一種避免異響的天窗起翹機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翟斌，劉景亮，勾玉濤

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

一種避免異響的天窗起翹機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翟斌，劉景亮，勾玉濤

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

通過摩擦學(xué)機(jī)理探討天窗開啟、關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生異響的根本原因，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提出一種用于天窗玻璃垂直升降的起翹機(jī)構(gòu)，使玻璃密封條與車頂窗框在運(yùn)動過程中一直保持初始的合理壓縮量，從而避免摩擦異響。

天窗；摩擦；異響；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.041

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-129-03

前言

汽車天窗作為一項(xiàng)汽車外飾功能件，不僅起到提供乘員車頂部的視野寬度,實(shí)現(xiàn)乘員和外部環(huán)境的交互功能。利用天窗打開時(shí)，車內(nèi)外形成較大壓差，可實(shí)現(xiàn)車內(nèi)混濁空氣與外部新鮮空氣的快速交換，有效避免車窗換氣時(shí)空氣灌入車內(nèi)形成渦流帶來的噪音問題。并且利用天窗對車內(nèi)降溫、除霧也是非常節(jié)能省時(shí)的方法[1]。

但天窗在保持一定的美觀、功效的同時(shí)，還必須具備開啟足夠空間、機(jī)構(gòu)運(yùn)行流暢、防雨、防塵等功能。所以對于天窗自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、天窗與車頂窗框及頂棚的合理配合，特別是天窗在開啟關(guān)閉時(shí)，避免產(chǎn)生異響是提高天窗質(zhì)量與客戶滿意度的重要指標(biāo)。本文主要從摩擦異響的機(jī)理上探討天窗開啟關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生異響的根本原因并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上優(yōu)化天窗機(jī)構(gòu)，提出合理有效的解決方案。

1、天窗異響原因分析

天窗異響一般分為兩大類，一類是天窗自身機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的異響，表現(xiàn)為電機(jī)內(nèi)部蝸輪蝸桿運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、運(yùn)動滑塊與導(dǎo)軌在移動中的摩擦、連桿機(jī)構(gòu)在傳動過程中存在碰撞等形式而產(chǎn)生異響。另一類是天窗運(yùn)行過程中與車體接觸而異響，表現(xiàn)為車輛行駛在顛簸路面時(shí)遮陽板抖動、前框架上電機(jī)啟停切換時(shí)抖動撞擊車頂、玻璃密封條與車頂窗框的摩擦異響等方面。在各類異響中，玻璃密封條與車頂窗框的摩擦異響基本為各車型在開發(fā)匹配初期都會遇到的疑難問題。

天窗玻璃外包覆密封條的作用是通過其與車頂窗框之間一定的彈性壓縮，盡可能阻隔車外環(huán)境的風(fēng)雨和灰塵從接口匹配處進(jìn)入。天窗裝配狀態(tài)及密封條壓縮量如圖1所示。但由于天窗在開啟、關(guān)閉的動態(tài)過程中，密封條與車頂窗框發(fā)生相對運(yùn)動，這種運(yùn)動產(chǎn)生密封條的擠壓和摩擦從而產(chǎn)生異響[2]。

由圖1易知，在一般天窗玻璃由外擺到關(guān)閉再到內(nèi)藏狀態(tài)，或其逆向運(yùn)動的過程中，其玻璃及密封條整體總以前端模塊為旋轉(zhuǎn)中心，玻璃運(yùn)動軌跡基本可近似作為繞前端中心的圓弧運(yùn)動。在其向下旋轉(zhuǎn)過程中，玻璃后端密封條與框口距離不斷縮小，其密封條也在原基礎(chǔ)上不斷被擠壓。如圖2所示，為玻璃運(yùn)動簡圖，①至④分別代表玻璃外擺、關(guān)閉、內(nèi)藏過程及內(nèi)藏完畢狀態(tài)。由簡圖易知，天窗玻璃在回收過程中，密封條不斷被擠壓，而增加摩擦異響的風(fēng)險(xiǎn)。并且如果車頂窗框周圍鈑金剛度不足，在密封條與其接觸的過程中又會發(fā)生變形及回彈發(fā)出振動異響[3]。

解決此問題，多數(shù)做法是改變密封條材質(zhì)、增加涂層或表面植絨處理，降低摩擦系數(shù)從而減少噪音大小[4]。但因密封條的自身特性，涂層及其本體都會隨著時(shí)間的積累而發(fā)生老化或變性，從而繼續(xù)產(chǎn)生摩擦異響。所以要想從根本上解決此問題，必須從天窗玻璃的運(yùn)動形式上減少密封條與車身的壓縮量。

2、天窗起翹機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目的

針對以上異響原因，本文特提出一種可有效減少異響問題的天窗起翹機(jī)構(gòu)[5]。其特點(diǎn)在于天窗玻璃由關(guān)閉狀態(tài)到外擺上升或內(nèi)藏下降過程中，天窗玻璃的運(yùn)動軌跡一直垂直于車頂平面升降。這樣可避免普通天窗玻璃在繞前端模塊旋轉(zhuǎn)過程中，另一端密封條與車頂窗框壓縮量從合理公差變?yōu)檫^度壓縮，而出現(xiàn)壓縮力過大產(chǎn)生摩擦噪音或帶動車頂鈑金隨動，其回彈時(shí)而產(chǎn)生二次異響。

2.2 結(jié)構(gòu)簡介

如圖3所示，為天窗起翹機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維結(jié)構(gòu)圖，機(jī)構(gòu)主要以天窗主滑軌為機(jī)架，螺旋拉線做往復(fù)運(yùn)動，同時(shí)帶動滑動連接架與第一直滑動臂整體移動。主滑塊上設(shè)有曲線槽，第一滑動臂上有尺寸相當(dāng)?shù)耐蛊鹋_伸入到曲線槽內(nèi)，滑動臂移動時(shí)帶動主滑塊移動，主滑塊與滑動基座通過連接軸鉸接，連接軸上安裝扭轉(zhuǎn)彈簧，起到輔助主滑塊恢復(fù)原位的作用。在第一滑動臂移動時(shí)，通過中間直齒輪的傳動作用，第二滑動臂與其同步向相反方向移動。至此滑動臂作為主動件，其與滑動連接架、橫梁組成的連桿機(jī)構(gòu)組成最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)連接在橫梁上的天窗玻璃垂直升降。使其密封條與車頂窗框一直保持著初始的合理壓縮量。

3、機(jī)構(gòu)可實(shí)施性驗(yàn)證

3.1 機(jī)構(gòu)連續(xù)性驗(yàn)證

其中應(yīng)用連桿機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定特性，使天窗玻璃在打開及收縮的過程中，保持著平穩(wěn)、連續(xù)的運(yùn)行。如圖4所示，表示在起翹機(jī)構(gòu)的作用下，天窗玻璃由關(guān)閉狀態(tài)到外擺及內(nèi)藏、回收的狀態(tài)。由圖易知，天窗玻璃的外擺上升高于車頂蓋25mm以上，內(nèi)藏下降距離低于頂蓋16mm以上，與一般天窗的設(shè)計(jì)尺寸相當(dāng)，證明功能性可滿足應(yīng)用要求。

3.2 扭簧的參數(shù)選擇

在玻璃內(nèi)藏到收縮過程中，之所以起翹機(jī)構(gòu)整體開始時(shí)沒有隨第一直齒條滑動臂一同向后移動，是因?yàn)橹骰瑝K內(nèi)曲線槽的特殊設(shè)計(jì)。如圖5所示，第一滑動臂凸起在內(nèi)藏天窗初始時(shí)，一直在曲線槽的直線端內(nèi)運(yùn)動，而在玻璃完全下降完畢后，凸起進(jìn)入曲線槽的彎曲端內(nèi)，使主滑塊彎曲端繞連接銷旋轉(zhuǎn)，脫離主滑軌限位凹槽后隨滑動臂一同向后移動，從而帶動起翹機(jī)構(gòu)連同玻璃整體向后移動直到回收完全。

玻璃從內(nèi)藏到關(guān)閉的過程中，主滑塊又依靠扭轉(zhuǎn)彈簧的輔助作用，在彎曲段到達(dá)主滑軌凹槽處時(shí)卡住主滑塊不再向前移動。其扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)如下公式所示[6]：

式中：D=中徑；d=線徑；E=材料彈性模量，n=有效圈數(shù)；R=力臂長度；P=負(fù)載，α=負(fù)載作用時(shí)的角度量。

其中扭轉(zhuǎn)彈簧材質(zhì)定為65Mn，其彈性模量E在196500-198600Mpa。線徑d選擇直徑為2mm。通過圖5可知，主滑塊繞連接銷的起翹角度約為7.5°，此角度即為扭簧負(fù)載作用時(shí)的角度量α。扭簧的中徑可根據(jù)連接銷的直徑大小而定，連接銷外徑為6mm，所以中徑D定為8mm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)值在彎曲端上表面垂直向下施加14-16N的力，可完成輔助主滑塊的回位功能，所以取上限P=16N為負(fù)載力。其力臂長度在圖5中已標(biāo)出為68mm。通過計(jì)算，得扭轉(zhuǎn)彈簧有效圈數(shù)n=2.96圈，考略安裝角度需要，扭簧最終總?cè)?shù)定為n1=3.6圈。

4、結(jié)論

本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提出一種用于天窗玻璃垂直升降的起翹機(jī)構(gòu)，使其密封條與車頂窗框在天窗玻璃運(yùn)動過程中一直保持著初始的合理壓縮量，從而有效避免其過度壓縮而產(chǎn)生摩擦異響。

[1] 梁智勇.汽車天窗的發(fā)展歷史及新技術(shù)應(yīng)用[J].汽車零部件, 2015,1.

[2] 陳光雄,周仲榮等.摩擦系數(shù)影響摩擦噪音發(fā)生的機(jī)理研究[J].中國機(jī)械工程,2003,11.

[3] Graham Heeps. Sunroof NVH Testing [J], Automotive Testing Technology International, 2015,6.

[4] 吳彩霞.天窗玻璃密封條結(jié)構(gòu)優(yōu)化與故障解決[J].機(jī)械工程師，2014,4.

[5] 金婉如,邵俊鵬,劉慶全等.基于UG的汽車天窗參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,7.

[6] 孫志里,馬秋國,黃星波等.機(jī)械設(shè)計(jì)[M],北京,科學(xué)出版社,2010,6.

廠家提供圖紙要求最大工作角度為45°。從固定節(jié)轉(zhuǎn)角仿真曲線（圖7）中可以看出，在右轉(zhuǎn)下極限工況時(shí)驅(qū)動軸固定節(jié)的夾角最大，數(shù)值為39.766°，該校核結(jié)果滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

3、結(jié)論

（1）通過Adams/Car仿真結(jié)果可以得出，驅(qū)動軸在極限狀態(tài)時(shí)固定節(jié)和移動節(jié)處的角度和滑移量符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

（2）使用Adams/Car對驅(qū)動軸進(jìn)行運(yùn)動仿真，充分考慮各部件連接點(diǎn)處橡膠襯套作用，使模型狀態(tài)更接近實(shí)車，仿真結(jié)果更加合理。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001:246～274.

A design of sunroof lifting mechanism avoiding the abnormal sound

Zhai Bin, Liu Jingliang, Gou Yutao
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

The primary causes of the abnormal sound when the sunroof opens and closes are discussed based on friction mechanism. And from structure design, a lifting mechanism used for the sunroof glass’ vertical lifting is given, because of which sunroof glass sealing strips and window frames always keep the initial reasonable amount of compression in the movement process to avoid the friction noise.

sunroof; friction; abnormal sound; mechanical design

U462.1

A

1671-7988(2016)10-129-03

翟斌（1981-），男，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事項(xiàng)目管理工作。