汽车天窗优化设计

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，阐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部分。在中国市场上，许多汽车制造厂家已开始引入天窗配套项目，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，许多人选择购买车用香水，但这只能起到一定的除味效果。当然，打开侧窗也可起到换气的作用，可车辆在运行中打开窗户会产生很大的噪音，而且风直接冲撞到司机降低舒适感，坐在后排座位的人也会被侧窗的风吹得睁不开眼。汽车在行驶过程中若经常打开窗户，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，虽然也能带进部分新鲜空气，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。但若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，并且该部件有一部分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规范要求作安全校核，再修改设计。这一过程繁复，且往往只能创造出可行方案。而优化设计则把力学概念和优化技术有机地结合，根据设计要求，使参与计算的量部分以变量出现，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安全性等指标下，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安全性有着较大的影响。打开天窗，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，打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安全性，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

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

电动式玻璃天窗特点见表3

5．3 汽车天窗各组成零部件执行标准

GB/T 2828 逐批检查技术抽样程序及抽样表

QC/T 625 汽车用涂镀层和化学处理层

GB/T 17340 汽车安全玻璃的尺寸、形状、外观

GB 9656 汽车用安全玻璃

GB/T 12421 客车门窗用橡胶密封条

QC/T 413 汽车电器设备基本技术条件

6．天窗的结构型式

6．1 天窗的结构

a.夹紧式结构

天窗分为天窗总成单元及安装固定框两部分，分别位于车身顶盖的外侧和内侧，通过紧固件使这两部分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。

天窗总成作为一个整体，通过紧固件悬挂固定在加强件上。

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，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，阻止灰尘及大部分雨水；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。电机可以位于前部，也可以放置于后部。

6．4经过特殊处理的安全强化玻璃，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，如安全性、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 安全性

在安全性方面，天窗系统应满足下表所列的各项要求：