某SUV車(chē)型全景天窗頂蓋總成的設(shè)計(jì)

劉善英　付靜　張瑞俊　卿雕　何雷

【摘 要】文章介紹了某全景天窗車(chē)型頂蓋總成開(kāi)發(fā)過(guò)程，主要針對(duì)全景天窗車(chē)型頂蓋總成設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)問(wèn)題及難點(diǎn)加以分析、給出解決方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，同時(shí)簡(jiǎn)述了全景天窗的試驗(yàn)要求和頂蓋的尺寸控制要求，確保使其頂蓋性能與指標(biāo)在滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)外相關(guān)法規(guī)要求的同時(shí)，達(dá)到國(guó)內(nèi)主流合資車(chē)水平。

【關(guān)鍵詞】全景天窗；頂蓋總成；設(shè)計(jì)；分析

【中圖分類(lèi)號(hào)】U463.82 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）02-0055-03

1 概述

隨著近20年來(lái)國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)的不斷發(fā)展，國(guó)外各大汽車(chē)廠爭(zhēng)相扎根中國(guó)，帶動(dòng)了中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)和汽車(chē)技術(shù)的迅猛發(fā)展，而且近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)自主汽車(chē)廠也是百花爭(zhēng)艷，紛紛搶得自己的資源與市場(chǎng)，使得國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，技術(shù)上也愈發(fā)成熟。同時(shí)，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)的要求也隨之轉(zhuǎn)變，人們不僅僅需要一輛可以代步的汽車(chē)，更傾向于外觀、舒適性、安全性及娛樂(lè)性于一體的汽車(chē)。普通天窗雖已在國(guó)內(nèi)各車(chē)型上普及，技術(shù)成熟，然而尺寸較小，與外界互動(dòng)性較差，而全景天窗的出現(xiàn)，不僅豐富了汽車(chē)的配置，更使得汽車(chē)的外觀得以改變且車(chē)內(nèi)更透光、舒適，為人們的旅途增添樂(lè)趣。全景天窗主要在中高檔汽車(chē)上使用，目前也逐漸被國(guó)內(nèi)各自主汽車(chē)廠開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，汽車(chē)天窗的發(fā)展趨勢(shì)無(wú)疑是全景天窗[1]。相對(duì)于外資和合資品牌而言，自主品牌在全景天窗的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)上尚缺乏經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)難度大，主要表現(xiàn)在以下方面：全景天窗重達(dá)24 kg，比普通的小天窗重了1倍，全景天窗尺寸（1 360 mm×870 mm）比普通天窗尺寸（430 mm×820 mm）大了2倍多，同時(shí)全景天窗的試驗(yàn)驗(yàn)證更為嚴(yán)格，因此在外觀品質(zhì)、密封性、操作性、強(qiáng)度耐久性等方面的要求更高，相應(yīng)地對(duì)白車(chē)身的頂蓋制造精度和強(qiáng)度耐久性能等提出了更苛刻的要求。

2 全景天窗車(chē)型頂蓋總成的可行性分析

全景天窗車(chē)型在原普通天窗車(chē)型的基礎(chǔ)上更改結(jié)構(gòu)，完成與全景天窗的匹配。因此，設(shè)計(jì)原則是新開(kāi)發(fā)件少、工藝實(shí)現(xiàn)易、性能要求高等。主要涉及頂蓋總成的更改，包括頂蓋外板重新造型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、天窗加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)及與白車(chē)身骨架的連接方式的更改。

2.1 造型的可行性分析及問(wèn)題

（1）頂蓋造型曲率分析及問(wèn)題。因?yàn)槿疤齑笆墙栌玫某墒飚a(chǎn)品，頂蓋外板的造型需要匹配天窗的玻璃曲率進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在造型設(shè)計(jì)過(guò)程中存在如下問(wèn)題：在造型曲率與行李架布置方面的微調(diào)，造成頂蓋外板靠近側(cè)圍附近曲面會(huì)有一定的扭曲，斑馬線(xiàn)不順（如圖1所示）。

秉著感官質(zhì)量?jī)?yōu)先的原則，追求更高的外觀要求，重新開(kāi)發(fā)行李架，頂蓋外板造型微調(diào)后，糾正斑馬線(xiàn)光順問(wèn)題（如圖2所示）。

（2）頂蓋造型變更后，夾具抓手布置分析及問(wèn)題。頂蓋外板根據(jù)全景天窗重新造型后，與原普通天窗頂蓋外板面差相差較大，造成原有焊裝夾具抓舉不良。對(duì)比原普通天窗車(chē)型頂蓋外板與全景天窗版頂蓋外板面差，采取X向每100 mm取一段，在Y向則取Y=-440、Y=-490及頂蓋cas面邊緣處3點(diǎn)偏差值進(jìn)行測(cè)量；共測(cè)得69個(gè)點(diǎn)，正偏差表示全景天窗頂蓋面高，反之則低。其中，最大偏差為3.983 mm（X=1 930），最小偏差為-0.038 mm（X=1 030）。與夾具抓手有微小偏差，可通過(guò)夾具柔性切換系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)頂蓋總成的抓手切換，解決抓舉不良問(wèn)題。

2.2 結(jié)構(gòu)的可行性分析及難點(diǎn)解決

（1）難點(diǎn)一：天窗加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)。天窗加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)不同于普通天窗車(chē)型，因?yàn)榱慵叽巛^大，所以可分為整體式與分體式設(shè)計(jì)。整體式設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是一體沖壓，減少焊接工序，精度控制較好；缺點(diǎn)是材料利用率較低，沖壓成型較難；分體式設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是零件小，沖壓成型好，材料利用率高；缺點(diǎn)是增加焊接工序，難以控制焊接精度?？紤]到布置全景天窗安裝孔及天窗裝配時(shí)良好的精度，減少天窗加強(qiáng)板因拼焊帶來(lái)的尺寸公差，選擇整體式設(shè)計(jì)更好。

（2）難點(diǎn)二：頂蓋總成的連接方式。全景天窗頂蓋總成的焊接工藝相對(duì)普通天窗的工藝，主要是頂蓋與頂蓋加強(qiáng)板的連接方式發(fā)生改變。因?yàn)槿疤齑伴_(kāi)口尺寸大，天窗本身體積與重量均增加，所以對(duì)頂蓋及加強(qiáng)板的要求較高。本文頂蓋外板與天窗加強(qiáng)板的連接采用銅釬焊與結(jié)構(gòu)膠相結(jié)合的形式。頂蓋外板與天窗加強(qiáng)板采取22處銅釬焊，在天窗安裝面周圈Z 向整圈采取結(jié)構(gòu)膠的形式進(jìn)行黏接。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

全景天窗質(zhì)量為普通天窗的2倍多，同時(shí)頂蓋總成天窗開(kāi)口比普通天窗版頂蓋大2倍多，這就意味著頂蓋總成需要較好的剛度、強(qiáng)度及抗壓性能。針對(duì)這些問(wèn)題，本車(chē)型進(jìn)行了相關(guān)的CAE分析。

CAE模型總單元數(shù)為583 948，節(jié)點(diǎn)數(shù)為604 439，模型中三角形單元占3.1%。所用軟件有HyperWorks12.0，MD Nastran 2011，Abaqus，LSDYNA_971。

3.1 天窗加強(qiáng)板的強(qiáng)度剛度分析

模型均在全景天窗車(chē)型關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)行強(qiáng)度剛度分析。

工況一：X向1倍，Z向-1倍加速度，約束車(chē)身斷面處6個(gè)方向的自由度，分析結(jié)果為加強(qiáng)板最大應(yīng)力為12 MPa，最大位移為0.3 mm，滿(mǎn)足強(qiáng)度剛度要求（如圖3所示）。

工況二：Y向1.5倍，Z向-1倍加速度，約束車(chē)身斷面處6個(gè)方向的自由度，分析結(jié)果為加強(qiáng)板最大應(yīng)力為15 MPa，最大位移為0.3 mm，滿(mǎn)足強(qiáng)度剛度要求（如圖4所示）。

工況三：Z向-3倍加速度，約束車(chē)身斷面處6個(gè)方向的自由度，分析結(jié)果為加強(qiáng)板最大應(yīng)力為37 MPa，最大位移為0.9 mm，滿(mǎn)足強(qiáng)度剛度要求（如圖5所示）。

3.2 頂部抗壓強(qiáng)度分析

模型描述：按照法規(guī)要求將加載裝置定位，并按照加載裝置進(jìn)行曲線(xiàn)加載；約束車(chē)輛與剛性水平面相接觸節(jié)點(diǎn)的所有自由度，按1.5倍車(chē)輛整備質(zhì)量[2]，本車(chē)型為22 711 N（整車(chē)為1 545 kg），已超過(guò)法規(guī)的最大值，即22 240 N，故按照法規(guī)要求以22 240 N作為評(píng)價(jià)。分析結(jié)果顯示，當(dāng)載荷達(dá)到法規(guī)要求的22 240 N時(shí)，加載裝置的位移分別為21 mm，頂部最大可以承受約40 800 N的力，滿(mǎn)足法規(guī)要求（如圖6所示）。

4 全景天窗試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目及要求

全景天窗試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目及要求見(jiàn)表1。

5 車(chē)身精度控制要求

為滿(mǎn)足全景天窗外觀品質(zhì)、密封性、操作性等功能要求，需要更嚴(yán)格地控制頂蓋總成的制造精度（見(jiàn)表2）。

6 結(jié)論

本文主要介紹了某車(chē)型新開(kāi)發(fā)全景天窗的設(shè)計(jì)可行性分析、技術(shù)難點(diǎn)及解決措施、仿真驗(yàn)證分析過(guò)程。同時(shí)，介紹了全景天窗的實(shí)車(chē)試驗(yàn)項(xiàng)目的要求和車(chē)身頂蓋制造精度的控制要求。本文為車(chē)身的工藝制造提出了明確的要求，同時(shí)通過(guò)CAE仿真為實(shí)車(chē)性能實(shí)現(xiàn)提供了可靠的理論依據(jù)，解決了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)涉及的主要難點(diǎn)問(wèn)題，為后續(xù)的全景天窗車(chē)型開(kāi)發(fā)及改良提供了良好的對(duì)標(biāo)參考，為即將成為趨勢(shì)的全景天窗車(chē)型的到來(lái)夯實(shí)了基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]佚名.中國(guó)汽車(chē)天窗行業(yè)供需態(tài)勢(shì)全景調(diào)研與未來(lái)發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告[R].中國(guó)報(bào)告網(wǎng)，2015.

[2]GB 26134—2010，乘用車(chē)頂部抗壓強(qiáng)度[S].

[3]谷賀雄，竇海波.某SUV車(chē)型全景天窗車(chē)身的驗(yàn)證分析[J].汽車(chē)實(shí)用技，2015（8）：69-70.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]