1、汽車天窗優(yōu)化設計摘要：本文簡述了汽車天窗的工作原理，結構特點，性能要求及實驗要求，闡明了汽車天窗優(yōu)化設計的設計 流程。關鍵詞：汽車天窗優(yōu)化 設計。前言汽車天窗在國外有100多年的歷史，已成為汽車文化的一部分。在中國市場 上，許多汽車制造廠家已開始引入天窗配套項目，目前，許多廠家的汽車都推出 了天窗版轎車。開車的人都知道，一輛車里擠的人越多，車內(nèi)的空氣就越渾濁。如果在車內(nèi) 吸煙，車里就更是煙霧繚繞，車里的氣味更是難聞。為消除這些讓人感覺不舒服 的味道，許多人選擇購買車用香水，但這只能起到一定的除味效果。當然，打開 側(cè)窗也可起到換氣的作用，可車輛在運行中打開窗戶會產(chǎn)生很大的噪音，而且風 直接沖撞到

2、司機降低舒適感，坐在后排座位的人也會被側(cè)窗的風吹得睜不開眼。 汽車在行駛過程中若經(jīng)常打開窗戶，不僅影響車內(nèi)溫度，會帶進大量灰塵及傳入 車外噪聲，而且由于高速行駛形成的風會直接沖撞到車內(nèi)的乘員，降低乘坐舒適 度，因此現(xiàn)代汽車一般都關窗駕駛。對于車身密封性不良的汽車，雖然也能帶進 部分新鮮空氣，但由于不能人為地控制進風，進風量難以符合要求，而且進風部 位是隨機的，往往帶進大量灰塵、煙氣（發(fā)動機廢氣），污染車內(nèi)空氣。但若車內(nèi) 無新鮮空氣補充，會使車內(nèi)空氣中二氧化碳含量增大、氧氣含量下降；車內(nèi)還會 因抽煙、人體呼吸、食物及物品等使空氣氣味不好，影響乘員身體健康；為了防 止汽車前窗結霜凝霧，也需要引入新

3、風，需要有通風裝置。另外，通過天窗的玻璃可以自然采光，車室內(nèi)明亮并可以營造浪漫的氣氛， 并給喜歡高檔車的顧客帶來了滿足感。因此，加裝天窗既為汽車改善通風狀況的有效方法。汽車檔次不同，天窗也有很多種，所以，在汽車上裝配天窗就存在著優(yōu)化問 題，也就是本文的研究所在。定義2.1天窗天窗：是指安裝于汽車頂部、主體材料為玻璃的車身部件，并且該部件有一部 分能夠由電機驅(qū)動并通過傳動機構將天窗玻璃沿滑槽前后移動、傾斜啟閉，且能 按要求停留在任意位置。天窗分為固定式天窗也叫全景式天窗和活動式天窗?；顒犹齑坝址譃槭謩邮?玻璃天窗及電動式玻璃天窗。2.2優(yōu)化設計優(yōu)化設計：設計是創(chuàng)造方案的過程，傳統(tǒng)的設計是設計者按

4、設計要求和設計 者的實踐經(jīng)驗，參考類似結構，通過判斷創(chuàng)造方案，然后進行力學分析或按規(guī)范 要求作安全校核，再修改設計。這一過程繁復，且往往只能創(chuàng)造出可行方案。而 優(yōu)化設計則把力學概念和優(yōu)化技術有機地結合，根據(jù)設計要求，使參與計算的量 部分以變量出現(xiàn)，形成全部可能的設計方案域，利用數(shù)學手段在域中找出滿足預 定要求的不僅可行而且最好的設計方案。實踐證明，優(yōu)化設計能縮短設計周期、 提高設計質(zhì)量和水平，取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。而最優(yōu)設計是在明確結構的經(jīng)濟性與安全性等指標下，結合計算機輔助設計， 很方便地實現(xiàn)分析計算、設計、出圖等全過程的自動化，提高了設計效率和質(zhì)量。天窗的作用3.1汽車活動天窗是汽

5、車乘坐室與外界的空氣直接交換通道，是改善汽車內(nèi)部 溫度和空氣質(zhì)量的一種方法，而汽車內(nèi)部溫度和空氣質(zhì)量對駕乘人員在長時間駕駛車輛過程當中的舒適感以及駕駛安全性有著較大的影響。打開天窗，使車內(nèi)空 氣循環(huán)，使汽車內(nèi)部可以保持新鮮的空氣，可以排出煙味、酒味、霉味等，消除 暖風空調(diào)的不適感，減小駕乘人員因空氣混濁所引起的昏睡感，增加汽車乘坐舒 適度，減少司機的疲勞感并可以預防交通事故。32在濕度高的天氣和寒冷的季節(jié)可以防止玻璃上的濕氣。3.3悶熱的夏天，長時間停車再啟動時，打開天窗可盡快排出熱空氣，降低車 內(nèi)溫度。3.4天窗本身配有的頂蓋支架增加了車內(nèi)的安全性，發(fā)生交通事故時天窗也可 以用作緊急出口。在

6、野外攝影、打獵時天窗起著同樣方便的作用。天窗工作原理天窗裝置是利用流體力學的原理，將車內(nèi)的混濁氣體“抽”出，使空氣得到 充分的交換。在流體力學研究領域，實驗證明在流速高的情況下流體對管壁的壓力小，在 流速低的情況下流體對管壁的壓力大。汽車在高速行駛情況下，由于汽車頂蓋都 具有一定的弧度，因此，夕卜部氣流在流經(jīng)汽車頂蓋時速度會很高，夕卜部空氣對汽 車頂蓋的壓力小于車內(nèi)空氣對汽車頂蓋的壓力，車內(nèi)空氣向車外流動，壓力變小， 外部新鮮空氣補充進車內(nèi)，這樣，車內(nèi)空氣得到循環(huán)，汽車內(nèi)部就可以保持新鮮 的空氣。5.天窗的種類及特點51汽車天窗種類汽車天窗種類見表1天窗固定式玻璃 天窗活動式玻璃天窗滑簾式天

7、窗手動式玻璃天窗電動式玻璃天窗上推式天窗推拉式天窗外滑式天窗內(nèi)滑式天窗注：1.固定式玻璃天窗也就是玻璃頂棚，不可活動，不減弱甚至會加強整車強度 及剛度。2.滑簾式天窗主體材料為可折疊的軟簾，軟簾沿滑槽前后移動、啟閉，且能 按要求停留在任意位置。52汽車天窗特點手動式玻璃天窗見表2表2種類特點上推式天窗天窗不能移動，可繞前端轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動翹起一定角度，安裝方 便，操作簡單，天窗玻璃可拆卸，車內(nèi)頭頂空間損失小推拉式天窗天窗能向后移動，操作簡單方便，開度大，車內(nèi)頭頂空間損 失小電動式玻璃天窗特點見表3型式外滑式內(nèi)滑式特點1.天窗玻璃受到空氣阻力幫 助開啟更為便捷。2 .天窗安裝更為容易。1 .車輛在高速

8、彳丁駛中不會受到 夕卜界風流沖擊的影響。天窗在關閉狀態(tài)下，其后側(cè) 仍然能夠抬起一定間隙，同 樣自然循環(huán)車內(nèi)空氣。在天窗玻璃關閉時仍然可以通過遮陽板來遮避太陽光的 照射。運動及位置天窗玻璃從關閉位置傾斜開啟一 個角度，然后在頂蓋上部（外側(cè)） 保持傾斜狀態(tài)向后滑動打開。天窗玻璃從關閉位置傾斜開啟一 個角度，然后回到關閉位置，并在 頂蓋下部（內(nèi)側(cè)）向后滑動打開。開度傾斜高 度向后滑動060mm海0%的玻璃寬度050mm口00%的玻璃寬度電機位置刖直P- r-* CT 刖置或后直車體結構頂蓋外板開孑L頂蓋外板開孔、折邊焊加強框結構與安 裝天窗上的螺釘應緊固，無松動現(xiàn)象；滑槽內(nèi)的運動件應移動順暢，無 卡

9、滯現(xiàn)象和異常噪聲；遮0簾在天窗上應安裝到位，且操作靈活，便 于拆卸。車內(nèi)頭頂 空間損失3545mm5060mm安裝布置空間要求安裝布置范圍小，用于車身頂蓋 長度尺寸安裝布置要求空間較大，用于車身 尺寸相對較大的車型設計制造投資少，開發(fā)制造周期短（1年 左右），產(chǎn)品有一定的通用性（在 后加裝中可用于多種相近的車 型）為某一種車型單獨設計和制造局 投入，需23年的開發(fā)制造周期費用情況投入少，產(chǎn)量小，單價相對高投入大，產(chǎn)量高，單價相對低應用范圍a.在后加裝天窗時使用，可用于 車身頂蓋曲面及結構相接近 的多種車型上；應用于原廠生產(chǎn)的車型，單獨為該 原廠車型設計和制造，不能與其他 車型匹配b.經(jīng)過適當?shù)?/p>

10、工藝改進，也可以 在車身尺寸較小的原廠車型 上使用5.3 汽車天窗各組成零部件執(zhí)行標準GB/T 2828QC/T 625GB/T 17340GB 9656GB/T 12421QC/T 413逐批檢查技術抽樣程序及抽樣表 汽車用涂鍍層和化學處理層 汽車安全玻璃的尺寸、形狀、夕卜觀 汽車用安全玻璃 客車門窗用橡膠密封條 汽車電器設備基本技術條件天窗的結構型式61天窗的結構夾緊式結構天窗分為天窗總成單元及安裝固定框兩部分，分別位于車身頂蓋的夕卜側(cè)和 內(nèi)側(cè)，通過緊固件使這兩部分閉合并同時夾住車身頂蓋的安裝固定方式為夾 緊式結構。懸掛式結構這種結構的天窗需要為其專門設計車身頂蓋，頂蓋要有一個翻邊孔；同時

11、 另需設計一個頂蓋加強件（沖壓件），并與車身頂蓋的翻邊孔焊接在一起。 天窗總成作為一個整體，通過緊固件懸掛固定在加強件上。天窗夾緊式與懸掛式結構的比較型式夾緊式懸掛式外觀天窗玻璃高于車身頂蓋與車身頂蓋保持平整安裝 方式1 .天窗總成在上部；2.安裝固定框在下部；3 .車身頂蓋在中間。從頂蓋下部（車內(nèi)）向上安裝；緊固 件螺母焊接在頂蓋加強件上，通過螺 栓從下部將天窗與加強件固定在一起密封天窗與車頂間由密封條強制密封， 天窗玻璃與開口框架處由密封條 強制密封玻璃周邊密封條與車頂翻邊配合，密 封條有一定的壓縮量，起到密封作用。排水 系統(tǒng)不需要，天窗與車身強制密封，雨 水無法進入車身需要。天窗及車身結

12、構中需要一套排 水系統(tǒng)將滲入天窗內(nèi)部的雨水排到車 身外部車身 頂蓋 的結 構設 計在車身頂蓋上設計一個簡單的沖 切孔，不需要加強件需要在車身頂蓋上設計一個翻邊孔， 另外需要設計一個加強件，并與貞蓋 孔的翻邊焊接在一起車身 的制 造僅需另夕卜制造一副頂蓋沖孔模制 造精度要求相對低在頂蓋制造上另外需要多副模 具，如頂蓋沖孔落料、翻邊、整 形等；需要一套模具制造加強框；需要定位及焊接工裝將加強框 與J媾焊接。制造過程復雜，精 度要求較贏天窗的密封性能以 及與頂蓋的夕卜觀配合受尺寸精 度的影響較大）；輔助工裝要求 高（女定位夾具、檢具等）車身 制造 周期 及費 用車身制造周期較短，費用相對較低車身制造

13、周期較長，費用相對較高6.2天窗的密封（排水）方式窗a 主動式密封方式通過天窗與頂蓋之間的密封，以及天窗玻璃與天窗開口處密封條的密封，阻 止灰塵及雨水等進入天窗及車身內(nèi)部。b 被動式密封（排水）方式通過天窗玻璃周邊的密封條與車頂翻邊的密封結合，阻止灰塵及大部分雨水; 同時，天窗總成內(nèi)部需要設計有流水槽及排水導管接頭，將少量從玻璃密封條與 車頂接合處滲入的雨水排到車身外部。在天窗總成內(nèi)部框架的4個拐角處各設計一個排水導管接頭，排水導管接頭 連通流水槽并外接排水導管，前部的排水導管通過車身A柱，后部的排水導管通 過車身C柱或D柱，將雨水導出車身。6.3天窗玻璃開啟運動的實現(xiàn)，均是由一個電機提供動力

14、，在開關以及電路模 塊的控制下，通過減速機構、傳動拉索，將動力傳遞給與玻璃相連接的左右側(cè)連 桿機構，由連桿機構的運動實現(xiàn)玻璃的傾斜、前后移動等動作。電機可以位于前 部，也可以放置于后部。6.4經(jīng)過特殊處理的安全強化玻璃，可有效阻擋有害射線、熱及耀眼的陽光。 玻璃可設計成多種多樣的，甚至可以用鋼面板替換玻璃板。精心設計的天窗框架 不但不會使車體整體剛度減弱，反而會增加車體剛度。65圖3為內(nèi)滑式天窗的典型結構圖天窗的性能要求作為整車的一個功能性部件，天窗除應滿足整車常規(guī)要求，如安全性、可靠 性、耐久性以及舒適性等，還要有自身的一些特點，因此，天窗應滿足以下方面 要求：7.1安全性在安全性方面，天窗

15、系統(tǒng)應滿足下表所列的各項要求：_型式外滑式內(nèi)滑式系統(tǒng)的 強度（關 閉位置）500N向上沖擊力天窗保持正常的功能1800N向上沖擊力天窗玻璃不能破碎并與天窗總成框架連接 牢固1800N向上沖擊 力天窗玻璃在與窗總成框架連接失效前，首先 粉碎在開啟 位置玻 璃受垂 直載荷 的位移在玻璃后端中點施 加220N的垂直載 荷（上或下）10mm25mm系統(tǒng)可 靠性關閉位置承受 890N向下均勻載 荷保持原有各項性能電機被堵轉(zhuǎn)運行1h 后電機保持原有各項性能，并且不能有過熱、 冒煙或產(chǎn)生異味的現(xiàn)象在玻璃角度完全開 啟位置，承受450N 的側(cè)向力系統(tǒng)不能有物理損壞及功能失效在玻璃角度完全開 啟位置，承受450

16、N 垂直載荷（上或下）系統(tǒng)不能有物理損壞及功能失效玻璃開度為25mm 時，在前部承受 680N的向后推力系統(tǒng)不能損壞，玻璃后移量10mm7.2天窗應具有安全防夾功能，即玻璃在關閉過程中遇到障礙物時，能夠自動 結束關閉運動并同時向后返回。圖3天窗加強框頂蓋前橫梁頂蓋前托梁頂蓋后托梁頂蓋后橫梁頂蓋內(nèi)飾SCU天窗電機天窗驅(qū)動裝置天窗玻璃導水槽遮陽板天窗框架7.3性能要求外觀要求1天窗的金屬件必須經(jīng)過防腐蝕處理或使用具有防腐蝕性的材 料制造。2天窗的塑料件表面應光滑平整、無氣泡，無影響使用的變形。3天窗金屬零件的涂鍍層和化學處理層應符合QC/T 625中相 關條款的有關規(guī)定。4天窗的玻璃表面應符合GB

17、/T 17340中6有關前風窗以外玻 璃規(guī)定，其余性能符合GB 9656汽車用安全玻璃的規(guī)定。5天窗密封條的表面質(zhì)量和性能要求應符合GB/T 12421規(guī) 定。性能要求1基本性能工作電壓天窗在11V15V電壓下應運行平穩(wěn)，不允許有異常噪聲 和卡滯現(xiàn)象。電流特性天窗的工作電流不大于3.2 A ,堵轉(zhuǎn)電流小于15A, 防 電流不大于5A。2密封性在一定的實驗條件下，天窗的玻璃與框架之間的防水密封 性好，不允許有滲漏現(xiàn)象。3耐振性天窗經(jīng)QC/T413規(guī)定的掃頻振動試驗后符合第1條的規(guī) 定。4耐久性天窗應能經(jīng)受15000次的工作循環(huán)，試驗后的基本性能應 符合第1條的規(guī)定。5耐溫性天窗應能在-30 85

18、的環(huán)境溫度范圍內(nèi)工作，經(jīng)高低 溫試驗后應符合第1條的規(guī)定。6耐濕熱性天窗應能經(jīng)受耐濕熱試驗，試驗后應符合第1條的規(guī)定。7安全性天窗應具有防夾保護功能，當關閉天窗時，如遇到障礙物， 天窗能自動運行開啟至極限位置。8防盜性天窗應具有自動關閉功能。當車鑰匙打到OFF位時，如果此時 天窗不在關閉的位置，10秒后會自動關閉。實驗方法1試驗條件及設備a）試驗電源采用足夠容量的直流穩(wěn)壓電源。b）試驗電壓為（120.3）V，接線電阻為（0.250.02 ） Q。c）環(huán)境溫度為（540）C。d）天窗的各項試驗可在模擬狀態(tài)下進行。e）耐久性試驗的一個工作循環(huán)為30秒。天窗玻璃開啟至極 限位置，斷電10秒，然后再通

19、電使玻璃關閉至最終位置， 斷電10秒。2外觀檢查按外觀要求規(guī)定，采用目視檢查和評定。天窗表面不能劃 傷、起泡，絲網(wǎng)印刷要清晰。3基本性能試驗a）工作電壓的試驗將天窗分別接入11V15V的兩個電壓，各運行兩個工作 循環(huán)。運行效果應符合基本性能要求中的規(guī)定。b）電流測量當天窗在試驗電壓下，用電流表測量天窗運行的工作電流， 然后將玻璃開啟到極限位置時，使電機堵轉(zhuǎn)，測量其堵轉(zhuǎn)電流; 用同樣的方法測量天窗玻璃關閉時的工作電流及堵轉(zhuǎn)電流。檢 驗結果應符合基本性能要求中相應的規(guī)定。4密封性試驗將天窗安裝在噴淋試驗裝置（保證天窗上淋到的水均勻， 不得有死區(qū)存在），噴頭出水口離天窗距離約為700mm，噴嘴 的噴

20、射壓力為69147kpa,降雨強度為46mm/min試驗條 件下，噴嘴的軸線與車輛基準Z平面垂直，噴嘴朝向車體，使 天窗淋雨15min。觀察試驗效果，不允許有滲漏現(xiàn)象。5耐振性試驗在QC/T413規(guī)定的掃頻振動試驗條件下進行掃頻振動試 驗，試驗后符合基本性能要求中的規(guī)定。6耐久性試驗天窗在試驗電壓下，按如下規(guī)定的試驗溫度在試驗裝置上 進行耐久性試驗，試驗后按基本性能要求檢驗天窗的基本性能， 按密封性要求檢查天窗的密封性。環(huán)境溫度：5000個工作循環(huán)；-20C:2000個工作循環(huán);+70C: 3000個工作循環(huán)；環(huán)境溫度：5000個工作循環(huán)；7耐溫試驗7.1天窗放入室溫開始的低溫箱中，達到（-3

21、03 ） C的低溫并 保持2h后，自低溫箱中取出10min內(nèi)完成產(chǎn)品性能測試，試 驗后應符合基本性能要求中的規(guī)定。7.2天窗放入室溫開始的高溫箱中，達到（851 ）C溫度后再 保持2h，自高溫箱中取出2min內(nèi)完成產(chǎn)品性能測試，試驗后 應符合基本性能要求中的規(guī)定。8恒定濕熱試驗天窗放入恒定濕熱試驗箱。調(diào)節(jié)試驗箱，使溫度為（40 2）C,相對濕度90%95% （先調(diào)節(jié)溫度，當達到溫度后再 加濕），連續(xù)保持24h，取出在正常大氣下放置12h,應符合 基本性能要求中規(guī)定。9安全性試驗將天窗按實際使用狀態(tài)安裝，并使天窗按自動工作方式開 啟至極限位置，然后在其關閉的過程中，設置一障礙物，以阻 止玻璃繼續(xù)

22、運行。此時測得最大電流值不得大于基本性能要求 中的相關項目所規(guī)定的值。（此項僅適用于防夾方式） 10防盜性將天窗按實際使用狀態(tài)安裝，并使天窗按自動工作方式開 啟一定位置，然后將車鑰匙打倒OFF位，等待10秒后，天窗 自動運行至關閉位置。11噪聲檢驗將天窗放在噪聲測試房內(nèi)，噪音測試房內(nèi)本底噪聲應小于20dB，測試天窗運行一個周期的噪聲應 70 dB。74天窗玻璃的光學性能天窗玻璃光學性能的考核主要有以下幾個指標：a.透光率光反射率總能量傳導率總能量反射率紫外線傳導率7.5密封性對于安裝天窗系統(tǒng)的汽車而言，不但要保證天窗與車身之間密封，而且要保 證天窗系統(tǒng)自身密封，或是能完全阻止灰塵及雨水等進入車

23、身內(nèi)部，或是在密封 的同時還能利用天窗的排水系統(tǒng)將少量從玻璃密封條與車頂接合處滲入的雨水排 到車身外部，絕對不允許在汽車內(nèi)部有水跡。7.6天窗系統(tǒng)對風噪的影響a 一定車速下，打開的天窗玻璃會產(chǎn)生一定的噪聲，在產(chǎn)品設計時應注意控制 這一噪聲源。通常在車速為25 110km/h時，由此產(chǎn)生的風噪不能超過9db。b 天窗玻璃密封條與車身結合的部位也可能產(chǎn)生噪音，在產(chǎn)品設計時應考慮結 合部位的間隙以及平整度，將其噪聲對車內(nèi)的影響控制在2db以內(nèi)。C 天窗系統(tǒng)中的空氣導流板也可能產(chǎn)生風噪，應注意其形狀、角度和高度，將 其產(chǎn)生的風噪控制在3db以內(nèi)。7.7 滿足整車設計要求對于整車而言，天窗安裝部位的車身結構是一個開放性的結構，在產(chǎn)品設 計時應注意該部位對車身整體的剛性及振動頻率的影響，并通過CAE對其進行分 析，使其滿足整車設計要求。汽車天窗優(yōu)化設計針對天窗系統(tǒng)的特點以及天窗對車身的影響、安裝要求，新研制車型天窗優(yōu)化 設計應按以下流程進行：1）新研制車型天窗的設計依據(jù)是新