汽車電動天窗典型異響問題研究

潘釔安

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心， 上海 201804)

0 引言

電動天窗從早期的多應(yīng)用于高檔車型上發(fā)展至今，越來越普及于各級別乘用車上，成為汽車的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置，其不僅具有美觀、開闊視野的作用，還擁有換氣、除霧和節(jié)能等功能。作為較復(fù)雜的運(yùn)動件，電動天窗在汽車行駛和自身運(yùn)行過程中均有可能引起令人煩惱的異響。一般而言，電動天窗按開啟方向可分為內(nèi)藏式和外開式兩種，這兩種天窗的異響來源基本相同。據(jù)售后統(tǒng)計(jì)，電動天窗異響的表現(xiàn)形式大致可分為三類，第一類是天窗自身部件相互作用產(chǎn)生的異響[1]，主要異響源為天窗限位結(jié)構(gòu)異響、車輛行駛在顛簸路面時(shí)遮陽板攢動、鏈條與導(dǎo)軌內(nèi)壁的摩擦、驅(qū)動滑塊與導(dǎo)軌滑槽的摩擦、滑塊與玻璃安裝支架凹槽的摩擦、馬達(dá)內(nèi)部蝸輪蝸桿運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)等。第二類是天窗與其他部件作用產(chǎn)生的異響[1]，主要異響源為天窗開閉時(shí)密封條與車頂?shù)哪Σ?、馬達(dá)啟停切換時(shí)引起前框架抖動撞擊車頂、天窗打開時(shí)導(dǎo)風(fēng)條彈起撞擊車頂?shù)取５谌愂切熊嚂r(shí)天窗玻璃處于開啟狀態(tài)時(shí)的行駛風(fēng)噪，主要異響源為由天窗開口處的不穩(wěn)定氣流產(chǎn)生的風(fēng)振。隨著客戶對零件質(zhì)量和乘坐舒適性的要求越來越高，與異響相關(guān)的投訴抱怨也越來越多，異響問題必須得到足夠的重視。

在上述各種異響當(dāng)中，以 “限位結(jié)構(gòu)異響”、“密封條與車頂?shù)哪Σ廉愴憽?、“天窗風(fēng)振噪聲”出現(xiàn)的頻率最高。本文對這三種異響進(jìn)行探討，以期指導(dǎo)天窗產(chǎn)品設(shè)計(jì)，最大限度降低出現(xiàn)異響的風(fēng)險(xiǎn)。

1 天窗限位結(jié)構(gòu)異響

無論是外開式還是內(nèi)藏式天窗，其玻璃的運(yùn)動可分為沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動和垂直運(yùn)動兩種模式(如圖1)，天窗的運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)需具備將玻璃垂直運(yùn)行和沿導(dǎo)軌運(yùn)行這兩種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換的功能，該功能靠天窗限位結(jié)構(gòu)的結(jié)合與脫離來實(shí)現(xiàn)。因此，限位結(jié)構(gòu)是天窗開啟關(guān)閉不可或缺的關(guān)鍵部位。本節(jié)針對某車型天窗暴露的限位結(jié)構(gòu)異響問題進(jìn)行分析，并給出解決方案。

圖1 天窗玻璃運(yùn)動模式示意圖

1.1 某車型天窗限位結(jié)構(gòu)

圖2為某款內(nèi)藏式天窗的運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由驅(qū)動滑塊、從動滑塊、限位塊、舉升臂、舉升臂滑塊、連桿、導(dǎo)軌限位槽等7個(gè)部件組成。

圖2 天窗運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

對于該執(zhí)行機(jī)構(gòu)，玻璃垂直運(yùn)動或是沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動取決于驅(qū)動滑塊與舉升臂凹槽是否產(chǎn)生相對運(yùn)動，而是否產(chǎn)生相對運(yùn)動則由限位結(jié)構(gòu)的結(jié)合與脫離控制。圖3為該款天窗限位結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)圖，其由限位塊、雙扭簧、轉(zhuǎn)軸和方形限位槽組成。限位塊前端為可與驅(qū)動滑塊配合的U形倒扣，后端為可與限位槽配合的限位滾輪，中間通過轉(zhuǎn)軸固定在從動滑塊上，形成蹺蹺板結(jié)構(gòu)。雙扭簧固定在限位塊上，給限位滾輪一端施加向下的壓力。

圖3 天窗限位結(jié)構(gòu)

當(dāng)限位塊前端與驅(qū)動滑塊結(jié)合時(shí)，限位塊后端與限位槽脫離，驅(qū)動滑塊通過限位塊、從動滑塊和連桿驅(qū)動舉升臂在導(dǎo)軌中滑動(驅(qū)動滑塊與舉升臂凹槽不產(chǎn)生相對運(yùn)動)，實(shí)現(xiàn)天窗玻璃的水平運(yùn)動；當(dāng)限位塊后端與限位槽結(jié)合時(shí)，限位塊前端與驅(qū)動滑塊脫離，驅(qū)動滑塊帶動平衡塊在舉升臂凹槽內(nèi)滑動(驅(qū)動滑塊與舉升臂凹槽產(chǎn)生相對運(yùn)動)，實(shí)現(xiàn)天窗玻璃的垂直運(yùn)動。

1.2 限位結(jié)構(gòu)異響分析

該天窗運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)其限位結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異響，即限位滾輪進(jìn)入限位槽時(shí)發(fā)出“咔”的尖銳響聲，根源在于沖擊力過大。下面結(jié)合天窗的運(yùn)動形式，對此問題進(jìn)行深入分析。

限位滾輪進(jìn)入、脫出限位槽的過程如下：當(dāng)滾輪隨從動滑塊向前運(yùn)動至限位槽時(shí)，在雙扭簧的壓力下，滾輪繞限位塊轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，滾入限位槽(如圖4-a)；當(dāng)驅(qū)動滑塊向后運(yùn)動壓下U形倒扣時(shí)，限位塊滾輪端抬起，脫出限位槽(如圖4-b)?？梢钥闯觯尬粔K與限位槽的結(jié)合與脫離是通過轉(zhuǎn)動副來實(shí)現(xiàn)的，限位塊的自由度為1，當(dāng)限位滾輪落入限位槽后，需要依靠雙扭簧的彈力來抑制轉(zhuǎn)動自由度。在運(yùn)輸過程當(dāng)中，天窗處于關(guān)閉位置，當(dāng)天窗玻璃受到慣性力(加減速、顛簸路面、碰撞等)時(shí)，該慣性力將通過舉升臂、連桿、從動滑塊傳遞到限位塊上，一旦滾輪脫出，則玻璃將產(chǎn)生水平移動，導(dǎo)致功能失效。從安全角度出發(fā)，一般要求給玻璃施加水平方向300N的作用力時(shí)，限位塊不可脫出。雙扭簧的彈力既是滾輪落入限位槽的動力，同時(shí)也是阻止?jié)L輪脫出限位槽的約束力。彈力較小，則滾輪落入限位槽的沖擊力較小，產(chǎn)生異響的風(fēng)險(xiǎn)較小，但限位穩(wěn)定性較差；彈力較大，則滾輪落入限位槽的沖擊力較大，產(chǎn)生異響的風(fēng)險(xiǎn)較大，但限位穩(wěn)定性較好。實(shí)測存在異響問題的天窗，其雙扭簧彈力為20N。

圖4a 滾輪落入限位槽

圖4b 滾輪脫離限位槽

表1反映了雙扭簧彈力對限位結(jié)構(gòu)異響和穩(wěn)定性的影響。從表1中可以看出，隨雙扭簧彈力增大，異響風(fēng)險(xiǎn)增大，但穩(wěn)定性加強(qiáng)。當(dāng)彈力為12N時(shí)，既滿足脫離力要求，又可避免產(chǎn)生異響。

表1 雙扭簧彈力對限位結(jié)構(gòu)異響和穩(wěn)定性的影響

注：脫離力為滾輪從限位槽脫出時(shí)玻璃前緣所受水平向后的作用力。

2 天窗密封條與車頂?shù)哪Σ廉愴?/h2>

為了保證天窗玻璃和車頂開口翻邊之間的防塵、防水、放漏氣等功能，并保持一定的美觀功效，通常會在天窗玻璃外包覆密封條，通過密封條與車頂開口翻邊之間的彈性壓縮，形成一定的干涉量，盡可能阻隔車外環(huán)境對乘客艙的影響(如圖5)。由于天窗在開啟和關(guān)閉過程中，密封條與車頂開口翻邊之間會發(fā)生相對運(yùn)動，這種運(yùn)動對密封條產(chǎn)生擠壓和摩擦，當(dāng)摩擦不穩(wěn)定時(shí)就可能產(chǎn)生“咯咯”異響，這將直接影響車輛的感知質(zhì)量[2]。本節(jié)探討天窗開啟關(guān)閉時(shí)密封條與車頂相對運(yùn)動產(chǎn)生異響的原因和解決方法。

2.1 密封條與車頂摩擦機(jī)理的探討

密封條的摩擦異響，看似簡單，其實(shí)當(dāng)中涉及到一個(gè)復(fù)雜的物理過程：stick-slip運(yùn)動(黏滑運(yùn)動)，即物體與接觸面之間由于附著和滑動反復(fù)作用而發(fā)生的振動，是一種不穩(wěn)定的相對滑動。黏滑運(yùn)動在車輛中隨處可見，比如制動器剎車異響、雨刮器刮風(fēng)擋玻璃異響、車門鉸鏈開關(guān)異響等都與之有關(guān)。一般認(rèn)為，黏滑運(yùn)動主要是由于滑動摩擦力與相對速度的變化呈非線性關(guān)系而引起的，當(dāng)振子作黏滑運(yùn)動時(shí)會發(fā)生沿摩擦面的跳動，從而產(chǎn)生異響[3]。

滑動摩擦力通常為摩擦系數(shù)與正壓力的乘積，摩擦系數(shù)的變化和正壓力的變化均可能引起黏滑。在大多數(shù)研究中，為了簡化分析，通常將接觸面間的法向壓力視為定值，僅考慮摩擦系數(shù)隨相對速度的變化[4]。實(shí)際上，天窗密封條在與車頂相對滑動的過程中，密封條沿摩擦面法向方向是做小角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的，并不是直線運(yùn)動，也就是說，密封條相對摩擦面的壓縮量是不斷變化的，摩擦面施加給密封條的正壓力也是不斷變化的。因此，對于密封條與車頂?shù)哪Σ廉愴懀Σ料禂?shù)與正壓力的變化均對其有所貢獻(xiàn)。也就是說，摩擦系數(shù)與密封條的相對速度呈非線性關(guān)系，正壓力與密封條的相對位移也呈非線性關(guān)系，二者共同作用導(dǎo)致密封條與車頂發(fā)生黏滑發(fā)生。

文獻(xiàn)[1,2]指出可將密封條與車頂看作是單自由度干摩擦系統(tǒng)，并提出了相應(yīng)的物理模型。在此力學(xué)模型中，將密封條視為摩擦振子m，車頂開口翻邊視為摩擦面，K、C分別為密封條的彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)，為車頂對密封條的抵制力。本文對該模型的建立不再贅述，根據(jù)此模型，密封條所受正壓力不變，而基于上文的分析，應(yīng)對其做進(jìn)一步的完善(如圖6)，即考慮正壓力(x)的變化對摩擦振動的影響。

在天窗開啟關(guān)閉時(shí)，密封條m被速度為v的玻璃框架驅(qū)動，沿接觸面方向移動。取密封條未發(fā)生彈性形變的位置作為坐標(biāo)軸x的原點(diǎn)，則x為振子離開原點(diǎn)的距離，是振子的運(yùn)動速度，是振子的加速度，(v-)是振子相對摩擦面的速度。

如前所述，振子與接觸面之間的摩擦系數(shù)與振子的相對運(yùn)動速度(v-)是非線性關(guān)系的，記作(v-)。振子與接觸面之間的正壓力與振子的相對位移x是非線性關(guān)系的，記作(x)

根據(jù)此力學(xué)模型，密封條與車頂開口翻邊的運(yùn)動學(xué)方程為：

mcx(v-)(x)

此方程直觀地表達(dá)了摩擦系數(shù)(v-)和正壓力(x)對密封條振動異響的影響。

2.2 密封條摩擦異響的控制

根據(jù)2.1所列運(yùn)動學(xué)方程可知，減小密封條摩擦異響的根本途徑在于將摩擦系數(shù)和正壓力的變化控制在合理范圍內(nèi)。

密封條表面涂層是影響摩擦系數(shù)的重要因素。實(shí)驗(yàn)表明[2]，光滑表面比粗糙表面更容易產(chǎn)生摩擦噪聲。不同的涂層材料在相同的正壓力下其摩擦系數(shù)隨運(yùn)動速度變化的趨勢不同，應(yīng)盡可能選擇變化曲線較平緩的涂層型號。另外，涂層厚度和耐磨性也是決定密封條在長期使用過程中是否產(chǎn)生摩擦異響的關(guān)鍵參數(shù)。涂層太薄，可能使密封條表面存在不均勻的空洞，直接導(dǎo)致密封條在滑動過程中與車頂開口翻邊的摩擦系數(shù)發(fā)生顯著變化；涂層太厚，則可能降低涂層與密封條基材的附著力。一般而言，涂層厚度控制在9～12 μm較適宜。

密封條與車頂?shù)膲嚎s量決定密封條受到的正壓力。因此，根據(jù)密封條的材料、結(jié)構(gòu)不同，必須合理設(shè)計(jì)天窗玻璃與車頂開口翻邊的干涉量,一般控制在1.2～2.0 mm范圍內(nèi)較適宜(如圖7)。另外，研究表明[4]，黏滑運(yùn)動的幅值隨著可變正壓力加速度的增加而增加，隨著變化頻率的增加而減小,因此保持密封條斷面厚度的一致性，增大密封條頂部圓弧的弧度，也可在一定程度上減小密封條摩擦異響。

圖7 密封條與車頂?shù)母缮媪?/p>

3 天窗風(fēng)振噪聲

某款越野車在天窗完全打開的狀態(tài)下以40 km/h的速度行駛時(shí)，前排乘客耳朵感受到明顯的壓力，令人頭暈不適，這便是天窗引起的風(fēng)振噪聲。風(fēng)振噪聲是一種頻率低(20 Hz左右)但強(qiáng)度高(大于100 dB)的風(fēng)噪聲，雖然不易被人耳聽到，但它產(chǎn)生的脈動壓力卻使乘客感到煩躁和疲倦。因此，為了確保乘坐舒適性，有必要在汽車設(shè)計(jì)階段開展風(fēng)振噪聲的研究。本節(jié)探討天窗風(fēng)振噪聲產(chǎn)生的原因和解決方法。

3.1 天窗風(fēng)振噪聲機(jī)理的探討

在車頂開口前部邊緣，車外高速通過的氣流和車內(nèi)相對靜止的氣體之間存在一個(gè)剪切層。當(dāng)車內(nèi)外氣流的速度差超過一個(gè)臨界值后，剪切層就會處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，最終形成旋渦，并隨著氣流一起向后流動。當(dāng)它們撞擊到開口后緣時(shí)，渦旋破碎, 產(chǎn)生一個(gè)向四面?zhèn)鞑サ膲毫Σ?。傳到車外的一部分壓力波到達(dá)開口的前緣，將再次引發(fā)渦旋的脫落，形成反饋回路。當(dāng)漩渦的發(fā)散頻率恰巧與車內(nèi)空氣的固有頻率一致時(shí)，將會發(fā)生赫姆霍茲共振，該過程即天窗的風(fēng)振現(xiàn)象。

由此可見，天窗風(fēng)振噪聲實(shí)際上是汽車內(nèi)外空氣的共振現(xiàn)象，對共振頻率的預(yù)估有助于抑制風(fēng)振的發(fā)生。車外空氣漩渦的發(fā)散頻率受車輛行駛速度及車輛外部造型等因素影響，相對難以確定，而車廂內(nèi)部空氣的固有頻率則比較容易求得。根據(jù)Rayleigh經(jīng)驗(yàn)公式，赫姆霍茲共振腔的固有頻率f=c/(2л)[A/(VL)]-1/2。f是固有頻率，c是音速，V是赫姆霍茲共振腔的體積，L和A分別是頸部的長度和截面面積, 如圖8所示。

圖8 赫姆霍茲共振腔

汽車打開天窗行駛時(shí)，可等效于赫姆霍茲共振腔(如圖9)。車內(nèi)容積可以看作是赫姆霍茲共振腔的體積V，車頂開口到頂棚之間的厚度近似于共振腔頸部的長度L，天窗的開口面積即為腔體的截面面積A。

圖9 天窗與頂棚斷面

3.2 天窗風(fēng)振噪聲的控制

基于天窗風(fēng)振噪聲的機(jī)理，控制風(fēng)振噪聲主要可從兩方面著手，一是改變外部渦流的擴(kuò)散頻率，二是改變車內(nèi)空腔的固有頻率。

在天窗前沿安裝導(dǎo)流裝置，可明顯影響外部渦流的擴(kuò)散頻率，導(dǎo)流裝置的高度、起翹角度、迎風(fēng)面結(jié)構(gòu)對風(fēng)振噪聲均有影響。研究表明[5]，導(dǎo)流裝置高度增加，風(fēng)振噪聲先緩慢增加, 然后迅速下降。但受造型和風(fēng)阻制約，導(dǎo)流裝置高度的可設(shè)計(jì)范圍很小，一般為15 mm左右；導(dǎo)流裝置起翹角度很小或者很大，都不能很好地抑制風(fēng)振，一般在40°左右效果較好(如圖10)；在導(dǎo)流裝置迎風(fēng)面開槽(如圖11)或使用網(wǎng)狀織物(如圖12)均有利于減小風(fēng)振。

圖10 天窗導(dǎo)流板示意圖

車頂開口到頂棚之間的厚度變化不大，一般在45-55 mm左右，且在車型設(shè)計(jì)前期，其與車內(nèi)容積均已確定，因此，改變車內(nèi)空腔固有頻率簡單有效的方法是改變玻璃的開啟距離。在開發(fā)階段，整車廠可在實(shí)車上測試天窗不同開啟位置的風(fēng)振噪聲，找到適宜的開啟位置-“舒適位置”，然后在天窗控制器中設(shè)定該位置，并在天窗開關(guān)上加以標(biāo)識，引導(dǎo)乘客規(guī)避風(fēng)振噪聲。

圖11 導(dǎo)流板迎風(fēng)面開槽

圖12 網(wǎng)狀織物導(dǎo)流板

此外，通過優(yōu)化開口前緣、后緣形狀和頂棚局部傾斜角度也可抑制天窗風(fēng)振噪聲[6]。

4 結(jié)語

為降低天窗限位結(jié)構(gòu)異響、密封條與車頂?shù)哪Σ廉愴憽L(fēng)振噪聲這三種典型異響問題出現(xiàn)的概率，在進(jìn)行天窗產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分論證限位結(jié)構(gòu)結(jié)合與脫離是否平緩、順暢；優(yōu)化密封條斷面形狀，合理選擇密封條尤其是其表面涂層的材料，合理設(shè)計(jì)與開口翻邊的干涉量；合理設(shè)計(jì)導(dǎo)流裝置的高度、安裝角度和迎風(fēng)面結(jié)構(gòu)，并通過開關(guān)標(biāo)識主動引導(dǎo)乘客將天窗打開至合適的開啟距離。如果條件允許，可運(yùn)用CAE軟件對三維模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，有針對性地優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)。