汽車星空頂電動天窗結構設計

關鍵詞：汽車星空頂電動天窗；結構設計；實現(xiàn)功能；控制策略

0引言

隨著國內外汽車零部件產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車天窗市場的競爭也逐漸多元化，消費者對汽車天窗的功能配置的價值感在提升，對生活品質的要求越來越高。尤其年輕人對時尚的追求及個性化功能的需求井噴發(fā)展，因此像星空電動天窗等新型產(chǎn)品應用開始逐步發(fā)展。但傳統(tǒng)的星空頂系統(tǒng)中需要將每根光纖插入頂棚并固定，并且光纖只能固定在沒有天窗的部分，而有天窗的部分無法布置。這對于全景天窗的車型來說，會出現(xiàn)車頂大部分面積都因無法布置光纖而不能呈現(xiàn)星空圖案的問題[1]。本文從天窗玻璃結構方面進行開發(fā)，解決了天窗無法呈現(xiàn)星空效果的困難，同時以星空頂電動天窗系統(tǒng)開發(fā)為切入點，詳細闡述其結構及功能邏輯等方面的開發(fā)設計。

1汽車星空天窗的主要組成及實現(xiàn)功能

1.1星空頂天窗的主要組成

星空頂天窗是通過對汽車天窗設計增加照明發(fā)光元件組成氛圍燈光系統(tǒng)，暗光環(huán)境下可以在車內形成非常獨特的高級光暈，從而提升車內的檔次[2]。其主要由星空玻璃總成、前后玻璃燈帶總成、框架總成、接觸開關總成和遮陽簾導風簾等零部件組成，結構如圖1所示。

星空頂天窗的前后玻璃需在傳統(tǒng)玻璃上覆合星空圖案，在前后玻璃側邊位置增加玻璃燈條，通過兩側LED燈光映射實現(xiàn)漫天星空效果。星空圖案可根據(jù)客戶要求進行定制，其主要技術集中在前后玻璃圖案的集成設計-玻璃覆合。

此方案與傳統(tǒng)星空頂天窗方案對比：傳統(tǒng)方案需要在汽車頂棚上依次預穿800～1600個孔，每一個孔內都需要裝入獨立光纖，發(fā)光光纖需要通過獨立多顆光柱進行效果呈現(xiàn)，在制造及成本極其昂貴，工藝復雜，不利于返修，在配置有天窗的車型上，呈現(xiàn)區(qū)域只能在汽車頂棚上面，天窗玻璃區(qū)域無法進行呈現(xiàn)。

本設計方案在可開啟汽車天窗的車型基礎上，對天窗玻璃進行覆合處理。通過油墨印刷工藝，將設計好的圖案提前印刷在玻璃上面，通過燈光呈現(xiàn)圖案。相比植入光纖方案，本方案結構和制造工藝簡單，在不改變天窗匹配的情況下，可以通過天窗玻璃的互換方式進行配置加裝，維修便捷[3]。

1.2星空天窗主要實現(xiàn)功能

星空頂具有關閉或隨整車背光控制功能、單色定義、單色呼吸、變色呼吸、隨音樂變化以及亮度調節(jié)等功能，如表1所示。

2天窗布置星空頂?shù)慕Y構設計

2.1星空頂結構LED布置方案

在傳統(tǒng)的全景天窗上基礎上，不改變整車裝配，將前活動玻璃及后固定玻璃設計成復合帶有圖案的白玻。然后在白玻玻璃上印刷圖案，通過白玻兩側的LED燈帶向內側照射光源。兩端的LED模塊提供各種顏色的光源，然后將燈光導入夾層玻璃的內層中。在夾層玻璃的底部，印刷處可以散射光線的圖案層。光線在玻璃內部經(jīng)過多次折射散射，最終在玻璃的內表面呈現(xiàn)整面發(fā)光的效果，白玻反射光源顯現(xiàn)圖案。

LED燈帶需布置在白玻的兩側，燈源選擇為多色RGB燈珠。其布置結構如圖2所示，以側邊的RGB燈源為基礎，照射在圖案玻璃上面，呈現(xiàn)星空效果。LED是利用發(fā)光二極管把電能直接轉換為光能[4]。因LED發(fā)射的能量光束在導光玻璃傳遞具有衰減性，折射次數(shù)越多，損耗越大。所以在設計印刷網(wǎng)點的時候一般采取梯度排布，中間網(wǎng)點不能過于稀疏。通過光譜分析，對車內環(huán)境光照的一般要求如下。

（1）功能照明：10～80cd/m2。

（2）背景照明：4～15cd/m2。

（3）功能照明亮度：≥2倍的背景照明。

（4）星空頂光照建議值：4～15cd/m2。

2.2星空頂星空玻璃復合設計

2.2.1印刷星空效果圖案

星空效果圖案主要為復合在原玻璃上的白玻自帶印刷圖案，通過反光油墨進行印刷。其印刷方案如下。

（1）圖案需印刷在白玻上。白玻是一種超透明低鐵玻璃，是一種高品質、多功能的新型高檔玻璃品種，透光率可達91.5%以上。

（2）印刷圖案根據(jù)客戶要求進行定制開發(fā)，開發(fā)印刷網(wǎng)板，網(wǎng)板上面呈現(xiàn)圖案。LED直接將能量光束傳遞至導光玻璃，通過絲印網(wǎng)點進行折射和反射后，實現(xiàn)整個天窗均勻發(fā)光，光能利用率高，整體亮度高。

（3）將印刷網(wǎng)板與白玻進行貼合，將反光油墨均勻上漿，再通過干燥、曬版等流程生產(chǎn)成成品（圖3）。

2.2.2復合成星空玻璃總成

將印刷后的白玻通過復合工藝與天窗灰玻進行復合，生產(chǎn)成星空玻璃總成，其復合方案如下。

（1）將帶圖案的白玻及天窗原始玻璃通過復合設備進行結合，兩玻璃在結合中間層放置SGP復合膠片（SGP是美國杜邦公司研發(fā)的夾層玻璃離子聚合物中間膜）。

（2）SGP膠片厚度為0.75mm。在玻璃膠合前，將玻璃切割成所需尺寸及形狀，SGP膠片的尺寸亦需切割成所需尺寸及形狀，避免膠合完成后再進行切割。復合的白玻尺寸比原始天窗玻璃尺寸小，Y向尺寸相差60.00mm，主要是白玻的側邊需安裝LED燈帶。

（3）復合抽真空。將SGP膠片疊加在一起，夾在玻璃中間，采用真空袋工藝進行抽真空。合成后的夾層玻璃也可以當作玻璃基片，再深加工成其他各種配置的玻璃，以滿足各項性能要求。

2.3星空頂玻璃與整車線束導通觸點設計

因天窗前玻璃為活動玻璃，在天窗打開后，前玻璃星空頂此時處于斷電狀態(tài)，不呈現(xiàn)放光效果。在前玻璃運行關閉后，此時需要將前燈條進行導通，即需要導通LED燈帶和主線束的連接。設計方案為接觸式觸點導通結構，即前玻璃LED線束需要與主線束為活動式接觸點進行導通（圖4）。接觸式導通結構設計方案如下。

（1）天窗滑軌上設計觸點固定點。將觸點開關布置在LED滑軌U型槽位置，當前玻璃關閉后，前玻璃線束觸點與滑軌上觸點接觸，起導通作用。

（2）觸點座集成彈性觸點。彈性觸點設計有彈簧，在觸點導通時，觸點被擠壓收縮，滑軌觸點座需要天窗總線束進行連接。

（3）觸點實現(xiàn)功能：在前玻璃關閉位置，觸點和前玻璃LED燈線束銅片接觸，前玻璃LED點亮，反之斷開。

（4）觸點開關為彈片接觸，材料為黃銅，可保證產(chǎn)品壽命和接觸力。理論上彈片的預壓量設計為3.00mm，預壓力設計為2.0～3.5N。彈片接觸方向為Z向接觸，X、Y軸方向接觸面有4.50mm的空間可調整，可保證天窗前玻璃有2.00mm的調整余量。

（5）彈片的性能耐久。通過CAE機構分析及實際試驗驗證，彈片可滿足10萬次的循環(huán)耐久試驗。試驗后彈片的性能衰減在5%之內，滿足正常的衰減要求。

（6）天窗布置的星空頂線束與整車線束通過插接器連接，傳遞信息通過LIN線與BCM相互通訊。

3星空頂與車身控制單元（BCM）控制策略設置方案

星空頂燈帶通過LIN線與BCM進行通信，掛載在BCM的網(wǎng)絡下，遵循LIN功能規(guī)范。在星空頂天窗左右的后側各設置1個模塊——星空頂控制模塊，使用布置設計的線束進行導光連接[5]。星空頂模塊與BCM通過LIN控制可以實現(xiàn)顏色同步調節(jié)。

RGBLIN模塊主要由“RGBLED+LIN通信模塊+單片機控制”組成，該模塊與傳統(tǒng)的LED燈控制不同（圖5）。

3.1RGB顏色控制

RGBLIN模塊可以直接作為BCM或者ALM的通信節(jié)點，相關指令對應紅（R）、綠（G）、藍（B）3個顏色通道的變化。

RGBLIN模塊還具有溫度補償功能，保證RGB混光顏色保持在定義的色坐標范圍內。RGB配色顏色計算方式如下。

（1）根據(jù)三基色配色原理，只有三角形區(qū)域內的顏色才能通過RGB三基色配色實現(xiàn)。

（2）合成光的顏色取決于紅光、綠光和藍光的亮度比例。

（3）合成光的總亮度等于紅光、綠光、藍光各自亮度值的總和。

基于目前的半導體技術，LED燈珠都以bin來區(qū)分顏色坐標，某一個bin則表示色坐標在某個范圍，而所有顏色都是由紅、綠、藍三種基色混光出來。以某款LED燈珠為例，紅光有3、4和5這3個bin，綠光有2、3、4、5、6、7、8和9共8個bin，藍光有H、J、K、L、M、N、O、P、Q和R共11bin，所以理論上不考慮亮度的情況下，這款LED燈珠有3×8×11=264種顏色組合。

3.2在電子防盜報警系統(tǒng)（IHU）設置功能

在IHU中可設置“星空頂功能”，包括開啟和關閉。其設置邏輯關系如下。

（1）整車初次上電后，“星空頂功能”默認設置為“開啟”；BCM發(fā)送周期型信號。

（2）當“星空頂功能”為“開啟”時，若在IHU中設置為“關閉”，IHU發(fā)送事件型信號給BCM，BCM更新設置后立即反饋周期型信號給IHU。

（3）IHU進行設置后不會立即更新狀態(tài)，只有收到BCM反饋的狀態(tài)信號，IHU才會更新顯示狀態(tài)。

（4）整車重新上電后，記憶上一個點火循環(huán)設置狀態(tài)。整車電源切換至OFF，IHU不記憶設置狀態(tài)，BCM記憶當前“星空頂功能”（開啟/關閉）設置狀態(tài)。重新上電后，BCM將記憶的設置狀態(tài)發(fā)送給IHU用于顯示。

3.3星空燈LIN節(jié)點判斷邏輯

若星空燈收到LIN信號，則根據(jù)LIN音樂音頻信號，由控制器控制動態(tài)改變星空燈的亮度和顏色。星空燈的RGB燈按照開啟“動態(tài)設置-音樂律動”的設置狀態(tài)點亮。例如，開啟“音樂律動”前，星空燈RGB燈設置為紅色；開啟“音樂律動”后；顏色和亮度隨音樂發(fā)生變化；當沒有音樂輸出時，星空燈的RGB燈則按照之前設置的狀態(tài)執(zhí)行。

音頻信號根據(jù)整車要求的音頻信號屬性執(zhí)行，星空燈的RGB燈根據(jù)標定狀態(tài)將64色進行賦值匹配，實現(xiàn)音樂律動時的顏色變化。

4結束語

汽車星空頂配置天窗，主要是在可開啟天窗的基礎上增加LED燈及星空效果，起到裝飾和烘托車內氛圍作用。按實現(xiàn)功能的效果分為氛圍燈效果及呈現(xiàn)圖案效果，二者相互結合，可以達到車輛配置以及體現(xiàn)感的提升[6]。

目前，國內汽車天窗的需求越來越大，本文簡述設計的星空頂天窗在整車上已經(jīng)得到充分的實測及應用。測試結果表明，星空頂電動天窗完全能夠按照設計要求進行各項功能工作，實際測試都達到了設計標準。本文提出的相關星空頂開發(fā)的主要結構設計及控制策略，希望更夠給更多的汽車設計者借鑒。