汽车天窗与顶盖匹配设计探析

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摘要：文章主要介绍了汽车天窗的种类、结构及相关参数，重点论述了天窗布置需要考虑的因素及布置方法，并对天窗与顶盖的配合设计进行了详细的说明，针对顶盖天窗开口翻边和天窗加强框配合断面形式做了详细的介绍，为天窗与顶盖的匹配设计提供了有价值的参考。

关键词：汽车；天窗；天窗加强框；顶盖；匹配

前言

随着人们生活水平的日益提高，我国汽车的保有量日益增加，人们不再满足于汽车的代步功能，对汽车的舒适性提出了更高的要求。天窗作为汽车顶盖上配置的一个开口部件，一方面可以增加汽车内部的采光性能，给乘员提供开放感，另一方面在行驶过程中，打开天窗，利用负压换气[1]，可以提高车内空气质量，减少司机疲劳程度[2]。基于以上优点，天窗越来越受到消费者的青睐，各大主机厂在开发新车时都会将天窗作为必选配置，同时开发带天窗和不带天窗的高低配车型。本文主要介绍了天窗的布置选型及与顶盖的匹配设计，为顶盖及天窗的设计开发提供参考。

1天窗的分类

天窗按玻璃是否可活动分为固定玻璃式天窗和活动玻璃式天窗，固定玻璃式天窗常用在卡车及工程机械驾驶室顶盖上，成本低廉，一些乘用车配置的全景天窗，采用整块玻璃作为顶盖，玻璃非活动的；活动玻璃式天窗在乘用车中应用比较普遍，按玻璃的运动方式可分为倾斜式天窗、内藏式天窗和外滑式天窗，如图1所示[3]。倾斜式天窗的玻璃盖后端可以以倾斜的方式打开，保持室内的通风换气。内藏式天窗的玻璃盖可以在顶盖和顶棚之间滑动，天窗开启时，玻璃盖下沉然后向后滑动，隐藏在顶盖和顶棚之间，图2所示。内藏式天窗兼具倾斜式天窗的向上倾斜功能。玻璃盖后端的上掀高度一般在40mm～50mm，玻璃开启行程约等于100%的玻璃宽度，天窗开口大，外型简洁美观。外滑式天窗的玻璃盖具备倾斜式天窗的功能，天窗开启时，玻璃盖后端向上倾斜，然后向后滑动，开启后玻璃位于顶盖之上，图3所示。玻璃盖后端的上掀高度一般在40mm～60mm，玻璃开启行程约等于60%的玻璃宽度，此类天窗具有体积小、结构简单的特点，缺点是汽车行驶时，天窗玻璃位于顶盖上方，风噪较大，天窗玻璃有积水或积雪时，天窗开启会将雨雪倾入车内。

2天窗的结构及参数

天窗的结构主要由玻璃盖（玻璃总成）、框架总成、运动结构总成、电机、遮阳板、导流板、后排水槽等组成，框架总成由左右滑轨和前后横梁构成，滑轨一般由铝合金辊压成形，前横梁一般为注塑件或模压件，可以实现轻量化，减轻重量增加对顶盖强度的要求，天窗结构如图4所示。玻璃盖的运动主要靠电机驱动软轴，软轴带动滑动机构沿着左右滑轨运动，使玻璃盖可以沿着框架的滑轨前后运动。电机作为驱动装置，其尺寸一般较大，为了不占用过多的顶棚空间，电机大多布置在天窗的前端，靠近顶棚阅读灯的位置，借用阅读灯本身占用的布置空间，实现电机部位顶棚的平滑过渡，避免顶棚突兀。导风板在天窗开启时会弹起，防止车辆行驶时，气流进入车内造成风噪声，导风板与天窗玻璃是联动的，天窗关闭时可藏于车内。遮阳板和导风板一样与天窗玻璃是联动的，也可以手动开启关闭，大型天窗的遮阳板由电机驱动进行开闭动作。天窗装配于顶盖天窗加强环之上，然后装配顶棚，图5所示，顶盖、天窗、顶棚Z向厚度一般在80mm左右，非天窗厚度值在30mm左右，前期造型时综合考虑天窗版和非天窗版的头部空间的目标值，合理确定顶盖的高度，避免造成天窗版头部空间过低。图6显示了内藏式天窗在整车中的Y向中间断面，图中标注了天窗的相关技术参数，L1为顶盖的开口尺寸，天窗玻璃的开启行程S通常小于顶盖开口尺寸，受顶棚的影响，顶部实际开口为L2，L3为遮阳板开启至极限位置时，距顶棚前端开口的距离，通常为室内的实际开口尺寸，L4为顶棚开口尺寸。

3天窗与顶盖的匹配

天窗布置时在Y向相对于整车居中放置，布置时主要是确定X向、Z向位置以及与XY平面的角度。天窗布置对汽车内部空间影响比较大，布置时需要综合考虑多方面的因素：（1）头部空间；（2）顶盖天窗开口与前风挡的距离；（3）天窗与周围配合件的合理间隙，周围配合件包含前阅读灯、顶盖、天窗加强环、遮阳板、天窗运动轨迹与顶盖横梁间隙、顶棚等。出于造型和冲压工艺性的考虑，汽车顶盖都存在一定倾角与弧度，天窗难以水平布置，与XY会存在一定夹角，布置时一般将角度控制在3度以内，对于内藏式天窗来说，进入天窗与顶盖密封面的雨水会沿着天窗滑轨的排水槽排出车外，天窗倾斜角度太大会导致滑轨排水不畅，造成雨水溢入车内。另外天窗需尽量与顶盖平行布置，有利于减小天窗的占用空间，提高乘员头部空间。顶盖天窗开口前端位置在天窗布置时，是比较重要的参数，一般尽可能靠前布置，增加前排乘客的主观体验，但受天窗电机与顶盖安全间隙、天窗前端与遮阳板、阅读灯等的安全间隙考虑，不可能太靠前布置，布置时L值一般在200mm左右，天窗与周边件安全间隙10mm。天窗闭合时需要保证一定的密封性，在进行天窗与顶盖的匹配设计时，要根据天窗玻璃的尺寸合理确定顶盖开口尺寸，需要保证天窗玻璃密封条与顶盖天窗开口翻边存在一定的压缩量，压缩量一般为1mm。顶盖天窗开口与天窗密封条的设计面差为0，密封条与玻璃高度差为1mm，如图8所示。顶盖天窗开口翻边作为天窗的密封面，表面的平整度光洁度要求较高，内藏式天窗在开启过程中，密封条与开口的翻边滑动摩擦，翻边表面质量差会导致密封条过早磨损和开启摩擦异音，一些车型为了减小天窗开启时的密封条摩擦，顶盖开口两侧呈“八”字形设计。天窗本身的重量和安装，需要顶盖具有足够的强度和刚度，为天窗提供牢固的安装点，避免天窗在车辆行驶时震颤，造成车身噪音。顶盖的材料厚度一般为0.7mm～1mm，顶盖天窗开口处要焊接加强板，加强板为天窗提供安装点，增强顶盖开口的刚度。顶盖天窗加强框的结构有分段式和整体式两种，分段式采用分段冲压成形后焊接，整体式直接冲压成形，如图9、图10所示。无论分段式或整体式天窗加强框，天窗的安装和定位是一致的，在加强框上焊接定位销定位，焊接螺栓或螺母用于天窗的安装。天窗加强框与顶盖的配合断面如图11所示，A-A/B-B断面可采用（1）（2）（3）（4）所示结构形式，顶盖翻边与加强框点焊连接，与密封条接触部位的翻边避免点焊，密封面保证8mm宽，避免密封不良。C-C断面可用（4）（5）（6）所示断面形式，（4）断面采用包边结构，结构较稳定，顶盖与天窗匹配的精度容易保证，缺点是包边专机结构复杂，投入成本较高，适用于中高端车型，（5）（6）断面采用结构胶粘接顶盖和加强框，顶盖翻边平面部位高度8mm左右，加强框与天窗轨迹的安全间隙至少6mm，避免天窗开启时车辆振动造成天窗与加强框干涉。天窗加强框与顶盖天窗开口翻边焊接部位贴合，非焊接部位建议保持2mm的间隙，目的是保证翻遍部位的平面度，如图12所示。焊点距离45～55mm，焊点尽量避开密封条能接触的部位。天窗加强框与侧围对搭接方式有三种[4]，一种是天窗加强框和侧围焊接；一种是侧围伸出搭接边，加强框与侧围搭接处打胶连接；一种是加强框焊接螺柱或螺母，增加过渡支架与侧围连接，如图13所示。

4总结

天窗作为汽车的一个重要配置，不仅影响整车的外观性能，还影响车内乘员的体验，其布置会牺牲车内乘员部分头部空间，在与顶盖的布置匹配时需要综合考虑诸多因素，尽可能将不利因素降至最低，最大发挥天窗的效能，提升整车外观，带来良好的用户体验。本文介绍的天窗与顶盖的匹配技术要求和方法，可提供有价值的参考。

作者:庄京彪 王军丽 单位:三一重机有限公司 南京智造力知识产权代理有限公司