汽車天窗與頂蓋匹配設計探析

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摘要：文章主要介紹了汽車天窗的種類、結構及相關參數，重點論述了天窗布置需要考慮的因素及布置方法，并對天窗與頂蓋的配合設計進行了詳細的說明，針對頂蓋天窗開口翻邊和天窗加強框配合斷面形式做了詳細的介紹，為天窗與頂蓋的匹配設計提供了有價值的參考。

關鍵詞：汽車；天窗；天窗加強框；頂蓋；匹配

前言

隨著人們生活水平的日益提高，我國汽車的保有量日益增加，人們不再滿足于汽車的代步功能，對汽車的舒適性提出了更高的要求。天窗作為汽車頂蓋上配置的一個開口部件，一方面可以增加汽車內部的采光性能，給乘員提供開放感，另一方面在行駛過程中，打開天窗，利用負壓換氣[1]，可以提高車內空氣質量，減少司機疲勞程度[2]。基于以上優點，天窗越來越受到消費者的青睞，各大主機廠在開發新車時都會將天窗作為必選配置，同時開發帶天窗和不帶天窗的高低配車型。本文主要介紹了天窗的布置選型及與頂蓋的匹配設計，為頂蓋及天窗的設計開發提供參考。

1天窗的分類

天窗按玻璃是否可活動分為固定玻璃式天窗和活動玻璃式天窗，固定玻璃式天窗常用在卡車及工程機械駕駛室頂蓋上，成本低廉，一些乘用車配置的全景天窗，采用整塊玻璃作為頂蓋，玻璃非活動的；活動玻璃式天窗在乘用車中應用比較普遍，按玻璃的運動方式可分為傾斜式天窗、內藏式天窗和外滑式天窗，如圖1所示[3]。傾斜式天窗的玻璃蓋后端可以以傾斜的方式打開，保持室內的通風換氣。內藏式天窗的玻璃蓋可以在頂蓋和頂棚之間滑動，天窗開啟時，玻璃蓋下沉然后向后滑動，隱藏在頂蓋和頂棚之間，圖2所示。內藏式天窗兼具傾斜式天窗的向上傾斜功能。玻璃蓋后端的上掀高度一般在40mm～50mm，玻璃開啟行程約等于100%的玻璃寬度，天窗開口大，外型簡潔美觀。外滑式天窗的玻璃蓋具備傾斜式天窗的功能，天窗開啟時，玻璃蓋后端向上傾斜，然后向后滑動，開啟后玻璃位于頂蓋之上，圖3所示。玻璃蓋后端的上掀高度一般在40mm～60mm，玻璃開啟行程約等于60%的玻璃寬度，此類天窗具有體積小、結構簡單的特點，缺點是汽車行駛時，天窗玻璃位于頂蓋上方，風噪較大，天窗玻璃有積水或積雪時，天窗開啟會將雨雪傾入車內。

2天窗的結構及參數

天窗的結構主要由玻璃蓋（玻璃總成）、框架總成、運動結構總成、電機、遮陽板、導流板、后排水槽等組成，框架總成由左右滑軌和前后橫梁構成，滑軌一般由鋁合金輥壓成形，前橫梁一般為注塑件或模壓件，可以實現輕量化，減輕重量增加對頂蓋強度的要求，天窗結構如圖4所示。玻璃蓋的運動主要靠電機驅動軟軸，軟軸帶動滑動機構沿著左右滑軌運動，使玻璃蓋可以沿著框架的滑軌前后運動。電機作為驅動裝置，其尺寸一般較大，為了不占用過多的頂棚空間，電機大多布置在天窗的前端，靠近頂棚閱讀燈的位置，借用閱讀燈本身占用的布置空間，實現電機部位頂棚的平滑過渡，避免頂棚突兀。導風板在天窗開啟時會彈起，防止車輛行駛時，氣流進入車內造成風噪聲，導風板與天窗玻璃是聯動的，天窗關閉時可藏于車內。遮陽板和導風板一樣與天窗玻璃是聯動的，也可以手動開啟關閉，大型天窗的遮陽板由電機驅動進行開閉動作。天窗裝配于頂蓋天窗加強環之上，然后裝配頂棚，圖5所示，頂蓋、天窗、頂棚Z向厚度一般在80mm左右，非天窗厚度值在30mm左右，前期造型時綜合考慮天窗版和非天窗版的頭部空間的目標值，合理確定頂蓋的高度，避免造成天窗版頭部空間過低。圖6顯示了內藏式天窗在整車中的Y向中間斷面，圖中標注了天窗的相關技術參數，L1為頂蓋的開口尺寸，天窗玻璃的開啟行程S通常小于頂蓋開口尺寸，受頂棚的影響，頂部實際開口為L2，L3為遮陽板開啟至極限位置時，距頂棚前端開口的距離，通常為室內的實際開口尺寸，L4為頂棚開口尺寸。

3天窗與頂蓋的匹配

天窗布置時在Y向相對于整車居中放置，布置時主要是確定X向、Z向位置以及與XY平面的角度。天窗布置對汽車內部空間影響比較大，布置時需要綜合考慮多方面的因素：（1）頭部空間；（2）頂蓋天窗開口與前風擋的距離；（3）天窗與周圍配合件的合理間隙，周圍配合件包含前閱讀燈、頂蓋、天窗加強環、遮陽板、天窗運動軌跡與頂蓋橫梁間隙、頂棚等。出于造型和沖壓工藝性的考慮，汽車頂蓋都存在一定傾角與弧度，天窗難以水平布置，與XY會存在一定夾角，布置時一般將角度控制在3度以內，對于內藏式天窗來說，進入天窗與頂蓋密封面的雨水會沿著天窗滑軌的排水槽排出車外，天窗傾斜角度太大會導致滑軌排水不暢，造成雨水溢入車內。另外天窗需盡量與頂蓋平行布置，有利于減小天窗的占用空間，提高乘員頭部空間。頂蓋天窗開口前端位置在天窗布置時，是比較重要的參數，一般盡可能靠前布置，增加前排乘客的主觀體驗，但受天窗電機與頂蓋安全間隙、天窗前端與遮陽板、閱讀燈等的安全間隙考慮，不可能太靠前布置，布置時L值一般在200mm左右，天窗與周邊件安全間隙10mm。天窗閉合時需要保證一定的密封性，在進行天窗與頂蓋的匹配設計時，要根據天窗玻璃的尺寸合理確定頂蓋開口尺寸，需要保證天窗玻璃密封條與頂蓋天窗開口翻邊存在一定的壓縮量，壓縮量一般為1mm。頂蓋天窗開口與天窗密封條的設計面差為0，密封條與玻璃高度差為1mm，如圖8所示。頂蓋天窗開口翻邊作為天窗的密封面，表面的平整度光潔度要求較高，內藏式天窗在開啟過程中，密封條與開口的翻邊滑動摩擦，翻邊表面質量差會導致密封條過早磨損和開啟摩擦異音，一些車型為了減小天窗開啟時的密封條摩擦，頂蓋開口兩側呈“八”字形設計。天窗本身的重量和安裝，需要頂蓋具有足夠的強度和剛度，為天窗提供牢固的安裝點，避免天窗在車輛行駛時震顫，造成車身噪音。頂蓋的材料厚度一般為0.7mm～1mm，頂蓋天窗開口處要焊接加強板，加強板為天窗提供安裝點，增強頂蓋開口的剛度。頂蓋天窗加強框的結構有分段式和整體式兩種，分段式采用分段沖壓成形后焊接，整體式直接沖壓成形，如圖9、圖10所示。無論分段式或整體式天窗加強框，天窗的安裝和定位是一致的，在加強框上焊接定位銷定位，焊接螺栓或螺母用于天窗的安裝。天窗加強框與頂蓋的配合斷面如圖11所示，A-A/B-B斷面可采用（1）（2）（3）（4）所示結構形式，頂蓋翻邊與加強框點焊連接，與密封條接觸部位的翻邊避免點焊，密封面保證8mm寬，避免密封不良。C-C斷面可用（4）（5）（6）所示斷面形式，（4）斷面采用包邊結構，結構較穩定，頂蓋與天窗匹配的精度容易保證，缺點是包邊專機結構復雜，投入成本較高，適用于中高端車型，（5）（6）斷面采用結構膠粘接頂蓋和加強框，頂蓋翻邊平面部位高度8mm左右，加強框與天窗軌跡的安全間隙至少6mm，避免天窗開啟時車輛振動造成天窗與加強框干涉。天窗加強框與頂蓋天窗開口翻邊焊接部位貼合，非焊接部位建議保持2mm的間隙，目的是保證翻遍部位的平面度，如圖12所示。焊點距離45～55mm，焊點盡量避開密封條能接觸的部位。天窗加強框與側圍對搭接方式有三種[4]，一種是天窗加強框和側圍焊接；一種是側圍伸出搭接邊，加強框與側圍搭接處打膠連接；一種是加強框焊接螺柱或螺母，增加過渡支架與側圍連接，如圖13所示。

4總結

天窗作為汽車的一個重要配置，不僅影響整車的外觀性能，還影響車內乘員的體驗，其布置會犧牲車內乘員部分頭部空間，在與頂蓋的布置匹配時需要綜合考慮諸多因素，盡可能將不利因素降至最低，最大發揮天窗的效能，提升整車外觀，帶來良好的用戶體驗。本文介紹的天窗與頂蓋的匹配技術要求和方法，可提供有價值的參考。

作者:莊京彪 王軍麗 單位:三一重機有限公司 南京智造力知識產權代理有限公司