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世嘉天窗的设计(刘会涛)


世嘉天窗的设计
Conception de toit-ouvrant de C-Quatre

刘会涛
[摘要] 主要介绍了东风雪铁龙世嘉两厢和三厢车型天窗的设计,定义了天窗和车身匹配的 4 个基本 原则,同时归纳了密封性设计以及开发期间的经验反馈,给出了天窗降噪设计的建议和措施,描述了防夹 系统的基本工作原理和参数匹配流程。 [关键词]

造型风格匹配 防水密封 空气动力 安全防盗 噪音 防夹

0.前言
近年来, 随着国内汽车市场的快速发展和中国用户的特殊喜好, 天窗成为轿车车身越来 越重要的装备件。天窗可提供良好的光照和亮度、改善驾驶室内的通风,给用户提供一个舒 适、时髦的驾乘环境。 目前轿车上使用的天窗主要有 3 种类型:外开式、内藏式和全景天窗。外开式天窗主要 是指天窗只能外翻开启,天窗本体直接固定在顶盖之上,该类天窗主要用于一些小型车上。 内藏式是指玻璃在滑动时可以隐藏在车身内, 该类天窗主要用于大中型车辆上, 天窗通过加 强框架固定在车身上。 全景天窗是指整个车顶全是玻璃结构, 其中玻璃活动部分可以开启和 关闭。 在东风雪铁龙凯旋和两厢世嘉上市后,由于没有配备天窗,一直被用户所诟病。基于市 场的需求,神龙公司启动了世嘉车型天窗项目。

1.项目要求和限制
按照平台部降低开发成本的要求, 从伟巴斯特现有产品中选择一款为世嘉车型进行匹配 设计;同时需要满足品牌部门提出的用户需求。根据世嘉车身的尺寸和顶盖的造型,经过对 比分析发现,伟巴斯特现有的 SGM400 天窗和世嘉车型最为接近,因此选择 SGM400 天窗,但 需进行以下匹配和优化设计: 1.1 功能匹配 世嘉天窗采用双行程翘板开关; 具有一键开启和关闭功能; 玻璃滑动关闭时具有安全防 夹功能; 玻璃滑动开启时会带动遮阳板同步开启。 天窗玻璃有外翻起翘和内部滑动 2 种工作 模式。 1.2 造型风格匹配 天窗车型的内饰风格必须与已经上市的两厢世嘉和正在开发的三厢世嘉的非天窗车型 保持良好的延续性。采用深色隐私玻璃并且尺寸尽可能大,给用户提供一个私人的、宽敞的 驾乘空间。 为了防止天窗遮阳板面料的外观和顶棚之间出现色差, 要求遮阳板面料采用和顶 棚同一家供应商的产品。

2.天窗在整车上的布置
原型天窗的玻璃造型和世嘉顶盖的造型差异很大, 需要进行整车匹配并开发新的玻璃总 成。 天窗在车身的布置除了天窗本体尺寸的影响外, 还受顶盖尺寸和环境件的限制。 天窗在 车身上布置的主要原则如下: 2.1 天窗活动部件和环境件之间间隙最小 10 mm
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为保证玻璃在开启和关闭时运动流畅而不会和车身环境件产生干涉, 同时考虑到车辆行 驶时的空气动力影响,天窗活动部件和环境件之间必须保证最小 10mm 的间隙。 2.2 天窗固定部件和环境件之间间隙最小 5 mm 为了保证在各种制造公差条件下,天窗能够顺利装配以及避免车辆行驶时的干涉噪音, 天窗和环境件之间必须有足够的装配间隙。 2.3 天窗的排水设计必须保证进入车身的水能够通过排水管通畅地排出车外; 当车辆停放在 一定倾斜角度的道路上, 密封条和车身结合部位的水不能滴落到驾驶室内部。 有以下两个设 计原则: (1)车辆停在水平地面时,天窗排水管的排水方向应尽可能向下;方向朝上的时候最 大为 3%(约 1.72°) ,如图 1 所示的角度ɑ。

图1

(2)车辆停放在倾斜 20%(对应于 11.3°)的道路时,水滴只能落在导轨和流水槽内, 然后排出车外,不能进入驾驶室内部。 2.4 对头部空间的影响 增加天窗后,将会牺牲部分头部空间,会给用户带来感官质量的下降,因此设计时应尽 可能保证最大的头部空间,至少和竞争对手车辆保持同等水平。通过减小天窗的厚度、优化 顶棚断面设计等措施来实现头部空间最大化。 世嘉天窗和竞争对手车型后排头部的对比见表 1。
表1 世嘉天窗与竞争对手头部空间对比 车型 世嘉 卡罗拉 伊兰特 福克斯 推荐范围 宽敞型 舒适型 后排乘客座椅靠背角 0° 822mm 807mm 812mm 816mm ≥820mm ≥805mm 14° 866mm 842mm 842mm 885mm ≥855mm ≥840mm

世嘉车型增加天窗后,后排乘客的头部空间和竞争对手保持了相同水平。至此,完成了 天窗在整车上的布置。

3.天窗密封性设计
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3.1 防水密封性设计 天窗的防水密封性通过玻璃密封条和顶盖的过盈配合来实现。 同时,天窗四周设置有 4 个排水管,玻璃和顶盖之间接触面处的进水都能从排水管中排出。天窗关闭时,驾驶室内 不允许有任何进水. 天窗的密封性设计必须考虑密封条的变形、老化以及暴晒后突然冷却等情况下,仍能保 证良好的密封。同时,密封条的设计必须考虑噪音问题,天窗在开启和关闭过程中,密封条 和顶盖之间不能产生嘎吱声、刮擦声和振颤声等。 保证密封性能同时满足噪音主观评价要求,根据计算以及经验,密封条和顶盖之间的单 边压缩量为 1.4mm。 但是在线外预批量阶段,出现天窗 4 个圆角部位漏水的现象。经过分析和验证,找到了 问题的原因: 为了保证密封条装配后的外观和老化后的装配强度, 设计时密封条的长度通常 会比玻璃的周长短 2.5%左右;世嘉天窗密封条的长度为 2200mm,玻璃周长 2255mm,玻璃密 封条在装配之后,四个圆角部位的收缩量较大,导致密封条/顶盖的间隙比其余部位更大一 些。为了解决该问题,对玻璃固定框架 4 个圆角区域做了优化设计:减小玻璃框架和顶盖之 间的间隙。 在 4 个圆角部位,更改之前,圆角区域和其它部位的间隙一样是均匀的,都是 6mm;更 改之后,圆角区域的间隙为 5.4mm,缩小了 0.6mm。设计更改实施之后很好地解决了该问题 (如图 2) 。

图2

3.2 气密性设计 天窗设计时必须考虑空气动力对天窗的密封性、噪音和空气压力等特性的影响。 车辆高速行驶时,玻璃前部处于负压区,玻璃会有抬起的趋势;玻璃后部受到前部反弹 空气的压力而有下沉的趋势。为避免产生令人不舒服的空气动力噪声( 如鸣叫等),玻璃必 须进行以下调整: (1)天窗预先调整平齐度:在前部,相对于顶盖理论位置-2 至 0mm 之间;在后部,相 对于顶盖理论位置在 0 至 2mm 之间。如果有必要,可以在整车上对天窗进行重新调整。 (2)系统必须有足够的刚度,以承受高速行驶时空气动力影响造成的压力差。如果系 统的刚度不足,会导致密封条的压缩量减小造成密封性下降,产生咝咝的噪音;也可能导致 漏水。对于天窗的系统刚度,可以通过模拟试验来实现。具体方法如下: 通过四个点对玻璃板垂直向上施加载荷,力的中心即在玻璃板的中心。各点的位置如
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图 3。

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图3

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B

玻璃板表面施加的载荷见表 2。
表2 汽车最高车速 180 Km/h 250 Km/h 测试力 1250 N/m2 2300 N/m2 备注 测量数据来自车顶风洞试验 测量数据来自车顶风洞试验(只在客户指 明时用)

推荐的数值:玻璃板前部边缘的变形量小于 4mm;后部边缘的变形量不得超过 6mm。

4.天窗降噪设计
天窗在运行时应该有良好的声学性能, 噪音频率的阻尼变化、 颤动和调频都是不允许的。 移动时密封条不能同结构件或天窗部件产生摩擦噪音。 为满足噪音要求, 采取以下设计措施: 4.1 增加滑动关闭时的软停止功能 为了限制天窗在机械限位位置处的噪音,在天窗设计时,要求配备滑动软停止功能。其 目的是当天窗接收到滑动开启命令时, 系统在到达机械限位位置前中断电机的供电, 以便玻 璃通过惯性以零速度到达机械限位位置。 电机停止的提前量必须根据供电电压和玻璃的速度等参数来定义。天窗防夹初始化时, 系统将会记忆软停止位置。 根据经验, 世嘉天窗的软停止位置相对于机械限位位置设置为 5 mm 。 4.2 设计合理的降噪挡块 为了防止天窗、遮阳板关闭时产生冲击噪音,在遮阳板和导轨端部设置 1 个或多个降噪 挡块用于缓冲降噪。 4.3 考虑采用双层密封 车辆高速行驶时,玻璃板处于负压区,车内的空气会被外抽而产生咝咝声,为防止该风 噪的产生,天窗设计时可以考虑采用双层密封方式。双层密封是指在玻璃导轨、前框架和流 水槽等部位增加第二层密封条加强天窗的密封性。 出于降成本的目的,最终决定世嘉车型不采用双层密封系统。 4.4 设置天窗导流板 天窗玻璃滑动开启后,经挡风玻璃和顶盖前部反弹的空气会倒灌进驾驶室内部,在顶盖

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开口后部会形成涡流区,产生噪音。因此,天窗必须配备一个改变空气流动方向的导流板。 导流板必须能够承受施加在其上面的空气动力学作用力,以使其不会产生振动或下沉。 特别是,导流板不可损失任何空气动力-声学效能。导流板的布置必须考虑疲劳变形后与车 顶干涉的风险。一般情况下,玻璃完全开启后,导流板与顶盖的间隙保持 10mm 左右;而导 流板在运动过程中与顶盖的最小间隙保持 5mm 左右,这样可以保证在各种制造公差条件下, 导流板能保证良好的空气动力-声学效能和运动特性。

5.天窗安全性设计
5.1 防盗性 天窗必须有足够的强度, 绝对不允许有从天窗外部插入一个物体打开车锁而不留下撬锁 痕迹的可能性(如玻璃破碎、顶盖变形等) 。设计时通过玻璃在 X 和 Z 向的变形量来考核。 在作用力为 F = 600 N ( 如图 4 所示 ) 时,以起翘方式打开玻璃板时在 X 方向的变 形量不允许超过 5mm 、在 Z 方向不允许超过 30 mm (h)。
起翘

?

? F
h 玻璃 顶盖

滑动

h

? F

玻璃 内饰条 顶盖
图4

5.2 安全防夹以及防夹匹配 为防止天窗在关闭过程中对用户造成伤害,天窗配备了安全防夹系统。该系统可以保证 玻璃的自动运行并限制关闭过程中的夹紧力。 5.2.1 防夹标准 关于夹紧力的安全标准,目前国内还没有国家标准或一个通用的标准,现主要使用的是 欧洲和美国的标准,见表 3。

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表3 标准 欧洲指令 ECE 2000/04 美国标准 FMVSS 118 要求 小于 100N 小于 100N 弹簧刚度 10N/mm 20N/mm 65N/mm 防夹区域 200-4mm 200-25mm 25-4mm

5.2.2 防夹原理以及防夹参数匹配 玻璃在手动、 自动关闭过程中, 在规定的防夹区域内探测到一个相对于滑动力的障碍物 或者阻滞点,防夹装置将会激活以保证夹紧力小于 100N。防夹的基本原理就是电机输出的 关闭力和基准曲线的对比,如果超出防夹阈值极限,系统激活。 关闭力是指玻璃在关闭过程中电机输出的瞬时力值。 电子模块通过一个数学模型来计算 关闭力,输入变量是电机的电压和转速。模块在玻璃升降过程中连续计算电机关闭力,并将 计算出来的力值和基准特性曲线(如图 5)比较,用于防夹检测。如果电机输出力超过防夹 阈值极限,防夹将会激活;如果在关闭过程中没有防夹发生,玻璃将会继续运行直至完全关 闭。

图5

在整个行程, 电子模块会实时地计算电机输出力, 并将该计算力值和基准力值曲线进行 对比计算,以判定防夹是否启动。 对于防夹系统,在批量生产之前,必须要做整车防夹参数优化和匹配,以防止天窗在使 用时出现误防夹。首先,在静态下测试整个天窗运行系统的阻力。该测试在-40℃~+90℃、 整车电压工作区间(9~16 伏特)和车顶总成的制造公差范围之内进行,将会得到静态时的 阻力曲线。然后,在整车上进行动态道路试验,优化该基准曲线,以保证在各种路况行驶时 天窗的防夹不会误启动。经过整车试验,得到如图 5 所示的基准特性曲线(曲线 Reference field) 。 在电子模块灌输程序时,将会植入该曲线作为防夹力值的基准。 在测试动态阻力时, 必须考虑车辆行驶的各种道路条件和车辆行驶速度, 确保天窗的防 夹装置不会误启动而影响用户使用。 表 4 给出的是目前在防夹参数优化时所使用的试验条件, 该参数基本涵盖了用户的各种 使用条件。
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表4 试验时的车辆速度(Km/h) 石块路 变波频搓板路 共振路 砾石路 砂石路 综合路段 高速 X X X X 25 X X X 30 40 50 140

在完成以上试验后,基准曲线被固化作为防夹的基准。 5.2.3 防夹探测区域 防夹探测区域在所有情况下应与现行的法规相兼容。 该区域位于 200mm 至 4mm 的区间内, 在此区域内,如果玻璃遇到一个障碍物,防夹将会启动,玻璃反转。 5.2.4 安全防夹顺序运行功能 玻璃板在移动过程中遇到刚度为 5 至 20 N/mm 的障碍物以及制造公差范围内的所有运行 条件下,在探测力为 100N 时防夹安全启动。 玻璃以手动或自动模式关闭时,如果玻璃在防夹探测区域内探测到一个障碍物或阻滞 点,这时防夹装置将会激活。安全防夹循环启动后玻璃会停止运行,然后反转运行一段距离 后停止,默认情况下玻璃反向运行 50mm。 当防夹安全循环在进行中时,来自开关的操作将不会被执行而且在任何情况下都不能中 断正在进行的循环。 5.2.5 防夹程序抑制 防夹抑制, 就是关闭防夹功能, 以实现天窗的关闭。 按照法规要求, 防夹力不能超过 100N, 那么在一些特殊情况下,用户可能无法关闭天窗,如: (1)导轨的异常阻力:导轨的变形、结冰等。 (2)玻璃上异常的空气动力阻力等。 为解决类似问题,引入了防夹程序抑制功能。 防夹抑制程序仅仅在防夹安全运行结束之后才能启动 :在玻璃防夹反转停止后,持续按 住开关使玻璃步进关闭。在松开开关后,防夹抑制程序将会结束;为恢复自动运行功能,有 必要对系统进行一次重新初始化。 5.2.6 初始化 天窗交付时处于交付模式,此时没有自动运行模式。因此,在装车后必须进行一次初始 化,以激活防夹功能。 初始化程序如下: (1)玻璃以降级模式运行到起翘机械停止位置。 (2)玻璃堵转,保持上升操作命令至少 0.5s(可修改)。 以上操作之后, 系统第一次初始化完成, 防夹系统将会激活, 自动操作功能将可以实现。 5.2.7 降级模式 降级模式是指天窗在自动运行功能丢失后的一种运行模式。在此运行模式,天窗将不能 进行自动操作,以步进模式运行。 5.3 其它安全要求 如钢化玻璃的强度、遮阳板面料的阻燃性等要求,设计时必须遵守中国相关法规以及法 国和欧盟相关法律法规的要求。
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6.造型风格匹配
品牌部对市场调研的结果显示, 原型天窗的颜色、 纹理等风格和世嘉车型的定义不匹配。 因此,根据用户需求和喜好,开发了新的遮阳板颜色和纹理;采用当前最流行的深色隐私玻 璃。为了向用户提供最大的可视区间和采光亮度,设计时根据顶盖造型、侧围宽度以及后排 头部空间要求,设计最大的玻璃外形尺寸,经过计算,把玻璃尺寸定义为 400mm × 810mm。

7.结束语
天窗车型拓宽了神龙公司世嘉车系的产品线, 为用户提供了更多选择, 满足了天窗喜好 者的愿望,也吸引了更多的潜在客户。世嘉天窗车型投放市场后,引起了用户较大的反响。 2009 年上市以来,世嘉天窗质量一直稳定可靠,截至目前售后 6 个月的故障率为 570PPM, 圆满达到了当初的设计目标。

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