浅析汽车车顶系统设计

关晓 刘文濠

关键词：ROOF;天窗系统;人机工程

0前言

随着我国汽车销量的快速增长，汽车给人类出行带来了很大的便利，人类的出行距离也越来越远，在汽车里呆的时间也越来越久，从而对汽车的配置要求越来越高，其中全景天窗式样深受人们喜爱。装配有天窗的车型，不仅可以开阔驾驶者的视野，让乘员更贴近自然以及沐浴阳光，驱除车厢内的压抑感。而且可以利用天窗的负压换气原理，加快车内空气的流通速度，改善車内的空气质量。除此之外，天窗还衍生出除雾和节能等功能，这极大的改善了人的操作环境，给乘员带来健康和舒适的乘坐环境。

天窗的种类有很多，可根据不同需求进行设计，目前市场上常见的天窗种类有外滑式、内藏式、全景式、多功能天窗。这些天窗的选择主要受产品成本、室内空间、产品档次、驾驶环境等因素影响。

全景天窗固然美观方便，但对设计也提出了很大的挑战，与车型的匹配设计尤为重要，主要包括设计目标值、设计过程及实验验证三大部分。

1设计过程

1.1目标值的设定

任何汽车在设计前期，最重要的是目标值的设计与总布置人机工程学的确认。产品工程师要根据无数的市场调研确认出合理的开发目标值，总布置工程师要确定一个合适的人机工程学布置来定义新车型的布置方向。而对于ROOF和全景天窗的设计，最为关注的是SgRP的位置、头部空间及视野的目标值。其中，SgRP是总布置工程师在前期的人机工程学布置设定过程中定义的，而头部空间及视野的目标值则是通过充分的市场调研而设定的。只有足够的市场调研，才能设定出合理的目标值，即在布置layout工程面能有实现的情况下使产品更有竞争力。

1.2设计过程

1.2.1前期ROOF与天窗的断面布置，以及人机工程学校核

天窗摆放位置需根据SgRP点来定义，开口位置的设定需考虑前后排人员的视野（前排乘员优先考虑）。具体要求是满足两者的主观视觉效果。定义出开口位置后，就可以展开ROOF和天窗主断面的设计，以验证各目标值的合理性，这是个不断调整更新优化的过程，在这个过程中，造型、总布置、天窗开口、断面的合理性及目标值都是互相不断优化的过程，最后实现一个最有市场竞争力的布置方案。

（1）开口位置的定义：拿到造型后，最先开始的就是定义开口的位置，根据经验值，天窗前方开口位置定义在SgRP 10°线位置，该位置对驾驶员的主观感受最有完美，如果因为空间与造型限制，极限位置SgRP 7°线位置也可以接受。某车型开口位置，SgRP 7.5°线位置如图1所示。

（2）各结构断面的完善：定义出天窗开口位置后，就需完善各位零件的断面，以便确认是否可以满足开发目标值，主要有ROOF的前后横梁、天窗补强板、天窗、阅读灯、遮阳板、内装顶棚等。

（3）各目标值的校核：断面完善后，需确认目标值是否可以达成，若无法达成，就需要进行优化。上视野校核方法如图2所示。

1.2.2中期结构的完善

前期各断面完善到一定程度后，就需要对ROOF和天窗的结构面展开详细的3D设计。对于顶棚系统的综合设计而言，最重要的3点包括：ROOF强度的确认、防水结构的设计及整车扭转刚性的优化。

（1）ROOF强度的确认：由于天窗的存在，ROOF需在中间挖个大口用于天窗的安装，且由于ROOF为覆盖件，板厚较薄（大都在0.7 mm以下），导致ROOF强度较弱，故需对ROOF本体进行补强。最常用的做法是通过天窗补强板的优化设计来补强：采用一体式天窗补强板与ROOF通过铜焊、结构胶以及减震胶搭接起来。某车型的补强设计方法如图3所示。

（2）防水结构的设计：目前市场上对天窗反馈最大的问题就是漏水问题。经过长期的设计和优化，目前相对于防水结构也相对比较成熟，天窗衬条与钣金同时通过3M胶的粘贴和卡接以保证衬条不易脱落。通过3M胶与ROOF的粘贴和衬条与天窗框架的过盈配合的二道防水，保证其防水性，对于部分水蒸气和少量的漏水，通过天窗排水管排出车外，以保证没有水进入室内。防水部结构断面设计如图4所示。

（3）整车扭转刚性的优化：对白车身采用笼式结构设计（即对A、B、C柱采用闭环设计）是优化整车扭转刚性的最佳办法，但对于全景天窗车型，因为天窗的存在，破坏了原先B柱的闭环结构设计，导致扭转刚性的裂化。这时就需要对天窗的设计与白车身进行匹配重新构造一个闭环结构，优化设计。其中一个很有效的办法就是对天窗内部设计横梁结构，与B柱形成闭环，重新构造笼式结构。某车型的笼式结构设计如图5所示。

1.2.3后期设计的校核

在设计后期，各相关结构均有完善，这时对设计的校核就势在必行了，校核做的好，能够及有效的减少后期整车的试装问题点，减少模具改修费用，尤其对ROOF这种大物钣金和天窗这种大件，若造成改模，其费用高。其中DMU的分析审查，是自我校核数据的一个非常好的办法，通过DMU审查，可以查清内部的干涉问题，也可以查清与配对件的干涉问题及最小安全间隙是否满足。

2实验验证

设计完成后，实验是验证设计合理性的重要标准。对于ROOF系统，乘用车侧面碰撞实验、SPC耐久实验、CC耐久实验、积雪实验、顶棚压馈实验，以及ROOF行李架负载实验等常见的实验验证步骤必不可少。