乘用车天窗加强框结构的优化研究

熊 志 寻 璋

（珠海市玛斯特五金塑料制品有限公司，珠海 519000）

天窗是大多数汽车中一个普遍的设计，随着外资及合资品牌的汽车逐渐进入中国市场，汽车制造企业间的竞争越来越激烈。这使得汽车中天窗的结构设计要求不断提升，不仅要保证它具有良好的功能，还要确保它的美观。

1 天窗、车身、顶盖介绍

1.1 汽车天窗类别

根据定岗尺寸和顶盖形式，汽车天窗可以分为单天窗、双天窗、全景天窗三类，如图1所示。常见的天窗开启方式也可分为三类，即内藏式、外滑式和内藏外翻式。

图1 天窗分类

1.1.1 单天窗

单天窗最大的特点是占盖比例小，多数布置位置位于前排座椅正上侧。单天窗通常应用的车型为SUV、MPV和各类轿车，其中MPV车型的单天窗与其他车型有所差异，通查设置在第二排座椅的正上方。

1.1.2 双天窗

双天窗多数应用于MPV车型，即在MPV车顶盖处布置两个单天窗，布置方式为一前一后，前天窗布置在前排座椅上方，后天窗布置在第二个座椅上方。

1.1.3 全景天窗

全景天窗通常会占汽车顶盖尺寸的2/3，甚至一些车型会将整个顶盖都设置为玻璃顶盖。

1.2 单天窗类车型车身及顶盖组成

采用单天窗的车型，从外观来讲，其顶盖通常包括天窗总成和顶盖钣金。图2显示的是顶盖钣金，其组成部件有外板、顶盖前横梁、顶盖加强横梁、顶盖尾横梁、天窗加强梁等。其中，天窗加强梁为核心部件，它对天窗起到了安装和承载的作用。

2 天窗加强结构优化方案

2.1 顶盖开口优化方案

顶盖钣金开口的尺寸，通常以天窗的尺寸大小作为依据，其设计原则为顶盖钣金开口须满足天窗的密封性能，确保在开启/关闭天窗过程中不会出现刮擦密封胶条现象，进而造成天窗接口处出现缝隙，导致天窗漏水。在围绕钣金进行细节结构设计期间，设计师主要关注顶盖的以下几处位置及其尺寸，如图3、图4所示。

图2 应用单天窗车型的顶盖结构

图3 汽车顶盖开口结构优化（一）

图4 汽车顶盖开口结构优化（二）

图3 中断面A尺寸，即a1为汽车天窗胶条的密封面，以天窗胶条的设计要求为依据，a2尺寸通常设计值为2mm，以有效减小天窗运动期间钣金对胶条的刮擦。此外，尺寸a3的值通常会设置为2mm，其目的是为了保证天窗处于开启状态时外观的美观程度。

图3中断面B为顶盖转角的位置，因为顶盖冲压带来的限制，因此转角处无法采用与断面A相同的设计形式，在对尺寸b进行设计时，不仅要保证胶条的密封程度，还要保证其在天窗运动期间不会与钣金形成刮擦现象。考虑到冲压成型要求，通常情况下转角尺寸设计为15mm。

在内藏式天窗开启过程中，天窗从前向后运动，因此断面C不能采用断面B的设计形式，从图4可以看出，以满足天窗固有密封面的尺寸要求为基础，同时需要对钣金止口部位设计翻边，对于翻边的要求为：翻遍长度、角度（c1、c2）以天窗运动包络为依据，通常情况下参考尺寸为：长度2.5～4mm，角度117°～140°；设计c3尺寸时，在满足天窗运动包络含有足够的间隙基础上，保证将加强版遮挡，进而确保开启天窗后钣金外观的美观程度。

图4中所示的断面D为顶盖开口后方，通常情况对其采用包边结构，对其进行设计时，需要在满足运动包络间隙、满足胶条密封面尺寸的基础上，以制造厂商对包边机构的要求为依据进行设计，其市面上较为成熟的结构为：d1/d2/d3/d4=10.5mm/2mm/50°/2mm，此外，要求R1/R2/R3的半径≥2mm。

2.2 前横梁结构优化方案

顶盖前横梁通常设置在前顶灯位置，电机设置在天窗前方位置，在对前横梁设计期间，除了要满足车身性能，还需重点对顶盖前梁与天窗之间的设计间隙进行确认，要求最小间隙不得小于10mm，图5为前横梁与天窗电机间隙示意图。

图5 前横梁与天窗电机间隙示意图

2.2.1 侧围与加强框连接形式

天窗加强框与天窗侧围通过支脚结构进行连接，通常连接支脚布置在加强框的前方与后方，其主要可分为三种支脚形式，即整体式、分体式和综合式，如表1所示。

整体式是指加强框自带连接支脚的形式，具有精度高、强度好的特性，但是其材料利用率较低；分体式事指加强框利用连接支架连接侧围，与整体式相比，分体式精度、强度都略差，但具备较高的材料利用率；综合式是指加强框后侧自带连接支脚，前方利用支架与侧围进行连接。

表1 加强框支脚形式

2.2.2 加强框关键尺寸优化方案

在对加强框的关键尺寸进行设计时，需要以天窗总成的尺寸大小、总成重量、材料的利用率等一系列综合条件作为依据，如图6所示。根据市场上成熟产品的调研结果，加强框关键尺寸的设计可参考表2的数据。

图6 加强框关键尺寸设计

表2 市场成熟加强框尺寸参数

2.2.3 运动校核

对天窗的运动校核，即对运动包络、顶盖钣金之间的间隙进行运动校核，通常要求其不得小于10mm，若设置不合理的间隙，则会影响天窗开启/关闭功能的正常使用。

3 结语

随着国民经济的持续发展，人们对汽车配置的要求日益增高，汽车天窗的合理配置直接决定着汽车产品的用户体验度。因此，汽车厂家为迎合消费者对体验度的要求，就须不断优化汽车生产工艺，在确保质量的同时满足外观精细的要求。

[1]刘文章，何景武.机身加强框结构刚度优化设计研究[J].强度与环境，2014，（4）：41-47.

[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，（5）：7-9.