1、汽车天窗的整体结构设计第1章 绪 论1.1 引言 汽车天窗在国外有100多年的历史，已成为汽车文化的一部分。汽车在行驶特别是长途行驶的过程中，人们经常会有疲劳或者困倦的感觉,这实际上是因为大脑缺氧,有时候通过侧窗进行换气，但是侧窗打开之后，吹到入们身上的是漩涡状气流，会觉得风吹的很大,而且噪音、灰很大，同时有时会感觉到风吹的肩膀者畴。通过天窗通风会克服上述缺点。 开车的人都知道，一辆车里挤的人越多，车内的空气就越浑浊。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，许多人选择购买车用香水，但这只能起到一定的除味效果。当然，打开侧窗也可起到换气的作用，可车
2、辆在运行中打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。汽车在行驶过程中若经常打开窗户，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，虽然也能带进部分新鲜空气，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。但若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
3、了防止汽车前窗结霜凝雾，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。 1.2 天窗定义 天窗：是指安装于汽车顶部、主体材料为玻璃的车身部件，并且该部件有一部分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。1.3 汽车天窗的发展状况 汽车天窗起源于20世纪初，最早的出行时敞篷式布顶汽车，德国伟巴斯特公司在1932年生产出第一个
4、功豪华汽车和公共汽车使用的折叠式的天窗，第一次将后加装天窗推向舞台。汽车本身的空间相对狭小、密封性较强，随意，车内空气容易变得浑浊，尽管汽车本身都配备通风系统，而且需要的时候还可以打开车窗让空气流通。可是，行车时尤其是快速行驶时，开侧窗通风不禁噪音大，而且灰尘多，因此，天窗这个时候就能显示出其右实行了，安装有天窗的汽车在行进过程中开启天窗后，由于气流的流动原理，能过快速有效地使车厢内的空气和车外的新鲜空气进行交换，从而使汽车内的含氧量大幅度增提高，无论时间是这还是乘客都不容易疲劳。另外，跟打开侧窗相比，开启天窗时，行驶中的造影相对比较小，也增加了行车的舒适性。中国国内生产汽车天窗的厂家少之又少
5、，而对天窗的研发设计对于我国汽车零部件市场的发展有开图和推动作用。据不完全统计，在发达国家汽车天窗的普及率达50%，而在我国普及率仅为1%，差距较大。 世界上汽车天窗的著名生产厂家有德国尾巴斯特、德国奔驰、美国的ASC和荷兰皇家汽车天窗公司。 出于成本及消费者习惯的考虑，80的原装车都没有安装天窗，大多数的消费者都是购买天窗后再加装以满足要求，在美国每年有数万辆的家用轿车进行后安装天窗，在韩国也有数万辆以上，而中国现有原装天窗的汽车还不带汽车生产总量的1。现在各个城市的私家车拥有量每年还在快速递增，但带天窗的的轿车却少之又少，这个天窗市场提供了广阔的空间。 天窗发展时至今日，其类型也愈来愈多，
6、按照操作方式一般分为手动旋转式、手动上推式、电子按键式；按照开启状态又分为外掀式和内藏式。外掀式的手动天窗多用于经济型轿车，而内藏式的电动车窗则多用于商务车、高档车。我设计的汽车天窗是内藏式的天窗加上手动的挡光板，结果相对简单低价，而且方便使用，可靠性稳定。1.4 汽车天窗的作用 (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安全性有着较大的影响。打开天窗，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
7、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。 (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) 闷热的夏天，长时间停车再启动时，打开天窗可尽快排出热空气，降低车内温度。 (4) 天窗本身配有的顶盖支架增加了车内的安全性，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。61.5 Inventor简介 Inventor美国Autodesk公司推出的一款三维可视化实体模拟软件Autodesk; Inventor Professional（AIP），目前已推出最新版本AIP2011。Autodesk Inventor Pr
8、ofessional包括Autodesk Inventor;三维设计软件；还加入了用于缆线和束线设计、管道设计及PCB IDF文件输入的专业功能模块，并加入了由业界领先的ANSYS ;技术支持的FEA功能，可以直接在Autodesk Inventor软件中进行应力分析。在此基础上，集成的数据管理软件; Vault用于安全地管理进展中的设计数据。由于Autodesk Inventor Professional集所有这些产品于一体，因此提供了一个无风险的二维到三维转换路径。现在，您能以自己的进度转换到三维，保护现在的二维图形和知识投资，并且清楚地知道自己在使用目前市场上DWG兼容性最强的平台。 I
9、nventor 软件是一套全面的设计工具，用于创建和验证完整的数字样机；帮助制造商减少物理样机投入，以更快的速度将更多的创新产品推向市场。 Autodesk Inventor 产品系列正在改变传统的 CAD 工作流程：因为简化了复杂三维模型的创建，工程师即可专注于设计的功能实现。通过快速创建数字样机，并利用数字样机来验证设计的功能，工程师即可在投产前更容易发现设计中的错误。Inventor 能够加速概念设计到产品制造的整个流程，并凭借着这一创新方法，连续 7 年销量居同类产品之首。 Inventor Professional 软件支持设计人员在三维设计环境中重复使用其现有的 DWG 资源，体验
10、数字样机带来的便利。Inventor 可以直接读写 DWG 文件，而无需转换文件格式；利用宝贵的DWG资源来创建三维零件模型，这是一种前所未有的体验。Autodesk reg; Inventor Professional 软件中不仅包含丰富的工具，可以轻松完成三维设计，还可以与其他厂商的制造业软件实现良好的数据交互，从而简化客户与其他公司的协作。 Inventor Professional 提供了一套全面、集成的设计工具，可用于创建完整的数字样机，以验证设计的外型、结构和功能。Inventor 创建的模型是一种精确的三维数字样机，支持用户在工作过程中验证设计和工程数据，尽量减少对于物理样机的依
11、赖，这将减少进入制造环节后代价高昂的原型设计变更。 Inventor Professional 软件融合了直观的三维建模环境与功能设计工具。前者用于创建 零件和装配模型，后者支持工程师专注于设计中的功能实现，并能创建智能零部件，如钢结构、传动机构、管路、电缆和线束等。在投产前为了验证设计的结果，往往需要花费高昂代价。而Inventor则具有内嵌的、易于使用的运动仿真和应力分析功能，工程师可以在机器投产前，利用这些功能和数字样机来优化、预测机器在未来的实际工作情况。利用已验证的三维数字样机来生成制造文档，有助于在加工前减少错误和相关的 ECO（工程变更单）。Inventor 可快速、精确地从三维
12、模型中生成工程图。Inventor Professional 包含了Mechanical软件，这是工程师从事高效二维机械绘图的最佳选择。Inventor Professional与Autodesk 数据管理软件的密切集成，有利于高效安全地交流设计数据，便于设计团队与制造团队及早开展协作。各个团队都可以利用免费的Design Review软件（评审、测量、标记和跟踪设计）来管理和跟踪数字样机中的所有零部件，从而更好地重复利用关键的设计数据、管理物料清单（BOM表），加强与其他团队及合作伙伴之间的协作。 Autodesk推出了不同的产品配置，以满足客户具体的功能要求。没有一家公司能够比Autode
13、sk更竭尽全力地帮助设计师们进行创新，并以更低的成本将更好的产品更快地投入市场Autodesk Inventor 中包含从数字样机中生成工程设计和制造文档的全套工具。这些工具可减少设计错误，缩短设计交付时间。Inventor 中的自动创建视图功能和绘图工具将工程图的绘制效率提高到了新的水平。此外，Inventor 还支持所有主流的绘图标准，与三维模型的完全关联（在出现设计变更时，工程图将同步更新），以及 DWG 输出格式，因此是创建和共享 DWG 工程图的理想选择。与传统的二维制图方法相比，可大幅减少工程图的创建时间。自动制图功能可以帮助用户：在工程图中创建所需各种视图，包括前视图、侧视图、等
14、轴测视图、局部视图、剖视图和辅助视图等，可以通过选项控制视图中隐藏线的显示方式。通过从三维模型中检索尺寸，放置到工程图中（包括等轴测视图尺寸），同时在三维模型发生变更时尺寸自动更新。使用一套全面的尺寸、标注和工程图符号，快速灵活地完成工程图的创建。创建位置视图，以说明装配的不同工作状态。支持的工程图标准有：ANSI、BSI、DIN、ESKD、GB、ISO 和 JIS 等。121.6 课题研究的目的和意义 作为机械、电子等多种科学发展的重要成果，汽车早已成为人类现代生活中 不可缺少的重要做成部分，多年来，汽车生产制造也一直在迅速的发展，当全球范围内的经济一体化的趋势有加速了这一发展速度，而传统的
15、手工设计和制造方式早已满足不了生产发展的需要，Inventor技术的发展正是应了这种客观实际的要求Inventor技术可以显著的提高汽车产品的设计制造效率，提高设计制造的质量，减少产品修改时间，从而大大速度按了从产品设计、产品试制、试验到产品生产的整个周期。 在我国加入WTO后，国内汽车工业面临着很大的冲击，同时也给汽车发展提供了很好的机遇。所以我国今后汽车工业的发展重点将逐步转向主要是独立自主的汽车和汽车零部件随着国内汽车厂家越来越看重市场需求，许多中档轿车甚至经济型家用轿车也纷纷将天窗总以为表追设备，在保证安全白的前提下，它成为越来越多车主的能过享受的便利设备。汽车天窗改变了传统的换气形式
16、，风吹进变为空气抽出去。汽车高速行驶时，空气分别从车的四周快速流过，再打开的天窗的外面形成负压区，将车内污浊的空气抽出，达到换气的目的。使用天窗除雾更快捷。夏天雨季雨水勤、湿度大、车内外温差大。前挡风玻璃容易形成雾气。打开车顶天窗至通风位置，可以轻易消除前挡风玻璃的雾气，保证行车安全。使用天窗换气，既不必担心车外恶劣脏污的环境，也不必担心与雨水吹进车内。使用天窗还有节能的功效，在太阳的暴晒下1小时，车内的温度就可以轻易的达到70。打开天窗。利用负压抽出燥热的空气换气降温，比使用汽车空调降温的速度快23倍，还能节省下使用开车内空调带来的能源消耗，在节能的同时还做到了减少二氧化碳以及有害气体的排放
17、。 八十年代中后期开始，我国部分大型汽车企业研究中心为提高汽车设计水平，提高生产效率，缩短和西方发达国家的差距，开始从国外引进早期的CAD软件等。该软件的使用是设计人员开始摆脱了沿袭了几十年的图版绘图的习惯，该软件基于LINUX操作系统，运行速度快，图形处理能力强，但同时因为早期的CAD系统都是建立在大型工作站基础上，因此价格昂贵，数量不多，应用的场合少，而且该软件的使用复杂，对技术人员要求较高，所以不适合大量推广。而就是年代初，随着美国Autodesk公司的AutoCAD软件的引进，由于该软件界面友好，简单易学，功能强大，逐渐成为现今汽车行业设计软件的主流。Inventor软件是美国Auto
18、desk公司推出的一款三维可视化实体模拟软件。它的引进给汽车设计带来了新鲜血液，和现有的大多数三维绘图软件先比Inventor软件功能更加的强大、使用更加的方便。设计者可根据设计构思和设计要求直接进行产品的三维几何造型。及概念设计，并可以对模型进行平移、旋转、缩放以及从不同的视角观察三维设计效果，这完全可以避免因空间想象错误而造成产品设计错误。 国外的天窗生产已形成一定的规模，而国内专门生产天窗的厂家少之又少，据统计，按照每个天窗投资成本30005000计算，一年会生产30005000万元的市场份额，因此利用Inventor对天窗进行设计对于开拓我国汽车零部件生产市场有着重要意义。 在现有的技
19、术基础上，选择有力的运行机制，标准化的汽车零部件，对我国汽车工业发展有着重要的借鉴意义。12第2章 天窗结构及性能要求2.1 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，实验证明在流速高的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。12.2 天窗的种类及特
20、点2.2.1 汽车天窗种类表2.1 汽车天窗种类天窗固定式玻璃天窗活动式玻璃天窗滑帘式天窗手动式玻璃天窗电动式玻璃天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。2.2.2 汽车天窗特点 表2.2 天窗类型种类特点上推式天窗天窗不能移动，可绕前端转动轴转动翘起一定角度，安装方便，操作简单，天窗玻璃可拆卸，车内头顶空间损失小推拉式天窗天窗能向后移动，操作简单方便，开度大，车内头顶空间损失小表2.3 天窗特点型式外滑式内滑式特点1
21、.天窗玻璃受到空气阻力帮助开启更为便捷。2.天窗安装更为容易。1.车辆在高速行驶中不会受到外界风流冲击的影响。2.天窗在关闭状态下，其后侧仍然能够抬起一定间隙，同样自然循环车内空气。3.在天窗玻璃关闭时仍然可以通过遮阳板来遮避太阳光的照射。运动及位置天窗玻璃从关闭位置倾斜开启一个角度，然后在顶盖上部（外侧）保持倾斜状态向后滑动打开。天窗玻璃从关闭位置倾斜开启一个角度，然后回到关闭位置，并在顶盖下部（内侧）向后滑动打开。开度a. 倾斜高度b. 向后滑4060mm60的玻璃宽度4050mm100的玻璃宽度电机位置前置前置或后置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装天窗上的螺钉应紧
22、固，无松动现象；滑槽内的运动件应移动顺畅，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。车内头顶空间损失3545mm5060mm安装布置空间要求安装布置范围小，用于车身顶盖长度尺寸安装布置要求空间较大，用于车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年左右），产品有一定的通用性（在后加装中可用于多种相近的车型）为某一种车型单独设计和制造，高投入，需23年的开发制造周期费用情况投入少，产量小，单价相对高投入大，产量高，单价相对低应用范围1.在后加装天窗时使用，可用于车身顶盖曲面及结构相接近的多种车型上；2.经过适当的工艺改进，也可以在车身尺寸较小的原厂车型上使
23、用应用于原厂生产的车型，单独为该原厂车型设计和制造，不能与其他车型匹配2.2.3 汽车天窗各组成零部件执行标准GB/T 2828 逐批检查技术抽样程序及抽样表QC/T 625 汽车用涂镀层和化学处理层GB/T 17340 汽车安全玻璃的尺寸、形状、外观GB 9656 汽车用安全玻璃GB/T 12421 客车门窗用橡胶密封条QC/T 413 汽车电器设 备基本技术条件62.3 天窗的结构型式2.3.1 天窗的结构（1）夹紧式结构天窗分为天窗总成单元及安装固定框两部分，分别位于车身顶盖的外侧和内侧，通过紧固件使这两部分闭合并同时夹住车身顶盖的安装固定方式为夹紧式结构。（2）悬挂式结构这种结构的天窗
24、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。表2.4 天窗夹紧式与悬挂式结构的比较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方式1.天窗总成在上部；2.安装固定框在下部；3.车身顶盖在中间。从顶盖下部（车内）向上安装；紧固件螺母焊接在顶盖加强件上，通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封，天窗玻璃与开口框架处由密封条强制密封玻璃周边密封条与车顶翻边配合，密封条有一定的压缩量，起到密封作用。排水系统不需要，天窗与车身强制密封
25、，雨水无法进入车身需要。天窗及车身结构中需要一套排水系统将渗入天窗内部的雨水排到车身外部车身顶盖的结构设计在车身顶盖上设计一个简单的冲切孔，不需要加强件需要在车身顶盖上设计一个翻边孔，另外需要设计一个加强件，并与顶盖孔的翻边焊接在一起车身的制造仅需另外制造一副顶盖冲孔模；制造精度要求相对低1.在顶盖制造上另外需要多副模具，如顶盖冲孔落料、翻边、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）车身制造周期及费用车身制造周期较短，费用相对较低车身制
26、造周期较长，费用相对较高2.3.2 天窗的密封（排水）方式 （1)主动式密封方式 通过天窗与顶盖之间的密封，以及天窗玻璃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。 （2)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，阻止灰尘及大部分雨水；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个拐角处各设计一个排水导管接头，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。62.4 天窗的性能要求 作为整车的一个功
27、能性部件，天窗除应满足整车常规要求，如安全性、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：2.4.1 安全性表2.5 天窗系统应满足下表所列的各项要求要求 型式外滑式内滑式系统的强度（关闭位置）500N向上冲击力天窗保持正常的功能1800N向上冲击力天窗玻璃不能破碎，并与天窗总成框架连接牢固1800N向上冲击力天窗玻璃在与窗总成框架连接失效前，首先粉碎在开启位置玻璃受垂直载荷的位移在玻璃后端中点施加220N的垂直载荷（上或下）10mm25mm系统可靠性关闭位置承受890N向下均匀载荷保持原有各项性能电机被堵转运行1h后电机保持原有各项性能，并且不能有过热、冒
28、烟或产生异味的现象在玻璃角度完全开启位置，承受450N的侧向力系统不能有物理损坏及功能失效在玻璃角度完全开启位置，承受450N垂直载荷（上或下）系统不能有物理损坏及功能失效玻璃开度为25mm时，在前部承受680N的向后推力系统不能损坏，玻璃后移量10mm2.4.2 性能要求表2.6 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天窗的塑料件表面应光滑平整、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/T 625中相关条款的有关规定。4 天窗的玻璃表面应符合GB/T 17340中6有关前风窗以外玻璃规定，其余性能符合GB 9656
29、汽车用安全玻璃的规定。5 天窗密封条的表面质量和性能要求应符合GB/T 12421规定。性能要求1基本性能（1）工作电压天窗在11V15V电压下应运行平稳，不允许有异常噪声和卡滞现象。（2）电流特性天窗的工作电流不大于3.2 A，堵转电流小于15A，防夹电流不大于5A。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，试验后的基本性能应符合第1条的规定。5 耐温性天窗应能在-3085的环境温度范围内工作，经高低温试验后应符合第1条的规定。6 耐湿热
30、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 安全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（1）试验电源采用足够容量的直流稳压电源。（2）试验电压为（120.3）V，接线电阻为（0.250.02）。（3）环境温度为（540）。（4）天窗的各项试验可在模拟状态下进行。（5）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3基本性能试验a)
31、工作电压的试验将天窗分别接入11V15V的两个电压，各运行两个工作循环。运行效果应符合基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。检验结果应符合基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69147kpa，降雨强度为46mm/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15min。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，试验后符合基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，试验后按基本性能要求检验天窗的基本性能，按密封性要求检
