动外翻式全景天窗的运动机构，确定其结构形式、主体结构尺寸，以及主要零、部件的结构尺寸及其选型，通过计算选定电动天窗马达，最终利用进行Solidworks三维实体设计。整个设计过程都是依据设计规范和设计标准进行的，设计满足工程设计要求。

关键词：全景天窗；Solidworks；三维设计

引言

全景式天窗是指安装于汽车顶部、主体材料为玻璃的车身部件，并且该部件有部分能够由电机驱动并通过传动机构将天窗玻璃沿滑槽前后移动、倾斜启闭，且能按要求停留在任意位置。本文在充分总结前人对于全景式天窗设计与使用的基础上，分析现有某款车厢对于全景式天窗的设计需求，在此基础上进行结构设计和材料选型计算，并且形成三维实体造型和控制系统的设计。

1、设计需求分析

滑动外翻式汽车全景天窗的设计主要从主体结构、控制系统、实现功能和适用性等方面入手。通过对主体结构及相关零部件设计、选型、校核，确定其控制系统，然后综合的视线所需要的功能，最后根据其结构特点、功能及造价来确定适用范围。设计之前先确定设计产品的基本情况，再根据设计要求制定基本方案。以下列出了本设计的一些基本要求。

主要用于中高档小轿车，且便于维修更换，占用空间小，总体布局简洁；

（1）动作幅度小，速度较缓，冲击小；

（2）最大载荷量定为200N；

（3）运动平稳性好；

（4）全电动控制操作，按钮启动控制升降；

（5）工作环境要求：不宜风沙过大室外进行频繁操作；

（6）性能可靠，成本低廉，便于移动，无其他附属功能及特殊功能。

各部件设计执行标准如下：

（1）GB/T2828 逐批检查技术抽样程序抽样表

（2）QC/T625汽车用涂镀层和化学处理层

（3）GB/T17340汽车安全玻璃的尺寸、形状、外观

（4）GB9656 汽车用安全玻璃

（5）GB/T12421客车门窗用橡胶密封条

（6）QC/T413汽车电器设备基本技术条件

2、总体结构虚拟设计

2.1 总体设计

滑动外翻式汽车全景天窗由防护架、密封条、玻璃盖板、加强板、导向件、导轨、电机总成构成。具体如图1所示。

2.2 护架结构设计

防护架是支承天窗的主要部件，其主要设计为U型。结构如图2所示。防护框上装有玻璃盖板、导轨、电机总成、还有加强板。装有电机的一端与车体前部相连接，另一端与车体尾部相连接，其内部则装有导轨。

图1天窗总成实体图

图2防护框

2.3 导向机构设计

导向件分为前部导向件和后部导向件，主要承担玻璃盖板的外翻与滑动动作。如图3、4所示。其中导向件中由滑动配件、连接杆和外翻配件组成。在滑动部件的两端各装有两个滑轮，滑轮可以轨上滑动，这样的设计大大减小了摩擦阻力。外翻配件前端通过连接杆与滑动部件连接，后端与玻璃盖板连接孔接。

图3前部导向件结构

图4前部导向件爆炸图

后部导向件结构与前部导向件结构相似，同样由滑动配件、连接杆、外翻配件构成，其结构如图5、6所示。

图5后部导向件总成

图6后部导向件爆炸图

3、天窗的动力学和力学校核

3.1动力学校核

本设计中玻璃盖板导件机构设计基本参照如下的运动学方程。

上式中：

H——任意位置导件的高度；

C——任意位置导件到初始打开点的距离；

L——导轨的长度；

l——支撑杆固定铰支点最右侧盖板的距离；

T——机架长度；

β——玻璃盖板与水平线的夹角。

在设计中，导轨长度L=1.3m，支撑杆固定铰支点最右侧盖板的距离l=0.07m，机架长度T=0.15m。

举升时

回拉时：

在上式中，

P——电机作用于钢丝绳上的拉力；

Q——举升机构所承受的重力载荷；

f——滚动摩擦系数；

α——玻璃盖板与垂直线的夹角。

由于滚动轮与导向槽之间为滚动摩擦，摩擦系数很小（f=0.01）,为简化计算，或忽略不计，可简化为：

PQ=Lcosαlsin(α+β)。

可算出r=PQ=1.3cosα0.07sin(α+β)=1.74>0,r为动阻比，大于零，所以设计符合要求。

3.2 导轨件力学校核

此滑动外翻式全景天窗中，导件所受的力如图所示1所示。

图7导件受力分析

（1）工作载荷

Fg=P=165.62N.

（2）导轨摩擦载荷Ff

对于有导轨以固定运动方向的运动副来说，导轨摩擦相对于总载荷可以忽略不计，因此Ff=0。

（3）惯性载荷Fα，

Fα=ma=6*0.27N=160.4N.

以上三种载荷之和称为导轨件的外载荷Fw。

起动加速时Fw=Fg+Ff+Fα=326.02N；

稳态运动时Fw=Fg+Ff=165.62N；

减速制动时Fw=Fg+Ff-Fα=558.2N。

工作载荷Fg并非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则Fg=0。但在计算和校核时，应按照最大值取。

其受力为F=Fwηm=4270.95=449.47N>Fw，所以选型正确。

4、结束语

［参考文献］

［1］吴宗泽，罗圣国主编.机械设备设计手册.北京:高等教育出版社,2006.5.

［2］哈尔滨工业大学教研室.理论力学,北京：高等教育出版社，2002.8.

［3］北京机械工业学院学报,2000 ,15.

［4］郭华，机械设备控制系统上位机监控软件的实现计算机自动测量,2001.9.

（作者单位：宁夏大学 机械工程学院 ，宁夏 银川750021）

摘要：滑动外翻式汽车全景天窗视野开阔、通风良好，因而备受广大消费者青睐。本文通过分析滑动外翻式全景天窗的运动机构，确定其结构形式、主体结构尺寸，以及主要零、部件的结构尺寸及其选型，通过计算选定电动天窗马达，最终利用进行Solidworks三维实体设计。整个设计过程都是依据设计规范和设计标准进行的，设计满足工程设计要求。

关键词：全景天窗；Solidworks；三维设计

引言

全景式天窗是指安装于汽车顶部、主体材料为玻璃的车身部件，并且该部件有部分能够由电机驱动并通过传动机构将天窗玻璃沿滑槽前后移动、倾斜启闭，且能按要求停留在任意位置。本文在充分总结前人对于全景式天窗设计与使用的基础上，分析现有某款车厢对于全景式天窗的设计需求，在此基础上进行结构设计和材料选型计算，并且形成三维实体造型和控制系统的设计。

1、设计需求分析

滑动外翻式汽车全景天窗的设计主要从主体结构、控制系统、实现功能和适用性等方面入手。通过对主体结构及相关零部件设计、选型、校核，确定其控制系统，然后综合的视线所需要的功能，最后根据其结构特点、功能及造价来确定适用范围。设计之前先确定设计产品的基本情况，再根据设计要求制定基本方案。以下列出了本设计的一些基本要求。

主要用于中高档小轿车，且便于维修更换，占用空间小，总体布局简洁；

（1）动作幅度小，速度较缓，冲击小；

（2）最大载荷量定为200N；

（3）运动平稳性好；

（4）全电动控制操作，按钮启动控制升降；

（5）工作环境要求：不宜风沙过大室外进行频繁操作；

（6）性能可靠，成本低廉，便于移动，无其他附属功能及特殊功能。

各部件设计执行标准如下：

（1）GB/T2828 逐批检查技术抽样程序抽样表

（2）QC/T625汽车用涂镀层和化学处理层

（3）GB/T17340汽车安全玻璃的尺寸、形状、外观

（4）GB9656 汽车用安全玻璃

（5）GB/T12421客车门窗用橡胶密封条

（6）QC/T413汽车电器设备基本技术条件

2、总体结构虚拟设计

2.1 总体设计

滑动外翻式汽车全景天窗由防护架、密封条、玻璃盖板、加强板、导向件、导轨、电机总成构成。具体如图1所示。

2.2 护架结构设计

防护架是支承天窗的主要部件，其主要设计为U型。结构如图2所示。防护框上装有玻璃盖板、导轨、电机总成、还有加强板。装有电机的一端与车体前部相连接，另一端与车体尾部相连接，其内部则装有导轨。

图1天窗总成实体图

图2防护框

2.3 导向机构设计

导向件分为前部导向件和后部导向件，主要承担玻璃盖板的外翻与滑动动作。如图3、4所示。其中导向件中由滑动配件、连接杆和外翻配件组成。在滑动部件的两端各装有两个滑轮，滑轮可以轨上滑动，这样的设计大大减小了摩擦阻力。外翻配件前端通过连接杆与滑动部件连接，后端与玻璃盖板连接孔接。

图3前部导向件结构

图4前部导向件爆炸图

后部导向件结构与前部导向件结构相似，同样由滑动配件、连接杆、外翻配件构成，其结构如图5、6所示。

图5后部导向件总成

图6后部导向件爆炸图

3、天窗的动力学和力学校核

3.1动力学校核

本设计中玻璃盖板导件机构设计基本参照如下的运动学方程。

上式中：

H——任意位置导件的高度；

C——任意位置导件到初始打开点的距离；

L——导轨的长度；

l——支撑杆固定铰支点最右侧盖板的距离；

T——机架长度；

β——玻璃盖板与水平线的夹角。

在设计中，导轨长度L=1.3m，支撑杆固定铰支点最右侧盖板的距离l=0.07m，机架长度T=0.15m。

举升时

回拉时：

在上式中，

P——电机作用于钢丝绳上的拉力；

Q——举升机构所承受的重力载荷；

f——滚动摩擦系数；

α——玻璃盖板与垂直线的夹角。

由于滚动轮与导向槽之间为滚动摩擦，摩擦系数很小（f=0.01）,为简化计算，或忽略不计，可简化为：

PQ=Lcosαlsin(α+β)。

可算出r=PQ=1.3cosα0.07sin(α+β)=1.74>0,r为动阻比，大于零，所以设计符合要求。

3.2 导轨件力学校核

此滑动外翻式全景天窗中，导件所受的力如图所示1所示。

图7导件受力分析

（1）工作载荷

Fg=P=165.62N.

（2）导轨摩擦载荷Ff

对于有导轨以固定运动方向的运动副来说，导轨摩擦相对于总载荷可以忽略不计，因此Ff=0。

（3）惯性载荷Fα，

Fα=ma=6*0.27N=160.4N.

以上三种载荷之和称为导轨件的外载荷Fw。

起动加速时Fw=Fg+Ff+Fα=326.02N；

稳态运动时Fw=Fg+Ff=165.62N；

减速制动时Fw=Fg+Ff-Fα=558.2N。

工作载荷Fg并非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则Fg=0。但在计算和校核时，应按照最大值取。

其受力为F=Fwηm=4270.95=449.47N>Fw，所以选型正确。

4、结束语

［参考文献］

［1］吴宗泽，罗圣国主编.机械设备设计手册.北京:高等教育出版社,2006.5.

［2］哈尔滨工业大学教研室.理论力学,北京：高等教育出版社，2002.8.

［3］北京机械工业学院学报,2000 ,15.

［4］郭华，机械设备控制系统上位机监控软件的实现计算机自动测量,2001.9.

（作者单位：宁夏大学 机械工程学院 ，宁夏 银川750021）

摘要：滑动外翻式汽车全景天窗视野开阔、通风良好，因而备受广大消费者青睐。本文通过分析滑动外翻式全景天窗的运动机构，确定其结构形式、主体结构尺寸，以及主要零、部件的结构尺寸及其选型，通过计算选定电动天窗马达，最终利用进行Solidworks三维实体设计。整个设计过程都是依据设计规范和设计标准进行的，设计满足工程设计要求。

关键词：全景天窗；Solidworks；三维设计

引言

全景式天窗是指安装于汽车顶部、主体材料为玻璃的车身部件，并且该部件有部分能够由电机驱动并通过传动机构将天窗玻璃沿滑槽前后移动、倾斜启闭，且能按要求停留在任意位置。本文在充分总结前人对于全景式天窗设计与使用的基础上，分析现有某款车厢对于全景式天窗的设计需求，在此基础上进行结构设计和材料选型计算，并且形成三维实体造型和控制系统的设计。

1、设计需求分析

滑动外翻式汽车全景天窗的设计主要从主体结构、控制系统、实现功能和适用性等方面入手。通过对主体结构及相关零部件设计、选型、校核，确定其控制系统，然后综合的视线所需要的功能，最后根据其结构特点、功能及造价来确定适用范围。设计之前先确定设计产品的基本情况，再根据设计要求制定基本方案。以下列出了本设计的一些基本要求。

主要用于中高档小轿车，且便于维修更换，占用空间小，总体布局简洁；

（1）动作幅度小，速度较缓，冲击小；

（2）最大载荷量定为200N；

（3）运动平稳性好；

（4）全电动控制操作，按钮启动控制升降；

（5）工作环境要求：不宜风沙过大室外进行频繁操作；

（6）性能可靠，成本低廉，便于移动，无其他附属功能及特殊功能。

各部件设计执行标准如下：

（1）GB/T2828 逐批检查技术抽样程序抽样表

（2）QC/T625汽车用涂镀层和化学处理层

（3）GB/T17340汽车安全玻璃的尺寸、形状、外观

（4）GB9656 汽车用安全玻璃

（5）GB/T12421客车门窗用橡胶密封条

（6）QC/T413汽车电器设备基本技术条件

2、总体结构虚拟设计

2.1 总体设计

滑动外翻式汽车全景天窗由防护架、密封条、玻璃盖板、加强板、导向件、导轨、电机总成构成。具体如图1所示。

2.2 护架结构设计

防护架是支承天窗的主要部件，其主要设计为U型。结构如图2所示。防护框上装有玻璃盖板、导轨、电机总成、还有加强板。装有电机的一端与车体前部相连接，另一端与车体尾部相连接，其内部则装有导轨。

图1天窗总成实体图

图2防护框

2.3 导向机构设计

导向件分为前部导向件和后部导向件，主要承担玻璃盖板的外翻与滑动动作。如图3、4所示。其中导向件中由滑动配件、连接杆和外翻配件组成。在滑动部件的两端各装有两个滑轮，滑轮可以轨上滑动，这样的设计大大减小了摩擦阻力。外翻配件前端通过连接杆与滑动部件连接，后端与玻璃盖板连接孔接。

图3前部导向件结构

图4前部导向件爆炸图

后部导向件结构与前部导向件结构相似，同样由滑动配件、连接杆、外翻配件构成，其结构如图5、6所示。

图5后部导向件总成

图6后部导向件爆炸图

3、天窗的动力学和力学校核

3.1动力学校核

本设计中玻璃盖板导件机构设计基本参照如下的运动学方程。

上式中：

H——任意位置导件的高度；

C——任意位置导件到初始打开点的距离；

L——导轨的长度；

l——支撑杆固定铰支点最右侧盖板的距离；

T——机架长度；

β——玻璃盖板与水平线的夹角。

在设计中，导轨长度L=1.3m，支撑杆固定铰支点最右侧盖板的距离l=0.07m，机架长度T=0.15m。

举升时

回拉时：

在上式中，

P——电机作用于钢丝绳上的拉力；

Q——举升机构所承受的重力载荷；

f——滚动摩擦系数；

α——玻璃盖板与垂直线的夹角。

由于滚动轮与导向槽之间为滚动摩擦，摩擦系数很小（f=0.01）,为简化计算，或忽略不计，可简化为：

PQ=Lcosαlsin(α+β)。

可算出r=PQ=1.3cosα0.07sin(α+β)=1.74>0,r为动阻比，大于零，所以设计符合要求。

3.2 导轨件力学校核

此滑动外翻式全景天窗中，导件所受的力如图所示1所示。

图7导件受力分析

（1）工作载荷

Fg=P=165.62N.

（2）导轨摩擦载荷Ff

对于有导轨以固定运动方向的运动副来说，导轨摩擦相对于总载荷可以忽略不计，因此Ff=0。

（3）惯性载荷Fα，

Fα=ma=6*0.27N=160.4N.

以上三种载荷之和称为导轨件的外载荷Fw。

起动加速时Fw=Fg+Ff+Fα=326.02N；

稳态运动时Fw=Fg+Ff=165.62N；

减速制动时Fw=Fg+Ff-Fα=558.2N。

工作载荷Fg并非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则Fg=0。但在计算和校核时，应按照最大值取。

其受力为F=Fwηm=4270.95=449.47N>Fw，所以选型正确。

4、结束语

［参考文献］

［1］吴宗泽，罗圣国主编.机械设备设计手册.北京:高等教育出版社,2006.5.

［2］哈尔滨工业大学教研室.理论力学,北京：高等教育出版社，2002.8.

［3］北京机械工业学院学报,2000 ,15.

［4］郭华，机械设备控制系统上位机监控软件的实现计算机自动测量,2001.9.

（作者单位：宁夏大学 机械工程学院 ，宁夏 银川750021）