设计与计算
轿车天窗的功能、结构及性能要求
泛亚汽车技术中心有限公司 方 斌
1
天窗的功能
长时间地驾驶车辆
,车内的温度和空气质量的好坏
对驾乘人员的舒适感以及驾驶安全性有着较大的影响。
改善车内温度和空气质量的方法主要有侧窗玻璃开度
的调节、空调系统及其送风装置、天窗装置。
开关侧窗玻璃
,目的是为了通风换气
,但效果不理想
,如图
1所示。其主要的问题是
:①造成气体旋流
,空
气的交换率差
;②空气沿着车身侧边流动
,产生很大的噪声
;③从空气动力学方面考虑
,气体旋流会降低车速,
增加油耗。
空调系统及送风装置在一定程度上可以调节车内
的温度和湿度。但车内是一个封闭的空间
,因而换气效
果不理想
,并会造成车内温度和湿度的分布不均匀。
天窗装置利用流体力学的原理
,将车内的浊气“抽”
出
,使空气得到充分的交换
,如图
2所示。天窗结合车内
的空调系统及送风装置的使用
,可以较理想地改善车内
空气的质量。
图
1 图
2
2
天窗的型式
天窗玻璃开启运动的实现
,均是由一个电机提供动
力
,在开关以及电路模块的控制下
,通过减速机构、传动拉索
,将动力传递给与玻璃相连接的左右侧连杆机构
,
由连杆机构的运动实现玻璃的倾斜、前后移动等动作。
天窗玻璃的运动有外开式及内藏式两种型式
,如图
3所示。两者特点的比较见表
1。
·
82·
汽车研究与开发 设计与计算
a.外开式
b.内藏式
图
3
表
1 外开式天窗与内藏式天窗的特点比较
型 式外开式内藏式
运动
及
位置 天窗玻璃从关闭位置倾斜开启一个角度
,然后在顶盖上部(外侧)
,保持倾斜状态向后滑动打开
关闭→倾斜→倾斜后移 天窗玻璃从关闭位置倾斜开启一个角度
;然后回到
关闭位置
,并在顶盖下部(内侧)向后滑动打开
关闭→倾斜→后移
开度
a.倾斜高度
b.向后滑动≈
40～
60
mm
≈
60%的玻璃宽度≈
40～
50
mm
≈
100%的玻璃宽度
车内头顶空间损失≈
35～
45
mm≈
50～
60
mm
安装布置空间要求安装布置范围小
,用于车身顶盖长度尺寸相对偏小车型安装布置要求空间较大
,用于车身尺寸相对较大的车型
设计制造 投资少
,开发制造周期短(
1年左右)
,产品有一定通
用性(在后加装中可用于多种相近的车型) 为某一种车型单独设计和制造
,高投入
,需
2～
3年的
开发制造周期
费用情况投入少
,产量小
,单价相对高投入大
,产量高
,单价相对低
应用范围a.在后加装天窗时使用
,可应用于车身顶盖曲面及结构
相接近的多种车型上
;
b.经过适当的工艺改进
,也可以在车身尺寸较小的原厂
车型上使用 应用于原厂生产的车型
,单独为该原厂车型设计和
制造
,不能与其它车型匹配
3
天窗的主要结构特点
3.1 天窗的结构以及与车身的安装配合
3.1.1 夹紧式结构
天窗分为天窗总成单元及安装固定框两部分
,分别
位于车身顶盖的外侧及内侧
,通过紧固件使这两部分闭
合并同时夹住车身顶盖的安装固定方式为夹紧式结构
,如图
4所示。
3.1.2 悬挂式结构
这种结构的天窗
,需要为其专门设计车身顶盖
,顶
盖要有一个翻边孔
;同时另需设计一个顶盖加强件(冲
压件)
,并与车身顶盖的翻边孔焊接在一起。天窗总成作
为一个整体
,通过紧固件悬挂固定在加强件上
,如图
5
所示。
·
92·
2002年第
5期 设计与计算
图
4图
5
表
2 天窗夹紧式结构与悬挂式结构的比较
型 式夹紧式悬挂式
外观天窗玻璃高于车身顶盖与车身顶盖保持平整
安装方式①天窗总成在上部
;②安装固定框在下部
;③车身顶盖
在中间(三明治式) 从顶盖下部(车内)向上安装
;
紧固件螺母焊接在顶盖加强件上
,通过螺栓从下部
将天窗与加强件固定在一起
密封 天窗与车顶间由密封条强制密封
,天窗玻璃与开
口框架处由密封条强制密封 玻璃周边密封条与车顶翻边配合,密封条有一定
的压缩量
,起到密封作用
排水系统不需要。天窗与车身强制密封
,雨水无法进入车身 需要。天窗及车身结构中需要一套排水系统
,将
渗入天窗内部的雨水排到车身外部
车身顶盖
的结构设计在车身顶盖上设计一个简单的冲切孔
,不需要加强件 需要在顶盖上设计一个翻边孔
,另外需要设计一
个加强件
,并与顶盖孔的翻边焊接在一起
车身的制造仅需另外制造一副顶盖冲孔模
;制造精度要求相对低1)在顶盖制造上另外需要多副模具
,如顶盖冲孔落料、
翻边、整形等
;
2)需要一套模具制造加强框总成
;
3)需要定位及焊接工装将加强框与顶盖焊接。
制造过程复杂
,精度要求较高(天窗的密封性能以
及与顶盖的外观配合受尺寸精度的影响较大)
;
辅助工装要求高(如定位夹具、检具等)
车身制造
周期及费用车身制造周期较短
,费用相对较低车身制造周期较长
,制造费用较高
3.2 天窗的密封(排水)设计
3.2.1 主动式密封设计
通过天窗与车顶之间的密封(密封条
1)
,以及天窗
玻璃与天窗开口处密封条的密封(密封条
2)
,阻止灰尘
及雨水等进入天窗及车身内部
,见图
4。
3.2.2 被动式密封(排水)设计
通过天窗玻璃周边的密封条与车顶翻边的密封接
合
,阻挡灰尘及大部分的雨水
;同时
,天窗总成内部需要
设计有流水槽及排水导管
,将少量从玻璃密封条与车顶
接合处渗入的雨水排到车身外部
,见图
5。
在天窗总成内部框架的
4个拐角处各设计一个排
水导管
,排水导管连通流水槽并外接排水软管
,前部的
排水软管通过车身
A柱
,后部的排水软管通过车身
B柱
,将雨水导出车身。天窗流水槽及排水导管的结构如
图
6所示。
图
6
·
03·
汽车研究与开发 设计与计算 4
天窗的性能要求
作为整车的一个功能性零部件
,天窗应满足整车常
规要求
,如安全性、可靠性、耐久性以及舒适性等。同时
,根据天窗的特点
,天窗应满足以下方面要求。
4.1 安全性
安全性方面
,天窗系统应满足表
3所列的各项要求。
表
3 天窗系统应满足的安全性要求
要求
型
式
外开式内藏式
系统的强度
(关闭位置)500
N向上冲击力天窗保持正常的功能
1800
N向上冲击力天窗玻璃不能破碎
,并与天窗总成框架连接牢固
>1800N向上冲击力天窗玻璃在与总成框架的连接失效前
,首先粉碎
在开启位置
玻璃受垂直
载荷的位移 在玻璃后端中点施加
220
N的
垂直载荷(上或下) <10
mm<25
mm
系统可靠性关闭位置承受
890
N向下均匀载荷保持原有各项性能
电机被堵转运行
1
h后电机保持原有各项性能
,并且不能有过热、冒烟或产生异味的现象
在玻璃角度完全开启位置
,承
受
450
N的侧向力 系统不能有物理损坏及功能失效
在玻璃角度完全开启位置
,承
受
450
N的垂直载荷(向上或向下)系统不能有物理损坏及功能失效
玻璃开度为
25
mm时
,
在前部承受
680
N的向后推力系统不能损坏
,玻璃后移量
<10
mm
同时
,天窗应具有安全防夹功能
,即玻璃在关闭过
程中遇到障碍物时
,能够自动结束关闭运动并同时向后
返回。
4.2 舒适性
4.2.1 天窗玻璃的光学性能
天窗玻璃光学性能的考核主要有以下几个指标
:①
透光率
;②光反射率
;③总能量传导率
;④总能量反射
率
;⑤紫外线传导率。
这些指标的百分比越小越好
,通常在
10%以下。对
紫外线的阻挡率应在
99%以上。
4.2.2 天窗系统对风噪的影响
1)一定车速下打开的天窗玻璃会产生一定的噪声
,在产品设计时应注意控制这一噪声源。通常在车速为
25～
110
km
h时
,由此产生的风噪不能超过
9
dB;
2)天窗玻璃密封条与车身接合的部位也可能产生
风噪
,在设计时应考虑接合部位的间隙以及平整度
,将
其噪声对车内的影响控制在
2
dB以内
;
3)天窗系统中的空气导流板也可能产生风噪
,应注
意其形状、角度和高度
,将其产生的风噪控制在
3
dB以内。
4.3 满足整车设计要求
此外
,对于整车而言
,天窗安装部位的车身结构是
一个开放性的结构
,在设计时应注意该部位对车身整体
的刚性及振动频率的影响
,并通过
CAE对其进行分
析
,使其满足整车设计要求。
·
13·
2002年第
5期
