某SUV车型全景天窗顶盖总成的设计

刘善英　付静　张瑞俊　卿雕　何雷

【摘 要】文章介绍了某全景天窗车型顶盖总成开发过程，主要针对全景天窗车型顶盖总成设计过程中的设计问题及难点加以分析、给出解决方案并进行设计验证，同时简述了全景天窗的试验要求和顶盖的尺寸控制要求，确保使其顶盖性能与指标在满足国内外相关法规要求的同时，达到国内主流合资车水平。

【关键词】全景天窗；顶盖总成；设计；分析

【中图分类号】U463.82 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）02-0055-03

1 概述

随着近20年来国内汽车市场的不断发展，国外各大汽车厂争相扎根中国，带动了中国汽车市场和汽车技术的迅猛发展，而且近10年来，国内自主汽车厂也是百花争艳，纷纷抢得自己的资源与市场，使得国内汽车行业竞争激烈，技术上也愈发成熟。同时，消费者对汽车的要求也随之转变，人们不仅仅需要一辆可以代步的汽车，更倾向于外观、舒适性、安全性及娱乐性于一体的汽车。普通天窗虽已在国内各车型上普及，技术成熟，然而尺寸较小，与外界互动性较差，而全景天窗的出现，不仅丰富了汽车的配置，更使得汽车的外观得以改变且车内更透光、舒适，为人们的旅途增添乐趣。全景天窗主要在中高档汽车上使用，目前也逐渐被国内各自主汽车厂开发和应用，汽车天窗的发展趋势无疑是全景天窗[1]。相对于外资和合资品牌而言，自主品牌在全景天窗的设计和开发上尚缺乏经验，开发难度大，主要表现在以下方面：全景天窗重达24 kg，比普通的小天窗重了1倍，全景天窗尺寸（1 360 mm×870 mm）比普通天窗尺寸（430 mm×820 mm）大了2倍多，同时全景天窗的试验验证更为严格，因此在外观品质、密封性、操作性、强度耐久性等方面的要求更高，相应地对白车身的顶盖制造精度和强度耐久性能等提出了更苛刻的要求。

2 全景天窗车型顶盖总成的可行性分析

全景天窗车型在原普通天窗车型的基础上更改结构，完成与全景天窗的匹配。因此，设计原则是新开发件少、工艺实现易、性能要求高等。主要涉及顶盖总成的更改，包括顶盖外板重新造型与结构设计、天窗加强板的设计及与白车身骨架的连接方式的更改。

2.1 造型的可行性分析及问题

（1）顶盖造型曲率分析及问题。因为全景天窗是借用的成熟产品，顶盖外板的造型需要匹配天窗的玻璃曲率进行设计，因此在造型设计过程中存在如下问题：在造型曲率与行李架布置方面的微调，造成顶盖外板靠近侧围附近曲面会有一定的扭曲，斑马线不顺（如图1所示）。

秉着感官质量优先的原则，追求更高的外观要求，重新开发行李架，顶盖外板造型微调后，纠正斑马线光顺问题（如图2所示）。

（2）顶盖造型变更后，夹具抓手布置分析及问题。顶盖外板根据全景天窗重新造型后，与原普通天窗顶盖外板面差相差较大，造成原有焊装夹具抓举不良。对比原普通天窗车型顶盖外板与全景天窗版顶盖外板面差，采取X向每100 mm取一段，在Y向则取Y=-440、Y=-490及顶盖cas面边缘处3点偏差值进行测量；共测得69个点，正偏差表示全景天窗顶盖面高，反之则低。其中，最大偏差为3.983 mm（X=1 930），最小偏差为-0.038 mm（X=1 030）。与夹具抓手有微小偏差，可通过夹具柔性切换系统来实现顶盖总成的抓手切换，解决抓举不良问题。

2.2 结构的可行性分析及难点解决

（1）难点一：天窗加强板的设计。天窗加强板的设计不同于普通天窗车型，因为零件尺寸较大，所以可分为整体式与分体式设计。整体式设计的优点是一体冲压，减少焊接工序，精度控制较好；缺点是材料利用率较低，冲压成型较难；分体式设计的优点是零件小，冲压成型好，材料利用率高；缺点是增加焊接工序，难以控制焊接精度。考虑到布置全景天窗安装孔及天窗装配时良好的精度，减少天窗加强板因拼焊带来的尺寸公差，选择整体式设计更好。

（2）难点二：顶盖总成的连接方式。全景天窗顶盖总成的焊接工艺相对普通天窗的工艺，主要是顶盖与顶盖加强板的连接方式发生改变。因为全景天窗开口尺寸大，天窗本身体积与重量均增加，所以对顶盖及加强板的要求较高。本文顶盖外板与天窗加强板的连接采用铜钎焊与结构胶相结合的形式。顶盖外板与天窗加强板采取22处铜钎焊，在天窗安装面周圈Z 向整圈采取结构胶的形式进行黏接。

3 设计验证

全景天窗质量为普通天窗的2倍多，同时顶盖总成天窗开口比普通天窗版顶盖大2倍多，这就意味着顶盖总成需要较好的刚度、强度及抗压性能。针对这些问题，本车型进行了相关的CAE分析。

CAE模型总单元数为583 948，节点数为604 439，模型中三角形单元占3.1%。所用软件有HyperWorks12.0，MD Nastran 2011，Abaqus，LSDYNA_971。

3.1 天窗加强板的强度刚度分析

模型均在全景天窗车型关闭状态下进行强度刚度分析。

工况一：X向1倍，Z向-1倍加速度，约束车身断面处6个方向的自由度，分析结果为加强板最大應力为12 MPa，最大位移为0.3 mm，满足强度刚度要求（如图3所示）。

工况二：Y向1.5倍，Z向-1倍加速度，约束车身断面处6个方向的自由度，分析结果为加强板最大应力为15 MPa，最大位移为0.3 mm，满足强度刚度要求（如图4所示）。

工况三：Z向-3倍加速度，约束车身断面处6个方向的自由度，分析结果为加强板最大应力为37 MPa，最大位移为0.9 mm，满足强度刚度要求（如图5所示）。

3.2 顶部抗压强度分析

模型描述：按照法规要求将加载装置定位，并按照加载装置进行曲线加载；约束车辆与刚性水平面相接触节点的所有自由度，按1.5倍车辆整备质量[2]，本车型为22 711 N（整车为1 545 kg），已超过法规的最大值，即22 240 N，故按照法规要求以22 240 N作为评价。分析结果显示，当载荷达到法规要求的22 240 N时，加载装置的位移分别为21 mm，顶部最大可以承受约40 800 N的力，满足法规要求（如图6所示）。

4 全景天窗试验验证项目及要求

全景天窗试验验证项目及要求见表1。

5 车身精度控制要求

为满足全景天窗外观品质、密封性、操作性等功能要求，需要更严格地控制顶盖总成的制造精度（见表2）。

6 结论

本文主要介绍了某车型新开发全景天窗的设计可行性分析、技术难点及解决措施、仿真验证分析过程。同时，介绍了全景天窗的实车试验项目的要求和车身顶盖制造精度的控制要求。本文为车身的工艺制造提出了明确的要求，同时通过CAE仿真为实车性能实现提供了可靠的理论依据，解决了项目开发涉及的主要难点问题，为后续的全景天窗车型开发及改良提供了良好的对标参考，为即将成为趋势的全景天窗车型的到来夯实了基础。

参 考 文 献

[1]佚名.中国汽车天窗行业供需态势全景调研与未来发展前景预测报告[R].中国报告网，2015.

[2]GB 26134—2010，乘用车顶部抗压强度[S].

[3]谷贺雄，窦海波.某SUV车型全景天窗车身的验证分析[J].汽车实用技，2015（8）：69-70.

[责任编辑：钟声贤]