一种避免异响的天窗起翘机构设计

翟斌，刘景亮，勾玉涛

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

一种避免异响的天窗起翘机构设计

翟斌，刘景亮，勾玉涛

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

通过摩擦学机理探讨天窗开启、关闭时产生异响的根本原因，并从结构设计上提出一种用于天窗玻璃垂直升降的起翘机构，使玻璃密封条与车顶窗框在运动过程中一直保持初始的合理压缩量，从而避免摩擦异响。

天窗；摩擦；异响；机构设计

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

汽车天窗作为一项汽车外饰功能件，不仅起到提供乘员车顶部的视野宽度,实现乘员和外部环境的交互功能。利用天窗打开时，车内外形成较大压差，可实现车内混浊空气与外部新鲜空气的快速交换，有效避免车窗换气时空气灌入车内形成涡流带来的噪音问题。并且利用天窗对车内降温、除雾也是非常节能省时的方法[1]。

但天窗在保持一定的美观、功效的同时，还必须具备开启足够空间、机构运行流畅、防雨、防尘等功能。所以对于天窗自身结构的设计、天窗与车顶窗框及顶棚的合理配合，特别是天窗在开启关闭时，避免产生异响是提高天窗质量与客户满意度的重要指标。本文主要从摩擦异响的机理上探讨天窗开启关闭时产生异响的根本原因并从结构设计上优化天窗机构，提出合理有效的解决方案。

1、天窗异响原因分析

天窗异响一般分为两大类，一类是天窗自身机构运行时的异响，表现为电机内部蜗轮蜗杆运转不平稳、运动滑块与导轨在移动中的摩擦、连杆机构在传动过程中存在碰撞等形式而产生异响。另一类是天窗运行过程中与车体接触而异响，表现为车辆行驶在颠簸路面时遮阳板抖动、前框架上电机启停切换时抖动撞击车顶、玻璃密封条与车顶窗框的摩擦异响等方面。在各类异响中，玻璃密封条与车顶窗框的摩擦异响基本为各车型在开发匹配初期都会遇到的疑难问题。

天窗玻璃外包覆密封条的作用是通过其与车顶窗框之间一定的弹性压缩，尽可能阻隔车外环境的风雨和灰尘从接口匹配处进入。天窗装配状态及密封条压缩量如图1所示。但由于天窗在开启、关闭的动态过程中，密封条与车顶窗框发生相对运动，这种运动产生密封条的挤压和摩擦从而产生异响[2]。

由图1易知，在一般天窗玻璃由外摆到关闭再到内藏状态，或其逆向运动的过程中，其玻璃及密封条整体总以前端模块为旋转中心，玻璃运动轨迹基本可近似作为绕前端中心的圆弧运动。在其向下旋转过程中，玻璃后端密封条与框口距离不断缩小，其密封条也在原基础上不断被挤压。如图2所示，为玻璃运动简图，①至④分别代表玻璃外摆、关闭、内藏过程及内藏完毕状态。由简图易知，天窗玻璃在回收过程中，密封条不断被挤压，而增加摩擦异响的风险。并且如果车顶窗框周围钣金刚度不足，在密封条与其接触的过程中又会发生变形及回弹发出振动异响[3]。

解决此问题，多数做法是改变密封条材质、增加涂层或表面植绒处理，降低摩擦系数从而减少噪音大小[4]。但因密封条的自身特性，涂层及其本体都会随着时间的积累而发生老化或变性，从而继续产生摩擦异响。所以要想从根本上解决此问题，必须从天窗玻璃的运动形式上减少密封条与车身的压缩量。

2、天窗起翘机构的设计

2.1 设计目的

针对以上异响原因，本文特提出一种可有效减少异响问题的天窗起翘机构[5]。其特点在于天窗玻璃由关闭状态到外摆上升或内藏下降过程中，天窗玻璃的运动轨迹一直垂直于车顶平面升降。这样可避免普通天窗玻璃在绕前端模块旋转过程中，另一端密封条与车顶窗框压缩量从合理公差变为过度压缩，而出现压缩力过大产生摩擦噪音或带动车顶钣金随动，其回弹时而产生二次异响。

2.2 结构简介

如图3所示，为天窗起翘机构设计的三维结构图，机构主要以天窗主滑轨为机架，螺旋拉线做往复运动，同时带动滑动连接架与第一直滑动臂整体移动。主滑块上设有曲线槽，第一滑动臂上有尺寸相当的凸起台伸入到曲线槽内，滑动臂移动时带动主滑块移动，主滑块与滑动基座通过连接轴铰接，连接轴上安装扭转弹簧，起到辅助主滑块恢复原位的作用。在第一滑动臂移动时，通过中间直齿轮的传动作用，第二滑动臂与其同步向相反方向移动。至此滑动臂作为主动件，其与滑动连接架、横梁组成的连杆机构组成最终执行机构，实现连接在横梁上的天窗玻璃垂直升降。使其密封条与车顶窗框一直保持着初始的合理压缩量。

3、机构可实施性验证

3.1 机构连续性验证

其中应用连杆机构的稳定特性，使天窗玻璃在打开及收缩的过程中，保持着平稳、连续的运行。如图4所示，表示在起翘机构的作用下，天窗玻璃由关闭状态到外摆及内藏、回收的状态。由图易知，天窗玻璃的外摆上升高于车顶盖25mm以上，内藏下降距离低于顶盖16mm以上，与一般天窗的设计尺寸相当，证明功能性可满足应用要求。

3.2 扭簧的参数选择

在玻璃内藏到收缩过程中，之所以起翘机构整体开始时没有随第一直齿条滑动臂一同向后移动，是因为主滑块内曲线槽的特殊设计。如图5所示，第一滑动臂凸起在内藏天窗初始时，一直在曲线槽的直线端内运动，而在玻璃完全下降完毕后，凸起进入曲线槽的弯曲端内，使主滑块弯曲端绕连接销旋转，脱离主滑轨限位凹槽后随滑动臂一同向后移动，从而带动起翘机构连同玻璃整体向后移动直到回收完全。

玻璃从内藏到关闭的过程中，主滑块又依靠扭转弹簧的辅助作用，在弯曲段到达主滑轨凹槽处时卡住主滑块不再向前移动。其扭转弹簧的设计参数如下公式所示[6]：

式中：D=中径；d=线径；E=材料弹性模量，n=有效圈数；R=力臂长度；P=负载，α=负载作用时的角度量。

其中扭转弹簧材质定为65Mn，其弹性模量E在196500-198600Mpa。线径d选择直径为2mm。通过图5可知，主滑块绕连接销的起翘角度约为7.5°，此角度即为扭簧负载作用时的角度量α。扭簧的中径可根据连接销的直径大小而定，连接销外径为6mm，所以中径D定为8mm。根据实验值在弯曲端上表面垂直向下施加14-16N的力，可完成辅助主滑块的回位功能，所以取上限P=16N为负载力。其力臂长度在图5中已标出为68mm。通过计算，得扭转弹簧有效圈数n=2.96圈，考略安装角度需要，扭簧最终总圈数定为n1=3.6圈。

4、结论

本文从结构设计上提出一种用于天窗玻璃垂直升降的起翘机构，使其密封条与车顶窗框在天窗玻璃运动过程中一直保持着初始的合理压缩量，从而有效避免其过度压缩而产生摩擦异响。

[1] 梁智勇.汽车天窗的发展历史及新技术应用[J].汽车零部件, 2015,1.

[2] 陈光雄,周仲荣等.摩擦系数影响摩擦噪音发生的机理研究[J].中国机械工程,2003,11.

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

[4] 吴彩霞.天窗玻璃密封条结构优化与故障解决[J].机械工程师，2014,4.

[5] 金婉如,邵俊鹏,刘庆全等.基于UG的汽车天窗参数化设计[J].哈尔滨理工大学学报,2004,7.

[6] 孙志里,马秋国,黄星波等.机械设计[M],北京,科学出版社,2010,6.

厂家提供图纸要求最大工作角度为45°。从固定节转角仿真曲线（图7）中可以看出，在右转下极限工况时驱动轴固定节的夹角最大，数值为39.766°，该校核结果满足图纸设计要求。

3、结论

（1）通过Adams/Car仿真结果可以得出，驱动轴在极限状态时固定节和移动节处的角度和滑移量符合图纸设计要求。

（2）使用Adams/Car对驱动轴进行运动仿真，充分考虑各部件连接点处橡胶衬套作用，使模型状态更接近实车，仿真结果更加合理。

参考文献

[1] 刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,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，就职于华晨汽车工程研究院，主要从事项目管理工作。