某款車型擋風網支撐結構的優化設計與研究

摘要：全景天窗的擋風網，不僅可以讓車在行駛過程中降低風燥，還能遮擋異物進入車內，也保持車內良好的通風，增加車內乘客的舒適性，提升整車的豪華感。文中從可開啟的全景天窗擋風網扭簧支撐固定結構出發，結合塑料框架的制造工藝、扭簧線圈的空間大小，而增加扭簧的限位結構;這樣既提供了其工程可行性，又去除了天窗漏水的風險;還避免扭簧從框架中蹦出誤傷他人，為后續天窗結構設計的合理性、可靠性和安全性提供了有利的參考價值。

關鍵詞：全景天窗擋風網;擋風網扭簧;扭簧支撐固定結構;可靠性

0 引 言

近年來，在汽車相對封閉的狹小空間，消費者越來越重視車內舒適性;而追求的舒適性，自然少不了天窗的配置;畢竟天窗不僅可以保持車內空氣新鮮，而且還可以讓車內乘客欣賞更多的車外風景。于是可開啟式的全景天窗成為了各大主機廠的最佳選擇。

可開啟式的全景天窗，在車輛行駛過程中打開天窗玻璃，將會有刺耳的風嘯聲，同時也會有異物容易落入車內，大大降低了乘客的舒適性;由此就需要增加對應的擋風網結構來避免;而為了保證擋風網結構的穩定性，其支撐結構起著關鍵性的作用。本文主要展現了平臺開發過程中擋風網支撐結構的優化，結合自身和周邊零件裝配、功能的要求，使其更為可靠;這種結構不僅得到客戶的認可并成功上市，同時還在多國申請了專利;最終讓消費者在享受舒適性的同時，還獲得更高的可靠性和安全性。

1 擋風網支撐結構的要求

擋風網支撐結構的布置空間，主要受周邊零件的影響;根據天窗機械組帶著前玻璃運動的軌跡而帶動擋風網的起翹和關閉狀態，繼而確定了擋風網的布置空間;再結合擋風網與導軌及前框架的固定結構，最終確定了擋風網支撐結構的形式和位置。

1.1 設計結構的原理

根據客戶對于此車型的定位，此款車型為客戶主打的高端SUV，其同時供貨于汽油車和新能源車。而當下由于汽車行業競爭激烈，為了獲得更有利的競爭力，降低成本成為了各大主機廠和零部件公司的首要目標。結合客戶的要求及公司的目標，平臺開發時確定采用成熟的支撐結構，即將扭簧短臂固定在前框上，長臂固定在擋風桿上。其運行原理如下：當天窗玻璃處于關閉狀態時，機械組上的滑腳壓住擋風桿，底部靠扭簧頂住，防止車輛在運行過程中產生異響;當機械組帶動天窗玻璃向后打開時，機械組滑腳在擋風桿上滑行逐漸后退，而擋風網總成在扭簧的作用下逐漸升起，繼而起翹到最大的高度;當機械組帶動天窗玻璃向前關閉時，滑腳逐漸接觸到擋風桿，并在擋風桿上滑行并下壓，完成擋風網總成的關閉。

1.2 設計結構的需求

擋風網作為天窗總成中的一個分總成零件，售后市場有更換便利性的要求。為了滿足客戶售后市場的需求，其扭簧①與擋風桿②的配合是通過將扭簧長臂藏于擋風桿的凹槽中，凹槽兩側采用筋限位的方式，減少與扭簧的接觸點以便避免扭簧工作過程中的異響缺陷;同時扭簧設計時，長臂的安裝角度大于工作角度，讓扭簧一直處于壓縮狀態中，避免扭簧從擋風桿中脫出;而扭簧短臂直接插入前框③的孔中即可。安裝時，先將天窗玻璃打開，將擋風桿其它結構固定在前框和導軌上，然后將扭簧短臂固定在前框，再將扭簧長臂固定在擋風桿中;更換拆卸時，按照其反操作即可，詳細的裝配方式如下圖1所示。

1.3 設計結構的合理性

天窗布置的要求，在乘客享受到溫暖陽光的同時，也需要避免雨水滲入車內;此要求對于擋風網的布置，也是同等重要。以往量產項目扭簧的支撐結構設計，是在前框上增加一個通孔，扭簧的短臂設計成后翻結構，然后通過前框的通孔旋轉安裝插入到其背面的凹槽中，而扭簧的長臂固定在擋風桿上;扭簧的旋轉受力過程中，將力由長臂傳遞到斷臂，繼而讓前框背面受力，以保持扭簧工作過程中的穩定性。雖然這種成熟結構經過多個項目上百萬臺天窗的量產驗證，確保了結構的穩定;但因前框中增加通孔，且又靠近天窗的濕區，客戶擔心極端情況下可能會導致漏水缺陷?；诳蛻舻念檻]，我們結合扭簧自身有自由角度折彎的特點，并參考其他項目的優化思路，將扭簧的短臂后翻結構更改成下翻，前框上的通孔更改為盲孔，由上而下將扭簧短臂直接裝配到前框中，并在下翻的短臂兩側增加了限位，防止扭簧繞短臂而產生自身的旋轉。此結構的優化，完全解決了客戶擔心的漏水風險。詳細如下圖：

1.4 設計結構的安全性

雖然按照客戶的需求，使擋風網的支撐結構更為合理，避免了天窗漏水的風險;但在后續的試裝過程中，此結構卻易引發出風險更大的安全性問題。在后期開發試生產過程中，工人按照設計的裝配要求，先將扭簧短臂插入前框中，然后再將扭簧長臂下壓受力固定擋風桿上;但因周邊零件的布置，裝配空間有限，長臂下壓受力過程中很容易從手中脫開，而扭簧短臂也跟隨從盲孔中脫離，導致扭簧從前框中高比例的蹦出。這種存在安全隱患的結構，無疑是違背了當初優化設計的初衷。這也就是需要繼續優化結構的根本原因。

2 擋風網支撐結構的優化方案

在近兩年的開發周期內，我們一直在探索更有效的改善方案。結合周邊零件的空間要求，我們將此處結構做成一個小塊，然后在此合理的空間范圍內，考慮多種不同的優化方案來評估，并通過3D打印和機加工快速成型樣件進行試裝和驗證。

2.1 方案（1）

扭簧的短臂延長到前端，并采用卡扣結構在線圈的前端固定短臂，由上向逆時針方向旋轉下壓安裝，通過卡扣彈性變形以確保扭簧安裝到位;同時在短臂兩側增加Y向限位筋，以確保扭簧在使用過程中維持穩定的狀態;經過對此處配合結構進行3D打印并試裝，因扭簧安裝空間有限，導致扭簧安裝過程非常困難，不利于量產的裝配性要求;且安裝到位后，模擬擋風網起翹和關閉過程中，由于扭簧扭轉產生的應力，通過短臂傳遞到前框卡扣結構上，因無法承受其應力，而導致卡扣結構斷裂;結合以上兩點來分析，此方案無可行性，以失敗而告終。

2.2 方案（2）

結合方案（1）反饋的問題點，為了解決扭簧安裝問題，將扭簧的短臂前端增加一個折彎;扭簧安裝時，先將扭簧豎起，短臂折彎結構插入到前框的盲孔中，兩側增加限位筋，以確保扭簧前后和左右方向均保持穩定狀態。經過3D打印結構驗證，但因短臂插入的深度很小，和框架的重疊量僅有2.5mm，扭簧在運行旋轉過程中受力傾斜導致短臂從框架中脫離;同時根據前框供應商的反饋，前框的盲孔深度達到7.5mm，斜頂后端的退讓空間不足，導致模具上的斜頂結構無法布置，繼而無法實現此結構。

2.3 方案（3）

按照方案（2）的試裝效果，按照前框模具供應商的建議，將前框上盲孔深度調整到4mm，斜頂后退空間也有11.5mm;既讓模具具有制造的可行性;同時通過減少了扭簧的圈數，讓扭簧和框架的重疊量達到3.5mm，以便扭簧短臂不從盲孔中脫離;雖然解決了以上問題，但是在試裝過程中發現隨著扭簧長臂的受力，而短臂的旋轉軸也位于前端，此時整個扭簧就會以短臂前端為旋轉軸，后端線圈區域將跟隨長臂的受力而翹起，敲打擋風網結構，導致扭簧受力偏向外側，繼而導致扭簧從框架中脫離而失效;

2.4 方案（4）

根據之前的試裝結果表現，我們將前框對應的結構跟隨扭簧短臂結構調整到線圈后端，仍然保持扭簧的短臂折彎結構插入到前框中，然后再線圈區域旋轉放置到前框中，當扭簧長臂裝配到擋風桿底部受力下壓時，通過線圈的連接，短臂受力朝上，以保持前后手里均衡。經過3D打印樣件的試裝，其試裝結果確實滿足要求。為了確保此方案設計有效，我們使用量產材質，采用機加工的方式，組裝了整個天窗總成進行疲勞試驗驗證;在進行到第7000次的疲勞試驗中，扭簧仍從前框中脫出;結合現場情況來分析，扭簧短臂折彎結構的受力較大，與前框的盲孔接觸面積小，使得前框局部受力磨損嚴重，繼而發生局部結構開裂;同時扭簧線圈與其底部的前框結構由于存在磨損，運行過程中產生異響而易引起客戶的抱怨;項目組評估因無法接受異響缺陷而放棄。

2.5 方案（5）

將單長臂扭簧更改為雙長臂扭簧：扭簧短臂變更為兩個，由上而下插入前框結構中;扭簧中間結構拉長與擋風桿連接固定，但是因擋風桿受機械組及天窗玻璃空間限制，結構布置后會周邊零件存在干涉而無法實現;

2.6 方案（6）

在扭簧線圈區域增加軸：扭簧從外側裝配到前框中，將扭簧短臂往前延伸，減少與長臂之間的長度差異;通過軸的加持，讓扭簧在運行過程中保持更加的穩定;此方案需將前框干濕區分離的墻打通，以便有足夠的安裝空間;由此前框的干濕區將合并，但干區與導軌存在遠遠低于干涉分離墻高度的螺釘固定點，這將會導致前框漏水;而且按照裝配順序，扭簧拆卸過程中將會和機械組干涉，無法滿足售后市場更換的便利性要求。

3 擋風網支撐結構的最終優化方案

在經過多種方案的嘗試，仍然無法優化現有的結構設計;通過研發小組的多次討論，作者發現扭簧線圈之間的間隙是關鍵點，此間隙是為了避免扭簧在受力過程中每相鄰兩個線圈之間不會因有摩擦而產生異響;作者通過兩手指沿著徑向壓縮壓線圈，發現線圈的徑向能縮小;當手指釋放力時，扭簧線圈會還原。

作者根據扭簧線圈的這種特性，來增加限位結構以防止扭簧從前框中脫離。于是結合之前失敗的方案以及客戶的需求，優化了限位結構：在前框③放置扭簧線圈的軸心位置增加了圓形的斜坡卡扣，斜坡結構是為了扭簧①更容易裝配到前框中，而當線圈受力時，卡扣還能遮擋扭簧不會從前框中脫出;卡扣底部和扭簧線圈之間還保持有2.2mm的間隙，以確?？酆团せ删€圈之間不會有接觸磨損而造成異響缺陷，減少客戶的投訴抱怨;同時，在線圈外輪廓的后端也增加了預防性的限位筋，保持與扭簧較小的間隙，扭簧正常工作狀態是不會接觸到限位筋的;當扭簧長臂從擋風桿②中脫離時，回彈的扭簧線圈會產生一個向上和向后的力，通過線圈中的卡扣結構來阻止扭簧向上飛出，而預防性的限位筋會直接頂住扭簧，減少扭簧自身的振動，而讓扭簧快速停止下來。前框增加的卡扣限位結構，經過供應商的評估分析，也可通過模具上增加斜頂機構來實現。前框增加的限位結構如下圖：

對于優化有的方案，詳細的裝配過程如下圖所示。

此方案的優化，減少了周邊結構的更改，維持現有的扭簧結構，僅優化前框結構即可滿足要求。同時對于售后市場更換扭簧也是極其方便，僅使用一字螺絲刀在卡扣位置插入扭簧線圈區域，壓緊扭簧使其變為壓縮狀態;再將扭簧從前框中拔出短臂即可。經過3D打印的結構驗證，確實達到了扭簧不易蹦出的效果;后續前框模具更改后，使用合格的前框狀態裝配成天窗總成的疲勞耐久試驗也完全符合要求。最終此方案的實施，也獲得了客戶的一致好評。

4 結 論

不同的擋風網支撐結構，是通過注塑、縫紉和折彎等多種工藝組合而成的。讓擋風網結構處于一個穩定、可靠和安全的狀態;對車內前排乘客的舒適性是很大的指標;這也是不斷優化改進的結果。所以在開發時需要充分考慮其裝配和功能的需求，合理布置、吸取經驗、大膽創新、謹慎驗證;加強和供應商的溝通交流，內部多進行設計評審、頭腦風暴等方式來優化產品結構，才能設計出合理又安全的產品。

姓名：卜運泉 出生年月：1984年05月16日; 性別：男; 籍貫：江西省萍鄉市;學歷：本科;職稱：中級職稱; 研究方向：汽車專業;