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1、汽车天窗优化设计摘要：本文简述了汽车天窗的工作原理，结构特点，性能要求及实验要求，说明了汽车天窗优化设计的设计流程。关键词：汽车天窗优化设计。1 .前言汽车天窗在国外有100多年的历史，已成为汽车文化的一局部。在中国市场上，许多汽车制造厂家已开始引入天窗配套工程，目前，许多厂家的汽车都推出了天窗版轿车。开车的人都知道，一辆车里挤的人越多，车内的空气就越浑浊。如果在车内吸烟，车里就更是烟雾缭绕，车里的气味更是难闻。为消除这些让人感觉不舒服的味道，许多人选择购置车用香水，但这只能起到一定的除味效果。当然,翻开侧窗也可起到换气的作用，可车辆在运行中翻开窗户会产生很大的噪音，而且风直接冲撞到司机降低舒
2、适感，坐在后排座位的人也会被侧窗的风吹得睁不开眼。汽车在行驶过程中假设经常翻开窗户，不仅影响车内温度，会带进大量灰尘及传入车外噪声，而且由于高速行驶形成的风会直接冲撞到车内的乘员，降低乘坐舒适度，因此现代汽车一般都关窗驾驶。对于车身密封性不良的汽车，虽然也能带进局部新鲜空气，但由于不能人为地控制进风，进风量难以符合要求，而且进风部位是随机的，往往带进大量灰尘、烟气（发动机废气），污染车内空气。但假设车内无新鲜空气补充，会使车内空气中二氧化碳含量增大、氧气含量下降；车内还会因抽烟、人体呼吸、食物及物品等使空气气味不好，影响乘员身体健康；为了防止汽车前窗结霜凝雾，也需要引入新风，需要有通风装置。另
3、外，通过天窗的玻璃可以自然采光，车室内明亮并可以营造浪漫的气氛,并给喜欢高档车的顾客带来了满足感。因此，加装天窗既为汽车改善通风状况的有效方法。汽车档次不同，天窗也有很多种，所以，在汽车上装配天窗就存在着优化问题，也就是本文的研究所在。2 .定义2.1 天窗天窗：是指安装于汽车顶部、主体材料为玻璃的车身部件，并且该部件有一局部能够由电机驱动并通过传动机构将天窗玻璃沿滑槽前后移动、倾斜启闭，且能按要求停留在任意位置。天窗分为固定式天窗也叫全景式天窗和活动式天窗。活动天窗又分为手动式玻璃天窗及电动式玻璃天窗。2 .2优化设计优化设计：设计是创造方案的过程，传统的设计是设计者按设计要求和设计者的实践
4、经验，参考类似结构，通过判断创造方案，然后进行力学分析或按标准要求作平安校核，再修改设计。这一过程繁复，且往往只能创造出可行方案。而优化设计那么把力学概念和优化技术有机地结合，根据设计要求，使参与计算的量局部以变量出现，形成全部可能的设计方案域，利用数学手段在域中找出满足预定要求的不仅可行而且最好的设计方案。实践证明，优化设计能缩短设计周期、提高设计质量和水平，取得显著的经济效益和社会效益。而最优设计是在明确结构的经济性与平安性等指标下，结合计算机辅助设计，很方便地实现分析计算、设计、出图等全过程的自动化，提高了设计效率和质量。3.天窗的作用3. 1汽车活动天窗是汽车乘坐室与外界的空气直接交换
5、通道，是改善汽车内部温度和空气质量的一种方法，而汽车内部温度和空气质量对驾乘人员在长时间驾驶车辆过程当中的舒适感以及驾驶平安性有着较大的影响。翻开天窗，使车内空气循环，使汽车内部可以保持新鲜的空气，可以排出烟味、酒味、霉味等，消除暖风空调的不适感，减小驾乘人员因空气混浊所引起的昏睡感，增加汽车乘坐舒适度，减少司机的疲劳感并可以预防交通事故。3. 2在湿度高的天气和寒冷的季节可以防止玻璃上的湿气。3. 3闷热的夏天，长时间停车再启动时，翻开天窗可尽快排出热空气，降低车内温度。3 .4天窗本身配有的顶盖支架增加了车内的平安性，发生交通事故时天窗也可以用作紧急出口。在野外摄影、打猎时天窗起着同样方便
6、的作用。4 .天窗工作原理天窗装置是利用流体力学的原理，将车内的混浊气体“抽”出，使空气得到充分的交换。在流体力学研究领域，实验证明在流速高的情况下流体对管壁的压力小,在流速低的情况下流体对管壁的压力大。汽车在高速行驶情况下，由于汽车顶盖都具有一定的弧度，因此，外部气流在流经汽车顶盖时速度会很高，外部空气对汽车顶盖的压力小于车内空气对汽车顶盖的压力，车内空气向车外流动，压力变小，外部新鲜空气补充进车内，这样，车内空气得到循环，汽车内部就可以保持新鲜的空气。5 .天窗的种类及特点5. 1汽车天窗种类汽车天窗种类见表1表1天窗固定式玻璃天窗活动式玻璃天窗滑帘式天窗手动式玻璃天窗电动式玻璃天窗上推式
7、天窗推拉式天窗外滑式天窗内滑式天窗注：1.固定式玻璃天窗也就是玻璃顶棚，不可活动，不减弱甚至会加强整车强度及刚度。2.滑帘式天窗主体材料为可折叠的软帘，软帘沿滑槽前后移动、启闭,且能按要求停留在任意位置。5. 2汽车天窗特点手动式玻璃天窗见表2表2种类特点上推式天窗天窗不能移动，可绕前端转动轴转动翘起一定角度，安装方便，操作简单，天窗玻璃可拆卸，车内头顶空间损失小推拉式天窗天窗能向后移动，操作简单方便，开度大，车内头顶空间损失小电动式玻璃天窗特点见表3表3型式外滑式内滑式特点1. 天窗玻璃受到空气阻力帮助开启更为便捷。2. 天窗安装更为容易。1. 车辆在高速行驶中不会受到外界风流冲击的影响。2
8、. 天窗在关闭状态下，其后侧仍然能够抬起一定问隙，同样自然循环车内空气。3. 在天窗玻璃关闭时仍然可以通过遮阳板来遮避太阳光的照射。运动及位置天窗玻璃从关闭位置倾斜开启一个角度，然后在顶盖上部（外侧）保持倾斜状态向后滑动翻开。天窗玻璃从关闭位置倾斜开启一个角度，然后回到关闭位置，并在顶盖下部（内侧）向后滑动翻开。开度a.倾斜高度b.向后滑动4060mm和60%的玻璃宽度心4050mmQIo0%的玻璃宽度电机位置前置前置或后置车体结构顶盖外板开孔顶盖外板开孔、折边焊加强框结构与安装天窗上的螺钉应紧固，无松动现象；滑槽内的运动件应移动顺畅，无卡滞现象和异常噪声；遮阳帘在天窗上应安装到位，且操作灵活
9、，便于拆卸。车内头顶空间损失Q3545mmQ5060mm安装布置空间要求安装布置范围小，用于车身顶盖长度尺寸安装布置要求空间较大，用于车身尺寸相对较大的车型设计制造投资少，开发制造周期短（1年左右），产品有一定的通用性（在后加装中可用于多种相近的车型）为某一种车型单独设计和制造，高投入，需23年的开发制造周期费用情况投入少，产量小，单价相对高投入大，产量高，单价相对低应用范围a.在后加装天窗时使用，可用于车身顶盖曲面及结构相接近的多种车型上；b.经过适当的工艺改良，也可以在车身尺寸较小的原厂车型上使用应用于原厂生产的车型，单独为该原厂车型设计和制造，不能与其他车型匹配5.3汽车天窗各组成零部件
10、执行标准GB/T 2828QC/T 625GB/T 17340GB 9656GB/T 12421QC/T 4136.天窗的结构型式6. 1天窗的结构逐批检查技术抽样程序及抽样表汽车用涂镀层和化学处理层汽车平安玻璃的尺寸、形状、外观汽车用平安玻璃客车门窗用橡胶密封条汽车电器设备根本技术条件a.夹紧式结构天窗分为天窗总成单元及安装固定框两局部，分别位于车身顶盖的外侧和内侧，通过紧固件使这两局部闭合并同时夹住车身顶盖的安装固定方式为夹紧式结构。b,悬挂式结构这种结构的天窗需要为其专门设计车身顶盖，顶盖要有一个翻边孔；同时另需设计一个顶盖加强件（冲压件），并与车身顶盖的翻边孔焊接在一起。天窗总成作为一
11、个整体，通过紧固件悬挂固定在加强件上。天窗夹紧式与悬挂式结构的比拟型式夹紧式悬挂式外观天窗玻璃高于车身顶盖与车身顶盖保持平整安装方式1. 天窗总成在上部；2. 安装固定框在下部；3. 车身顶盖在中间。从顶盖下部（车内）向上安装；紧固件螺母焊接在顶盖加强件上，通过螺栓从下部将天窗与加强件固定在一起密封天窗与车顶间由密封条强制密封，天窗玻璃与开口框架处由密封条强制密封玻璃周边密封条与车顶翻边配合，密封条有一定的压缩量，起到密封作用。排水系统不需要，天窗与车身强制密封，雨水无法进入车身需要。天窗及车身结构中需要一套排水系统将渗入天窗内部的雨水排到车身外部车身顶盖的结构设计在车身顶盖上设计一个简单的冲
12、切孔，不需要加强件需要在车身顶盖上设计一个翻边孔，另外需要设计一个加强件，并与顶盖孔的翻边焊接在一起车身的制造仅需另外制造一副顶盖冲孔模；制造精度要求相对低1. 在顶盖制造上另外需要多副模具，如顶盖冲孔落料、翻边、整形等；2. 需要一套模具制造加强框；3.需要定位及焊接工装将加强框与顶盖焊接。制造过程复杂，精度要求较高（天窗的密封性能以及与顶盖的外观配合受尺寸精度的影响较大）；辅助工装要求高（如定位夹具、检具等）车身制造周期及费用车身制造周期较短，费用相对较低车身制造周期较长，费用相对较高6. 2天窗的密封排水方式a主动式密封方式通过天窗与顶盖之间的密封，以及天窗玻璃与天窗开口处密封条的密封，
13、阻止灰尘及雨水等进入天窗及车身内部。b被动式密封（排水）方式通过天窗玻璃周边的密封条与车顶翻边的密封结合，阻止灰尘及大局部雨水；同时，天窗总成内部需要设计有流水槽及排水导管接头，将少量从玻璃密封条与车顶接合处渗入的雨水排到车身外部。在天窗总成内部框架的4个拐角处各设计一个排水导管接头，排水导管接头连通流水槽并外接排水导管，前部的排水导管通过车身A柱，后部的排水导管通过车身C柱或D柱，将雨水导出车身。6.3天窗玻璃开启运动的实现，均是由一个电机提供动力，在开关以及电路模块的控制下，通过减速机构、传动拉索，将动力传递给与玻璃相连接的左右侧连杆机构，由连杆机构的运动实现玻璃的倾斜、前后移动等动作。电
14、机可以位于前部，也可以放置于后部。6.4经过特殊处理的平安强化玻璃，可有效阻挡有害射线、热及耀眼的阳光。玻璃可设计成多种多样的，甚至可以用钢面板替换玻璃板。精心设计的天窗框架不但不会使车体整体刚度减弱，反而会增加车体刚度。6. 5图3为内滑式天窗的典型结构图7.天窗的性能要求作为整车的一个功能性部件，天窗除应满足整车常规要求，如平安性、可靠性、耐久性以及舒适性等，还要有自身的一些特点，因此，天窗应满足以下方面要求：7. 1平安性在平安性方面，天窗系统应满足下表所列的各项要求：外滑式内滑式系统的强度（关闭位置）500N向上冲击力天窗保持正常的功能1800N向上冲击力天窗玻璃不能破碎，并与天窗总成
15、框架连接牢固1800N向上冲击力天窗玻璃在与窗总成框架连接失效前，首先粉碎在开启位置玻璃受垂直载荷的位移在玻璃后端中点施加220N的垂直载荷（上或下）10mm25mm系统可靠性关闭位置承受890N向下均匀载荷保持原有各项性能电机被堵转运行Ih后电机保持原有各项性能，并且不能有过热、冒烟或产生异味的现象在玻璃角度完全开启位置，承受450N的侧向力系统不能有物理损坏及功能失效在玻璃角度完全开启位置，承受450N垂直载荷（上或下）系统不能有物理损坏及功能失效玻璃开度为25mm时，在前部承受680N的向后推力系统不能损坏，玻璃后移量10m7.2天窗应具有平安防夹功能，即玻璃在关闭过程中遇到障碍物时，能够自动结束关闭运动并同时向后返回。图38. SCU1.天窗加强框2.顶盖前横梁9.天窗电机3.顶盖前托梁10.天窗驱动装置4.顶盖后托梁
