汽车天窗优化设计

汽车天窗优化设计

摘要：本文简述了汽车天窗的工作原理，结构特点，性能要求及实验要求，说明了汽车天窗优化设计的

设计流程。

关键词：汽车天窗优化设计。

1.前言

汽车天窗在国外有100多年的历史，已成为汽车文化的一局部。在中国市

场上，许多汽车制造厂家已开始引入天窗配套工程，目前，许多厂家的汽车都

推出了天窗版轿车。

开车的人都知道，一辆车里挤的人越多，主内的空气就越浑浊。如果在车

内吸烟，车里就更是烟雾缭绕，车里的气味更是难闻。为消除这些让人感觉不

舒服的味道，许多人选择购置车用香水，但这只能起到一定的除味效果。当然,

翻开侧窗也可起到换气的作用，可车辆在运行中翻开窗户会产生很大的噪音，

而且风直接冲撞到司机降低舒适感，坐在后排座位的人也会被侧窗的风吹得睁

不开眼。

汽车在行驶过程中假设经常翻开窗户，不仅影响车内温度，会带进大量灰尘及

传入车外噪声，而且由于高速行驶形成的风会直接冲撞到车内的乘员，降低乘

坐舒适度，因此现代汽车一般都关窗驾驶。对于车身密封性不良的汽车，虽然

也能带进局部新鲜空气，但由于不能人为地控制进风，进风量难以符合要求，

而且进风部位是随机的，往往带进大量灰尘、烟气（发动机废气），污染车内

空气。但假设车内无新鲜空气补充，会使车内空气中二氧化碳含量增大、氧气

含量下降；车内还会因抽烟、人体呼吸、食物及物品等使空气气味不好，影响

乘员身体健康；为了防匚汽车前窗结霜凝雾，也需要引入新风，需要有通风装

置。

另外，通过天窗的玻璃可以自然采光，车室内明亮并可以营造浪漫的气氛,

并给喜欢高档车的顾客带来了满足感。因此，加装天窗既为汽车改善通风状况

的有效方法。

汽车档次不同，天窗也有很多种，所以，在汽车上装配天窗就存在着优化

问题，也就是本文的研究所在。

2.定义

2.1天窗

天窗：是指安装于汽车顶部、主体材料为玻璃的车身部件，并且该部件有一局

部能够由电机驱动并通过传动机构将天窗玻璃沿滑槽前后移动、倾斜启闭，且

能按要求停留在任意位置。

天窗分为固定式天窗也叫全景式天窗和活动式天窗。活动天窗又分为手动

式玻璃天窗及电动式玻璃天窗。

2.2优化设计

优化设计：设计是创造方案的过程，传统的设计是设计者按设计要求和设

计者的实践经验，参考类似结构，通过判断创造方案，然后进行力学分析或按

标准要求作平安校核，再修改设计。这一过程繁复，且往往只能创造出可行方

案。而优化设计那么把力学概念和优化技术有机地结合，根据设计要求，使参

与计算的量局部以变量出现，形成全部可能的设计方案域，利用数学手段在域

中找出满足预定要求的不仅可行而且最好的设计方案。实践证明，优化设计能

缩短设计周期、提高设计质量和水平，取得显著的经济效益和社会效益。

而最优设计是在明确结构的经济性与平安性等指标下，结合计算机辅助设

计，很方便地实现分析计算、设计、出图等全过程的自动化，提高了设计效率

和质量。

3.天窗的作用

3・1汽车活动天窗是汽车乘坐室与外界的空气直接交换通道，是改善汽车内

部温度和空气质量的一种方法，而汽车内部温度和空气质量对驾乘人员在长时

间驾驶车辆过程当中的舒适感以及驾驶平安性有着较大的影响。翻开天窗，使

车内空气循环，使汽车内部可以保持新鲜的空气，可以排出烟味、酒味、霉味

等，消除暖风空调的不适感，减小驾乘人员因空气混浊所引起的昏睡感，增加

汽车乘坐舒适度，减少司机的疲劳感并可以预防交通事故。

3.2在湿度高的天气和寒冷的季节可以防止玻璃上的湿气。

3.3闷热的夏天，长时间停车再启动时，翻开天窗可尽快排出热空气，降低

车内温度。

3,4天窗本身配有的顶盖支架增加了车内的平安性，发生交通事故时天窗也

可以用作紧急出口。在野外摄影、打猎时天窗起着同样方便的作用。

4.天窗工作原理

天窗装置是利用流体力学的原理，将车内的混浊气体“抽”出，使空气

得到充分的交换。

在流体力学研究领域，实验证明在流速高妁情况下流体对管壁的压力小,

在流速低的情况下流体对管壁的压力大。汽车在高速行驶情况下，由于汽车顶

盖都具有一定的弧度，因此，外部气流在流经汽车顶盖时速度会很高，外部空

气对汽车顶盖的压力小于车内空气对汽车顶盖的压力，车内空气向车外流动，

压力变小，外部新鲜空气补充进车内，这样，车内空气得到循环，汽车内部就

可以保持新鲜的空气。

5.天窗的种类及特点

5.1汽车天窗种类

汽车天窗种类见表1

表1

天窗

固定式玻璃活动式玻璃天窗

天窗滑帘式天手动式玻璃天窗电动式玻璃天窗

窗上推式天窗推拉式天窗外滑式天窗内滑式天窗

注：1.固定式玻璃天窗也就是玻璃顶棚，不可活动，不减弱甚至会加强整车

强度及刚度。

2.滑帘式天窗主体材料为可折叠的软帘，软帘沿滑槽前后移动、启闭,

且能按要求停留在任意位置。

5.2汽车天窗特点

手动式玻璃天窗见表2

车体结构顶盖外板开孔顶盖外板开孔、折边焊加强框

结构与安天窗上的螺钉应紧固，无松动现象；滑槽内的运动件应移动顺畅，

装无卡滞现象和异常噪声；遮阳帘在天窗上应安装到位，且操作灵

活，便于拆卸。

车内头顶七35〜45mir心50〜60mm

空间损失

安装布置安装布置范围小，用于车身顶安装布置要求空间较大，用于车

空间要求盖长度尺寸身尺寸相对较大的车型

设计制造投资少，开发制造周期短（1年为某一种车型单独设计和制造，

左右），产品有一定的通用性高投入，需2〜3年的开发制造

（在后加装中可用于多种相近周期

的车型）

费用情况投入少，产量小，单价相对高投入大，产量高，单价相对低

应用范围a.在后加装天窗时使用，可用应用于原厂生产的车型，单独为

于车身顶盖曲面及结构相该原厂车型设计和制造，不能与

接近的多种车型上；其他车型匹配

b.经过适当的工艺改良，也可

以在车身尺寸较小的原厂

车型上使用

5.3汽车天窗各组成零部件执行标准

GB/T2828逐批检查技术抽样程序及抽样表

QC/T625汽车用涂镀层和化学处理层

GB/T17340汽车平安玻璃的尺寸、形状、外观

GB9656汽车用平安玻璃

GB/T12421客车门窗用橡胶密封条

QC/T413汽车电器设备根本技术条件

6.天窗的结构型式

6.1天窗的结构

a.夹紧式结构

天窗分为天窗总成单元及安装固定框两局部，分别位于车身顶盖的外

侧和内侧，通过紧固件使这两局部闭合并同时夹住车身顶盖的安装固定

方式为夹紧式结构。

b.悬挂式结构

这种结构的天窗需要为其专门设计车身顶盖，顶盖要有一个翻边孔；

同时另需设计一个顶盖加强件（冲压件），并与车身顶盖的翻边孔焊接

在一起。天窗总成作为一个整体，通过紧固件悬挂固定在加强件上。

天窗夹紧式与悬挂式结构的比拟

型式夹紧式悬挂式

外观天窗玻璃高于车身顶盖与车身顶盖保持平整

安装1.天窗总成在上部；从顶盖下部（车内）向上安装；紧

万式2.安装固定框在下部；固件螺母焊接在顶盖加强伸上，通

3.车身顶盖在中间。过螺栓从下部将天窗与加强件固定

在一起

密封天窗与车顶间由密封条强制密玻璃周边密封条与车顶翻边配合，

封，天窗玻璃与开口框架处由密密封条有一定的压缩量，起到密封

封条强制密封作用。

排水不需要，天窗与车身强制密封，需要。天窗及车身结构中需要一套

系统雨水无法进入车身排水系统将渗入天窗内部的雨水排

到车身外部

车身在车身顶盖上设计一个简单的冲需要在车身顶盖上设计一个翻边

顶盖切孔，不需要加强件孔，另外需要设计一个加强件，并

的结与顶盖孔的翻边焊接在一起

构设

计

车身仅需另外制造一副顶盖冲孔模；1.在顶盖制造上另外需要多副

的制制造精度要求相对低模具，如顶盖冲孔落料、翻边、

造整形等；

2.需要一套模具制造加强框；

3.需要定位及焊接工装将加强

框与顶盖焊接。制造过程复

杂，精度要求较高（天窗的密

封性能以及与顶盖的外观配

合受尺寸精度的影响较大）；

辅助工装要求高（如定位夹

具、检具等）

车身车身制造周期较短，费用相对较车身制造周期较长，费用相对较高

制造低

周期

及费

用

6.2天窗的密封〔排水〕方式

a主动式密封方式

通过天窗与顶盖之间的密封，以及天窗玻漓与天窗开口处密封条的密封，

阻止灰尘及雨水等进入天窗及车身内部。

b被动式密封（排水）方式

通过天窗玻璃周边的密封条与车顶翻边的密封结合，阻止灰尘及大局部

雨水；同时，天窗总成内部需要设计有流水槽及排水导管接头，将少量从玻璃

密封条与车顶接合处渗入的雨水排到车身外部。

在天窗总成内部框架的4个拐角处各设片一个排水导管接头，排水导管

接头连通流水槽并外接排水导管，前部的排水导管通过车身A柱，后部的排水

导管通过车身C柱或D柱，将雨水导出车身。

6.3天窗玻璃开启运动的实现，均是由一个电机提供动力，在开关以及电路

模块的控制下，通过减速机构、传动拉索，将切力传递给与玻璃相连接的左右

侧连杆机构，由连杆机构的运动实现玻璃的倾斜、前后移动等动作。电机可以

位于前部，也可以放置于后部。

6.4经过特殊处理的平安强化玻璃，可有效阻挡有害射线、热及耀眼的阳光。

玻螭可设计成多种多样的，甚至可以用钢面板替换玻璃板。精心设计的天窗框

架不但不会使车体整体刚度减弱，反而会增加车体刚度。

6.5图3为内滑式天窗的典型结构图

7.天窗的性能要求

作为整车的一个功能性部件，天窗除应满足整车常规要求，如平安性、

可靠性、耐久性以及舒适性等，还要有自身的一些特点，因此，天窗应满足以

下方面要求：

7.1平安性

在平安性方面，天窗系统应满足下表所列的各项要求：

外滑式内滑式

系统的500N向上冲击力天窗保持正常的功能

强度（关1800N向上冲击力天窗玻璃不能破碎，并与天窗总成框架连接

闭位置）牢固

>1800N向上冲击力天窗玻璃在与窗总成框架连接失效前，首先

粉碎

在开启在玻璃后端中点施<10mm<25mm

位置玻加220N的垂直载荷

璃受垂（上或下）

直载荷

的位移

系统可关闭位置承受890N保持原有各项性能

靠性向下均匀载荷

电机被堵转运行lh电机保持原有各项性能，并且不能有过热、

后冒烟或产生异味的现象

在玻璃角度完全开系统不能有物理损坏及功能失效

启位置，承受450N

的侧向力

在玻璃角度完全开系统不能有物理损坏及功能失效

启位置，承受450N

垂直载荷（上或下）

玻璃开度为25nlm系统不能损坏，玻璃后移量

时，在前部承受680N

的向后推力

7.2天窗应具有平安防夹功能，即玻璃在关闭过程中遇到障碍物时，能够自

动结束关闭运动并同时向后返回。

图3

1.天窗加强框&SCU

2.顶盖前横梁9.天窗电机

3.顶盖前托梁10.天窗驱动装置

4.顶盖后托梁11.天窗玻璃

5.顶盖后横梁12.导水槽

6.顶盖内饰13.遮阳板

7.天窗框架

7.3性能要求

外观要求1天窗的金属件必须经过防腐蚀处理，或使用具有防腐蚀性的材

料制造。

2天窗的塑料件外表应光滑平整、无气泡，无影响使用的变形。

3天窗金属零件的涂镀层和化学处理层应符合QC/T625n相关

条款的有关规定。

4天窗的玻璃外表应符合GB/T17340中6有关前风窗以外玻璃

规定，其余性能符合《GB9656汽车用平安玻璃》的规定。

5天窗密封条的外表质量和性能要求应符合GB/T12421规定。

性能要求1根本性能

a)工作电压

天窗在11V〜15V电压F应运行平稳，不允许有异常噪声和

卡滞现象。

b)电流特性

天窗的工作电流不大于3.2A,堵转电流小于15A,防夹

电流不大于5AO

2密封性

在一定的实验条件下，天窗的玻璃与框架之间的防水密封

性好，不允许有渗漏现象。

3耐振性

天窗经QC/T413规定的扫频振动试验后符合第1条的规定。

4耐久性

天窗应能经受15000次的工作循环，试验后的根本性能应

符合第1条的规定。

5耐温性

天窗应能在-3CTC〜85C的环境温度范围内工作，经上下温

试验后应符合第1条的规定。

6耐湿热性

天窗应能经受耐湿热试验，试验后应符合第1条的规定。

7平安性

天窗应具有防夹保护功能，当关闭天窗时，如遇到障碍物,

天窗能自动运行开启至极限位置。

8防盗性

天窗应具有自动关闭功能。当车钥匙打到OFF位时，如果此时

天窗不在关闭的位置，10秒后会自动关闭。__________________

实验方法1试验条件及设备

a）试验电源采用足够容量的直流稳压电源。

b）试验电压为（12±0.3）V,接线电阻为（0.25±0.02）

Qo

c）环境温度为（5〜40）℃o

d）天窗的各项试验可在模拟状态下进行。

e）耐久性试验的一个工作循环为30秒。天窗玻璃开启至极

限位置，断电10秒，然后再通电使玻璃关闭至最终位置,

断电10秒。

2外观检查

按外观要求规定，采用目视检查和评定。天窗外表不能划

伤、起泡，丝网印刷要清晰口

3根本性能试验

a）工作电压的试验

将天窗分别接入11V〜15V的两个电压，各运行两个二作循

环。运行效果应符合根本性能要求中的规定。

b）电流测量

当天窗在试验电压下，用电流表测量天窗运行的工作电流,

然后将玻璃开启到极限位置时，使电机堵转，测量其堵转电流;

用同样的方法测量天窗玻璃关闭时的工作电流及堵转电流。检

验结果应符合根本性能要求中相应的规定。

4密封性试验

将天窗安装在喷淋试验装置（保证天窗上淋到的水均匀，

不得有死区存在），喷头出水口离天窗距离约为700mm，喷嘴的

喷射压力为69"147kpa,降雨强度为4〜6nlm/min试验条件下，

喷嘴的轴线与车辆基准Z平面垂直，喷嘴朝向车体，使天窗淋

雨15iiiiu。观察试验效果，不允许有渗漏现象。

5耐振性试验

在QC/T413规定的扫频振动试验条件下进行扫频振动试验,

试验后符合根本性能要求中的规定。

6耐久性试验

天窗在试验电压下，按如下规定的试验温度在试验装置上

进行耐久性试验，试验后按根本性能要求检验天窗的根本性能,

按密封性要求检查天窗的密封性。

环境温度：5000个工作循环；-20。（2：2000个工作循环；

+70℃：3000个工作循环;

环境温度：5000个工作循环；

7耐温试验

7.1天窗放入室温开始的低温箱中，到达（-30±3）七的低温

并保持2h后，自低温箱中取出lOmin内完成产品性能测试，试

验后应符合根本性能要求中的规定。

7.2天窗放入室温开始的高温箱中，到达（85±1）℃温度后再

保持2h,自高温箱中取出2min内完成产品性能测试，试验后应

符合根本性能要求中的规定。

8恒定湿热试验

天窗放入恒定湿热试验箱。调节试验箱，使温度为（40土

2）°C,相对湿度90%〜95%（先调节温度，当到达温度后再加湿），

连续保持24h,取出在正常大气下放置1〜2h,应符合根区性能

要求中规定。

9平安性试验

将天窗按实际使用状态安装，并使天窗按自开工作方式开

启至极限位置，然后在其关闭的过程中，设置一障碍物，以阻

止玻璃继续运行。此时测得最大电流值不得大于根本性能要求

中的相关工程所规定的值。（此项仅适用于防夹方式）

10防盗性

将天窗按实际使用状态安装，并使天窗按自开工作方式开

启一定位置，然后将车钥匙打倒OFF位，等待10秒后，天窗自

动运行至关闭位置。

11噪声检验

将天窗放在噪声测试房内，噪音测试房内本底噪声应小于20dB,

测试天窗运行一个周期的噪声应W70dBo

7.4天窗玻璃的光学性能

天窗玻璃光学性能的考核主要有以下几个指标：

a.透光率

b.光反射率

c.总能量传导率

d.总能量反射率

e.紫外线传导率

7.5密封性

对于安装天窗系统的汽车而言，不但要保证天窗与车身之间密封，而且要保

证天窗系统自身密封，或是能完全阻止灰尘及雨水等进入车身内部，或是在密

封的同时还能利用天窗的排水系统将少量从玻璃密封条与车顶接合外渗入的

雨水排到车身外部，绝对不允许在汽车内部有水迹。

7.6天窗系统对风噪的影响

a一定车速下，翻开的天窗玻璃会产生一定的噪声，在产品设计时应注意控

制这一噪声源。通常在车速为25〜110km/h时，由此产生的风噪不能超过9dbo

b天窗玻璃密封条与车身结合的部位也可能产生噪音，在产品设计时应考虑

结合部位的间隙以及平整度，将其噪声对车内的影响控制在2