電動天窗遮陽簾的同步驅(qū)動技術

李海帆，衣世濤,于喜海

(煙臺正海合泰科技股份有限公司山東省汽車內(nèi)飾材料工程技術研究中心，山東煙臺 265500)

電動天窗遮陽簾的同步驅(qū)動技術

李海帆，衣世濤,于喜海

(煙臺正海合泰科技股份有限公司山東省汽車內(nèi)飾材料工程技術研究中心，山東煙臺 265500)

在電動天窗遮陽簾上采用移動梁與鐵芯同步驅(qū)動技術，把鐵心以可轉(zhuǎn)動的方式裝配并與電機相連，使電動天窗遮陽簾的開關過程中卷桿與鐵芯同向轉(zhuǎn)動，使卷桿內(nèi)螺旋彈簧的功能由蓄積彈性勢能變成緩沖卷桿和鐵芯轉(zhuǎn)動過程中的角度差。與傳統(tǒng)的只驅(qū)動移動梁的技術相比，采用同步驅(qū)動技術后，螺旋彈簧的圈數(shù)在開關過程中變化很小，天窗遮陽簾的張力更加穩(wěn)定。

電動天窗遮陽簾；同步驅(qū)動；簾布張力

0 引言

近年來，國內(nèi)汽車市場發(fā)展迅速，汽車天窗因親近自然、享受陽光、可以在很小的噪聲和風阻的情況下通風換氣而受到廣大消費者的青睞。曾幾何時，天窗是高級轎車才有的配置，現(xiàn)在大量的經(jīng)濟型轎車也有了天窗版，高級轎車則向雙天窗、全景天窗方向發(fā)展。

單天窗和小天窗一般采用天窗遮陽板結(jié)構(gòu)來遮擋陽光，材質(zhì)多為GMPU結(jié)構(gòu)、PHC結(jié)構(gòu)。最近，一步濕法的軟PU結(jié)構(gòu)由于成本較低的優(yōu)勢取得了越來越大的市場份額；而干法PP玻纖板結(jié)構(gòu)的天窗遮陽板以散發(fā)性低、材料可回收等優(yōu)勢也占有一席之地[1]。

剛性的天窗遮陽板作為遮光部件，在天窗打開時，天窗遮陽板藏在天窗口之后的頂棚上方；而全景天窗由于開窗面積大，天窗打開時，硬質(zhì)的天窗遮陽板將無處藏身，所以只能采用可卷繞的天窗遮陽簾作為遮光部件。

用柔軟可卷繞的遮陽簾代替剛性的遮陽板，卷收后不需要很大的隱藏空間，使天窗口的大小不再受遮陽部件隱藏空間的限制，適用于全景天窗、雙天窗等大天窗結(jié)構(gòu)。

1 天窗遮陽簾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

天窗遮陽簾的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要部件包括：框架1、簾布3、簾布前端的移動梁驅(qū)動系統(tǒng)2、簾布后端的卷繞系統(tǒng)4?？蚣苡职▋蓚?cè)的滑道、前梁、后梁等結(jié)構(gòu)；驅(qū)動系統(tǒng)包括電機、拉索以及位于簾布前端的移動梁；卷繞系統(tǒng)包括固定簾布后端的卷桿、卷桿內(nèi)設置的蓄能機構(gòu)以及彈性堵頭。

簾布的前端固定在移動梁上，移動梁的兩端裝配在框架兩側(cè)的滑道上，并通過拉索機構(gòu)與驅(qū)動電機相連接。電機驅(qū)動拉索，帶動移動梁前后移動，使簾布卷繞和開卷,實現(xiàn)簾布的遮光功能。

簾布3的后端連接在卷桿4.1上，可在卷桿上卷繞和開卷。卷桿通過彈性堵頭和蓄能機構(gòu)的鐵芯裝配在框架上。彈性堵頭可以伸縮，以便于卷桿的裝配。蓄能機構(gòu)主要包括螺旋彈簧4.3、鐵芯4.2以及必要的連接件。螺旋彈簧4.3的一端與卷桿4.1固定連接，另一端與鐵芯4.2固定連接。鐵芯4.2裝配在框架上，不可轉(zhuǎn)動。當卷桿4.1發(fā)生轉(zhuǎn)動時，螺旋彈簧4.3的圈數(shù)變化，影響面料的張力[2]。

圖1 天窗遮陽簾的結(jié)構(gòu)

2 問題的提出

當通過電機關閉天窗遮陽簾時，移動梁帶動簾布向前移動，簾布帶動卷桿轉(zhuǎn)動而鐵芯不動，卷桿與鐵芯產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，在螺旋彈簧中蓄積彈性勢能，簾布的張力增加。當通過電機打開天窗遮陽簾時，移動梁向后移動，簾布張力減小，在螺旋彈簧的作用下簾布卷繞在卷桿上，使簾布的張力得到一定程度的恢復，達到一個新的平衡。

簾布的張力，一方面是為了保持遮陽簾的平整美觀，另一方面也是為了保證卷收的順利。張力過小時，會使簾布下垂，影響視覺效果，甚至產(chǎn)生收卷故障；張力過大時，會增加電機的負荷，嚴重時會因為過度拉伸簾布產(chǎn)生縱向條紋，影響視覺效果。

從上面的分析可以看出，簾布的張力是由螺旋彈簧決定的。而螺旋彈簧在簾布開卷和卷繞過程中的圈數(shù)變化與簾布的圈數(shù)相對應，也就是與天窗口的長度相對應。當天窗尺寸不大時，簾布的開卷和卷繞過程中螺旋彈簧的圈數(shù)變化不大，簾布的最大張力和最小張力都很容易控制在適當?shù)姆秶畠?nèi)，既不會因為張力不足產(chǎn)生收卷故障，又不會因為過度拉伸產(chǎn)生縱向條紋。

但是，目前全景天窗的尺寸越來越大，簾布開卷和卷繞過程中螺旋彈簧變化的圈數(shù)越來越多，張力變化越來越大，控制起來非常困難。目前的方案是：降低彈簧的彈性系數(shù)，減小圈數(shù)變化導致的張力變化。但是為了維持最小的簾布張力，彈簧在簾布完全卷繞狀態(tài)下也必須達到足夠的圈數(shù)，增加了彈簧的質(zhì)量，也增加了遮陽簾的成本。

3 解決的方案

3.1 原理

目前采用的方案，電機僅限于簾布的開關，也就是簾布前端的前橫梁的驅(qū)動，簾布卷繞仍然是采用螺旋彈簧驅(qū)動。采用螺旋彈簧驅(qū)動，必然會隨著彈性勢能的釋放而導致簾布張力的減小。

如果簾布開卷和卷繞的過程中，隨著移動梁的前后移動，卷桿也由電機驅(qū)動做相應的轉(zhuǎn)動，即采用同步驅(qū)動方案，就可以避免卷桿由螺旋彈簧驅(qū)動而導致的簾布張力變化問題。

理論上只要把卷桿與電機相連，設置好電機的轉(zhuǎn)速就可以了。實際上，直接用電機來驅(qū)動卷桿還是有問題的，因為簾布卷繞過程中，卷桿上積累的簾布越來越多，當卷桿轉(zhuǎn)動的角速度不變時，簾布卷收的線速度卻越來越大，而簾布前端的前橫梁的線速度是恒定的，二者不能匹配，導致簾布的張力變化問題更加嚴重。

可行的方案是仍然保留螺旋彈簧和鐵芯結(jié)構(gòu)，由電機驅(qū)動鐵芯，卷桿上的簾布積累導致的移動梁線速度與鐵芯角速度不匹配的問題用螺旋彈簧來解決，由螺旋彈簧結(jié)構(gòu)來吸收卷桿和鐵芯轉(zhuǎn)動的角速度差值。這個方案中，螺旋彈簧仍然提供簾布的張力，但是螺旋彈簧不再作為主要的蓄能機構(gòu)，僅僅是為了吸收卷桿與鐵芯的轉(zhuǎn)速差，所以圈數(shù)變化大大減少，對應到簾布上的張力變化也大大減少。

在簾布開卷過程中，移動梁驅(qū)動需要功率輸入，而鐵芯驅(qū)動不需要功率輸入；在簾布卷繞過程中，鐵芯驅(qū)動需要功率輸入，移動梁驅(qū)動不需要功率輸入，如果采用同一只電機，通過同時連接不同的傳動機構(gòu)來同時驅(qū)動移動梁和鐵芯，由于二者給電機的負荷方向是相反的，可以采用比常規(guī)設計功率更小的驅(qū)動電機。

3.2 計算部分

螺旋彈簧的彈性系數(shù)為k，簾布開卷和卷繞過程中的圈數(shù)變化Δx，則扭力變化依據(jù)胡克定律有：

ΔF=k·Δx

傳統(tǒng)方案中，天窗長度對應于簾布開卷和卷繞過程中的圈數(shù)變化，圈數(shù)變化直接對應于Δx，所以扭力變化ΔF也越大。

作者的目標是降低ΔF，ΔF越小，張力變化越小，越不容易出問題。

(1)彈簧優(yōu)化方案

對于既定的天窗尺寸，當采用降低螺旋彈簧的彈性系數(shù)k的方案時，圈數(shù)變化Δx不變，扭力變化ΔF會減小。

但是，為了保持簾布的平整和簾布卷繞順利，扭力必須保持最小值Fmin，當k變小時，xmin需要增加，而Δx不變，所以xmax也會增加。

彈簧的圈數(shù)增加，會增加彈簧的質(zhì)量和長度，一方面會增加成本，另一方面xmax還會受到卷桿內(nèi)部空間的限制。

(2)同步驅(qū)動方案

同步驅(qū)動方案的原理如圖2所示。

采用移動梁和鐵芯都由電機驅(qū)動的同步驅(qū)動方案，開卷和卷繞過程中螺旋彈簧的圈數(shù)變化Δx會減小，從而減小彈簧扭力也就是面料張力的變化ΔF。計算過程如下：

卷桿4.1在未卷繞面料時外徑為d1，面料完全卷繞時外徑為d2，簾布厚度為t，則有面料層數(shù)為(d2-d1)/2t，(d2-d1)/2t也就是開卷和卷繞過程中卷桿的轉(zhuǎn)數(shù)。

圖2 同步驅(qū)動方案

面料3的長度l為：

如果設定鐵芯的轉(zhuǎn)速在簾布完全卷繞時與驅(qū)動電機相匹配，即鐵芯每轉(zhuǎn)一圈對應的面料長度l1為：

l1=π·d2

則鐵芯的轉(zhuǎn)數(shù)n為：

此時，卷桿與鐵芯的圈數(shù)差，即彈簧的圈數(shù)變化Δx為：

某SUV天窗遮陽簾的d2=40，d1=20 mm，簾布厚度t=0.8 mm，采用傳統(tǒng)的移動梁驅(qū)動方案時，螺旋彈簧圈數(shù)變化

Δx=12.5：采用移動梁與鐵芯同步驅(qū)動方案之后，螺旋彈簧圈數(shù)變化Δx=3.1，所以對應的簾布張力變化ΔF也只有原來傳統(tǒng)方案的25%。

通過調(diào)整鐵芯的轉(zhuǎn)速設定值，也可以優(yōu)化到在簾布完全開卷和完全卷繞的狀態(tài)下，螺旋彈簧的圈數(shù)相同，但是由于卷桿的轉(zhuǎn)速是變化的，而鐵芯的轉(zhuǎn)速設為固定值，在簾布開卷和卷繞的過程中，仍然會存在張力的波動，并沒有太大的意義。

即使按照前面的方案，簡單地把鐵芯的轉(zhuǎn)速設定為面料完全卷繞時的卷桿轉(zhuǎn)速，從上面的分析結(jié)果中也可以分析出，當d2>>d1時，d2-d1≈d2，面料層數(shù)為d2/2t，螺旋彈簧圈數(shù)變化Δx為d2/4t，就是說，圈數(shù)變化Δx可以減少一半。實際過程中，d1越大，d2與d1越接近，則螺旋彈簧的圈數(shù)變化Δx越小，這種同步驅(qū)動技術的效果越明顯。

4 結(jié)論

經(jīng)過上述分析和計算，采用移動梁運動的同時鐵芯也發(fā)生轉(zhuǎn)動的同步驅(qū)動方案，可以大大降低遮陽簾在簾布開關過程中的張力變化，對于目前尺寸越來越大的天窗遮陽簾，是一種非?？尚械姆桨?。如果采用同一只電機驅(qū)動，更有降低電機功率和能耗的效果。

【1】朱維珍.乘用車天窗遮陽板材料及工藝的運用[J].汽車工程師，2014(5)：61-62. ZHU W Z.Application of Material and Technical Drocess in Passenger Car Sunroof Visor[J].Auto Engineer,2014(5):61-62.

【2】朱嘉斌.電動天窗遮陽簾:CN205097896U[P].2016-03-23.

Synchronous Driving Technology for Electric Sunshade Curtain

LI Haifan，YI Shitao，YU Xihai

(Automobile Inner Trimming Material Engineering and Technology Research Center of Shandong Province,Yantai Zhenghai Hi-Tech Co., Ltd.,Yantai Shandong 265500,China)

In electric sunshade curtain， the iron core in the roll bar was assembled in rotatable mode and connected with the motor，synchronous drive technology of moving beam and the iron core was adopted. When sunshade curtain was switching,the roll bar and iron core rotated to the same direction, the spiral spring connecting the roll bar and the iron core served as buffer to decrease the rotation angle difference between the roll bar and the iron core,compared with traditional drive method in which the spiral spring served as the accumulation of elastic potential energy. When this synchronous drive technology is adopted, the coil number of spiral spring changes very little, the tension of sunshade curtain gets more stable.

Electric sunshade curtain; Synchronous driving; Tension of sunshade curtain

2016-11-08

李海帆(1975—)，男，工學碩士，高級工程師，研究方向為汽車內(nèi)飾件的材料和工藝。E-mail:ulhf@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.02.013

U463.83+5

B

1674-1986(2017)02-052-03