轿车天窗设计和开发分析

韩小伟，王文龙

轿车天窗设计和开发分析

韩小伟1，王文龙2

（1.芜湖职业技术学院，安徽 芜湖 241003； 2.邢台职业技术学院，河北 邢台 054035)

天窗系统已逐渐成为各个汽车厂家生产轿车的标准配置，天窗在汽车前期设计开发中牵涉面较广,涉及到和周边部件的配合质量和运动空间校核等,直接关乎到汽车的驾乘舒适性和运行安全性。所以做好天窗前期设计开发工作十分重要。文章通过对某车型新开发设计天窗过程中的问题进行归纳总结,以期为相关领域工作人员提供一定的参考。

轿车天窗；结构设计；产品开发；轿车外饰

汽车顶部的天窗不仅起到装饰作用，更发挥着许多实际作用。一方面，车内乘客可以控制天窗闭合运动以有效调节明亮度，并将清新的空气自然地在车内循环以使得室内空气通风换气，提升驾驶舒适性和安全性；另一方面是在人机工程方面，不流通和含氧量低的空气会使驾驶员疲倦，打开天窗可以使空气流通性增加，清新流通的空气会使得驾驶者头脑清醒，警觉性提高，减少司机的疲劳感并可以预防交通事故；此外，天窗的价值还体现在开阔驾乘视野、减少汽车能量损耗、降低行驶噪音、玻璃除霜除雾、移动摄影摄像等方面。

一、天窗结构和材料分析

1.天窗系统简介

天窗类型很多，按照运动行程来分，分为全景天窗（含敞篷式）和半景天窗；按照动力方式可分为手动天窗和电动天窗。手动天窗主要由上部骨架、玻璃组合、手柄组合、内密封圈等部件组成，具有玻璃可拆卸、可分步锁止、结构简单、维护方便、价格较低、重量较轻的特性，但玻璃不能前后移动，只能上下运动。电动天窗又分为内滑式天窗和外滑式天窗。内滑式天窗是较为常用的一种天窗类型，顾名思义，是指天窗在车顶盖内部运动，可有效降低行驶噪音并且易于保养，同时具有尾部上升抬起功能，其下部装配有遮阳板，具有结构复杂、价格较高、重量较大、安装困难的特性。外滑式电动天窗，是玻璃在车顶外部滑行的一种运动形式，具有结构一般、价格适中、安装容易的特性[1]。天窗功能一般有上掀、移动、关闭、遮阳板随玻璃运动功能，同时为了操作舒适性和安全性考虑，还可设计有感知、防夹、一键启动、软停止、玻璃微调等功能。

2.结构及材料规格

电动天窗一般由驱动结构、滑动机构、排水机构和密封机构构成。驱动机构包括电动机、微电脑、传感器、控制开关、运动机构和拉线等；滑动机构主要指滑轨轨道部分、排水机构包括两侧排水槽和各部分导水管等[2]。密封机构是指其运动玻璃和周围密封圈组合，以常见的轿车内藏式电动天窗为例，说明天窗的结构及对应的材料和规格，图1为电动天窗主要零部件爆炸示意图。

图1 电动天窗主要零部件爆炸示意图

表1 电动天窗主要零部件示意图

二、天窗的开发流程

天窗结构复杂，对配合质量和使用性能技术要求较高，同时设计开发周期较长，对于全新开发的车型，主机厂和供应商要做好开发同步配合工作，合理的开发流程见表2。

表2 开发流程

三、天窗特性及结构设计分析

天窗系统在装配时须满足装车性、密封性、作动性、外观性等基本性能要求；装车性是指天窗和车顶盖装配孔的配合，与车顶的间隙，与顶棚的配合，玻璃弧度与车顶弧度的匹配性，遮阳板绒布与顶棚绒布的配合情况；密封性指玻璃组合与车顶开口部的配合；作动性是指天窗装在车体上的作动性能；外观性是玻璃弧度与车顶弧度的匹配性，遮阳板绒布与顶棚绒布的配合情况[3]。

天窗在设计之初要考虑的问题是分析其功能和整车总布置关系，如空间问题（运动和装配）、配合问题（与周边顶棚、横梁、遮阳板、扶手、灯具等）、人机工程布置问题（遮阳板相对于H点的布置）。其次需要计算车身顶部顶盖的开孔尺寸（长×宽）、玻璃曲率变化和安装孔的曲率变化范围（在车顶中分面沿着X、Y、Z三个方向），天窗总布置曲率变化的如图2所示。

图2 天窗总布置曲率变化

需要注意的是，为防止后期出现天窗漏水现象，天窗设计中要着重考虑密封问题。一方面需要在其内侧设计流水槽，另一方面要在天窗框架上设计密封橡胶，还要沿着流水槽的缝隙漏水出设计导水管，利用导水管和流水槽将缝隙处漏下的水引到车外。

为提升天窗的使用性能，防止后期产生漏雨、异响、工作噪音大和运动干涉等问题，在产品设计之初就需要注意配合间隙和尺寸公差质量，天窗各配合间隙要求（单位：毫米）

图3 装配要求

天窗玻璃窗组合中玻璃板一般设计颜色为可反射阳光的褐色，厚度4mm，周边加装植绒玻璃密封条，可防漏水、防噪声，同时加设玻璃固定板，以固定玻璃并将之装配在控制机构滑槽板上。下部设有遮阳板总成，可在关闭时起到遮光作用，打开后又可将光线照进车厢。为了固定其和顶棚配合的周边强度，以防止顶棚开孔边下落，需要在遮阳板周边设计密封圈[4]。天窗骨架总成需要设计9个安装支架以保证安装强度，左右两侧各3个，设计在横梁结合点位置最佳，主要用于安装前后后支架和备用孔，用它们来调整天窗左右间隙和高度。在骨架总成前区为了安装固定和调整天窗高度及前后间隙，同样需要设计3个安装支架为佳。

四、天窗技术要求

1.主要性能要求

天窗须满足两项国家强检标准是GB8410-94（汽车内饰材料的耐燃烧特性）和汽车玻璃3C标准，此外，出口车辆还要满足相关的国际标准是欧洲ECE NO21（内部突起：车内具有依规定制定的安全构造）、欧洲ECE NO26（外部突起：车内具有依规定制定的安全构造）、美国FMVSS NO303（难燃性：车内的内装材的难燃性）、美国FMVSS NO205（玻璃的安全基准）、电动天窗应符合本标准的要求，并按经规定程序批准的产品图样及设计文件制造生产。

2.基本要求

（1）外观、形状、颜色：检查是否有变形破裂的危害，检查其磨损情形，尺度或与样品作比较，不应有影响其商品价值的缺陷。

（2）操作性：在15V电压下操作下，一般温度时，其操作速度为1±0.35s/mm，负载下的电压须介于11~15V。

（3）玻璃松脱程度：在玻璃关闭状况下，当施加5Kg力在顶盖时，玻璃的纵向晃动量在1.0mm之内。

（4）玻璃维持性：须按保持强度实验方法（13-2B）检测。机构不应该发生作动终止，实验后机构不应该作动终止，并保持关闭状态。

（5）玻璃刚性：按保持强度实验方法（13-2C）检测。向下偏移量：小于3mm，向上偏移量：（2-1）P1 T0 P4：小于2mm，P5：小于5mm，P6：小于3mm。

（6）遮阳盖挡块强度之操作力：操作力的测量位置在遮阳盖的把手位置处。操作力不能低于遮阳盖的重量也不能超过25N，最大操作力须小于35N，且挡块不可产生危害。

（7）遮阳盖刚性：依遮阳盖刚性实验方法（13-2E）检测。位移量小于9mm。

（8）作动异音：于实际装车状态下，背景噪音40dB以下，于马达正下方及底板后300mm处测量。异音在70db以下。

（9）异常噪音：在实车驱动的状况下或在底盘加振动的情况下检测，不可有松动、干涉、摩擦等的异音。

（10）放锈、放腐蚀：目测不可有腐蚀。

（11）电流值：应在实际的条件下测量，电源供应：13.5V。作动时工作电流低于11A、阻挡时电流低于30A。

（12）马达噪音：在作动时，测量马达噪音、测量电压波动。噪音规范依28 400 NDS 21规范，低频起伏：300以下，高频起伏：300V以下

（13）电路装置特性：马达特性，马达应在实际装配中15V电压情况下自锁，并且第一次开启须作动。开启的时间必须被测。

（14）漏油率：须目视检查，不可有漏油现象。

（15）密封性：下列实验须执行，排水管不可有漏水现象，并车室内不可有漏水。

天窗设计既要重视和供应商前期的产品定义、性能要求等技术沟通工作，也要强调后期完成后进行充分的尺寸装配、运动校核和性能匹配工作，对于刚性要求比较高的零部件一定要在结构和模具设计之初就要充分机型CAE及Moldflow 辅助验证[5]，对其结构进行优化，同时应严格控制车身顶盖的配合质量，特别是顶盖开口尺寸和顶盖横梁的配合质量。

[1]郑勇军，原绍鹏.汽车天窗在前期开发中的研究[J].轻型汽车技术，2015（Z4）：18-20.

[2]蒋振宇.结构优化在汽车天窗设计中的应用[J].汽车实用技术，2017（05）：7-9.

[3]化文波.汽车天窗的结构与维护[J].汽车维修，2006（10）：38-39.

[4]刘燕霞.汽车天窗设计及试验验证[J].汽车与配件，2014（23）：64-65.

[5]金婉如.基于UG的汽车天窗设计和开发[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2005.

Analysis of Design and Development of Car Sunroof System.

HAN Xiao-wei1，WANG Wen-long2

（1.Wuhu institute of technology, Wuhu, Anhui 241003, China; 2. Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China）

The sunroof system has gradually become the standard sedan car features of all the manufacturers. It impacts widely in the early stage of the automotive design and development and involves the fit quality and movement space proofread with the surrounding parts, which is directly related to the car comfort and safety. Therefore, it is very important to design and develop the sunroof system. This paper summarizes the problems in the new development and design of a new model, in order to provide some references for the relevant field staff.

car sunroof; structural design; product development; car exterior trim

U469.72

A

1008—6129（2018）01—0080—05

2018—01—06

安徽省高校省级质量工程——“名师工作室”，项目编号：2014msgzs173；安徽省高校省级质量工程——“高校自然科学研究重点项目”，项目编号：KJ2016A755；安徽省高校省级质量工程——“专业综合改革试点”，项目编号：2014sjjd074；安徽高校省级质量工程——“专业综合改革试点”，项目编号：2015zy087。

韩小伟（1980—），安徽阜阳人，芜湖职业技术学院，讲师。