轎車電動天窗運動機構設計與動力學分析

鄭海，楊立峰

(杭州職業技術學院青年汽車學院，浙江杭州 310018)

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轎車電動天窗運動機構設計與動力學分析

鄭海，楊立峰

(杭州職業技術學院青年汽車學院，浙江杭州 310018)

電動天窗已經成為很多轎車的標配，國內在吸收國外設計經驗的基礎上進行了國產化，期間出現的問題很多。研究天窗的結構設計，提高國產電動天窗的裝車成功率，是轎車整車廠、天窗零部件廠關注的突出問題。介紹了輕量型天窗的結構設計過程，主要論述了運動機構設計、裝配結構，以及機構的動力學分析過程。該研究對于轎車天窗的改進有重要意義。

轎車；電動天窗；運動機構；動力學分析

0 引言

轎車天窗是改善車內空氣品質的一種附加裝置。為了避免污濁的空氣和外界噪聲，汽車在城市或高速公路上行駛時，一般不得不關上側窗。這種情況會給乘客帶來身體的不適，使用天窗能很好地提高乘員舒適性。

隨著汽車向智能、舒適、節能、環保等方向發展，天窗也向舒適、美觀、輕量方向發展。偉巴斯特是國際知名的汽車天窗設計及生產制造商，為后加裝市場提供天窗已有數10年的經驗[1]。其產品在合資品牌轎車上使用較多，市場占有率比較高，故該企業一直引領轎車天窗的前沿，目前已經有多款輕量型天窗投放市場。國內天窗企業對于輕量型天窗的設計還處于摸索階段，研究新型天窗的結構設計有重要意義。

1 轎車電動天窗結構介紹

轎車電動天窗由電機驅動實現開啟、關閉，按在車上的運動方式，主要結構可分為內藏式、外開式。其中內藏式天窗是電動天窗的主流，其結構如圖1所示。

內藏式天窗位于頂棚內飾與車身頂蓋之間。這種天窗開口尺寸大，外型漂亮簡潔，多用于B級以上轎車及商務MPV。隨著汽車市場的發展，將大量用于主流A級家用轎車。

圖1 電動天窗結構圖

2 轎車天窗結構設計介紹

轎車電動天窗產品是集機械、電子、控制等于一體的大型車身附件，其結構設計要配合整車廠的車頂結構硬點、力學性能指標、曲面光順連接等要求。設計過程中要進行各種零部件、整機試驗，檢驗其性能是否符合國家標準。

2.1 天窗結構設計相關技術

新型天窗的結構設計涉及鋁合金、塑料等各種材料組成的輕量化結構設計，力學性能方面涉及框架強度與剛度、機構動力學分析、機構的摩擦與潤滑等問題的研究，舒適性方面涉及密封性、排水、氣動性、振動噪聲等問題。

在CAE仿真方面，涉及剛柔體相結合力學、接觸、摩擦等非線性問題的研究，對塑料件進行力學分析與工藝分析也非常重要。國內學者在天窗設計方法方面已經做了一些研究。哈爾濱理工大學的金婉如等[1]提出了一種汽車天窗參數化設計方法，實現了汽車天窗零部件建模和裝配過程的參數化。

2.2 天窗結構設計開發流程

電動天窗產品的開發需要配合整車研發企業的項目開發進度，設計流程比較復雜，自主開發能力的提升需要加大研發力度，逆向式的“照搬照抄”無法保證產品質量和品質的提升，有的廠家甚至會影響整車項目節點-SOP。作者對實際開發項目進行總結，提出如圖2所示的開發流程。

圖2 電動天窗結構設計開發流程圖

國內廠家的開發設計流程缺少虛擬樣機仿真、機構動態分析，由于缺乏基礎研究，設計的產品可靠性得不到保證。特別是對支撐框架、運動機構的設計，幾乎沒有力學計算分析[2]。這樣的結果會大大影響整車的力學性能、舒適性能以及消費者的滿意度，不利于提升品牌形象。

3 運動機構的結構設計

運動機構是天窗運行的執行系統，也是整個天窗的核心系統。整個機構的設計經過多輪設計、計算、仿真、試驗、分析、改進，最終的結構十分巧妙，在裝配工藝、材料選擇方面有很多創新之處。

塑料導槽與玻璃總成使用螺栓聯為一體，塑料導槽可繞前端滑塊連接處旋轉；為加強強度，塑料導槽前端設置加強筋以及凸臺。前端滑塊的主要作用是壓緊擾流板，用于防止擾流板上面的彈簧片反彈。

連桿的作用主要是支撐導槽運動、帶動限位支架，連桿的結構非常復雜，內側設計很多加強肋，以加強其力學強度。支架嵌塊過盈配合，嵌入驅動支架專門設計的缺口中，這一塑料件的設計很有創新；支架嵌塊與塑料導槽為多面力學接觸，保證運動的平穩性，實現導槽的升降過程。系統設計多處為活動連接，對于運動件是非常必要的，這種設計能使機構運動過程更加平順，能夠降低卡滯、異響等現象出現的可能。

支架嵌塊與導槽聯接設計的接觸方式可以完全實現自鎖；當乘客按下停止按鍵時，導槽的結構保證它能夠立即停止，保證了使用的安全性、用戶的體驗感。接觸部件采用具有自潤滑效果的塑料，不需要添加潤滑油料，大大減小摩擦，節省了天窗的裝配時間，降低了天窗的生產成本。

前端滑塊、驅動滑塊、限位支架等部件都是結構很復雜的塑料注塑件，都裝配到鋁合金框架表面的導軌上，實現機構運行的直線度，這一裝配關系要求裝配人員有較高的技術水平，對產品的尺寸誤差要控制到位。驅動軟軸柔性拉動驅動滑塊，驅動滑塊整體拖動支架嵌塊，支架嵌塊與塑料導槽力學接觸，其下端頂起塑料導槽。因玻璃總成與導槽連為一體，所以當導槽繞著旋轉點升起時，就實現了天窗開啟過程；同理，當支架嵌塊上端拉下塑料導槽時，就實現了天窗關閉過程。

4 運動機構的動力學分析

天窗的運動包括升起、下降、前進、后退，以實現產品的功能，這些運動過程都需要圖3所示的機構來實現，基于車身輕量化的考慮，整個機械運動機構全部采用塑料。對于結構的強度、剛度、動力學、耐久性、疲勞等性能，需要進行多輪計算、試驗、結構改進、分析等設計過程[3]。

圖3 機械運動機構

對設計的整機進行運動學分析、動力學仿真、整機試驗，得知天窗的運動軌跡合理，機構設計滿足企業要求，運動過程中的力學強度滿足工況，應力分布合理，塑料材料合理、充分地發揮了潛力。文中主要介紹動力學分析相關的內容，整個分析過程包括裝配關系分析、結構力學模型建立、機構約束的等效、添加機構載荷、模型受力計算、動力學分析、結果后處理等過程。以下說明主要的分析過程。

4.1 動力學分析模型建立

新型天窗的運動機構在天窗中的裝配關系如圖4所示，從這一側視圖可以看出運動機構分別通過左右各3個螺栓與天窗玻璃總成裝配到一起。為方便計算，經過結構簡化、添加載荷，建立的模型如圖5所示。

圖4 運動機構裝配關系圖

圖5 運動機構動力學分析模型

4.2 動力學分析結果

經過幾何清理、網格劃分、約束設置，得到的有限元模型總計有13 902個力學單元、10 071個節點。通過設置非線性有限元參數，經過分析軟件運算，得到機構工作過程中的受力情況。動力學分析結果表明：運動機構動載荷分布均勻，最大應力為10.8MPa，位置如圖6所示，這一結果滿足該塑料材料的受力要求。

圖6 運動機構動力學分析應力圖

5 結論與展望

介紹了輕量型天窗的結構及其設計過程，著重論述了運動機構的設計、裝配結構以及動力學分析過程，闡述了其結構的先進性。文中的研究成果對于轎車天窗的改進有重要意義。

【1】金婉如,邵俊鵬,劉慶全,等.基于UG的汽車天窗參數化設計[J].哈爾濱理工大學學報,2004,9(5):4-6.

【2】趙靜斌.轎車電動天窗運動執行機構的虛擬樣機分析與試驗研究[D]．長春:吉林大學，2006.

【3】鄭海.面向輕量化的轎車電動天窗結構創新設計的有限元分析[D]．長春:吉林大學，2009.

MechanismDesignandDynamicsAnalysisofCarElectricalSunroof

ZHENGHai,YANGLifeng

(YoungmanAutomotiveInstitute,HangzhouVocational&TechnicalCollege,HangzhouZhejiang310018,China)

Asthedevelopmentoftechnology,sunroofhasbeenthestandardconfiguration.Intheprocessofdomesticelectricalsunrooflocalization,alotofproblemsareneededtobesolved.Studyingthestructuralcharacteristicsoftheelectricsunroof,improvingthedesignlevel,andachievinglightweightskylightareconcernsofcarcompaniesandcarpartscompany.Thestructuraldesignprocessoflightweightelectricsunroofwasexplained.Themechanismdesign,assemblyprocess,andthedynamicsanalysisprocesswerediscussed.Thestudyhasgreatsignificanceontheimprovementofcarelectricalsunroof.

Car;Sunroof;Mechanism;Dynamicsanalysis

2015-12-04

鄭海(1985—)，男，講師，主要從事汽車設計及CAE分析、制造工藝方面的研究。E-mail:design-zh@163.com。

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