轿车天窗的功能、结构及性能要求
泛亚汽车技术中心有限公司　方　斌
1　天窗的功能
长时间地驾驶车辆，车内的温度和空气质量的好坏对驾乘人员的舒适感以及驾驶安全性有着较大的影响。改善车内温度和空气质量的方法主要有侧窗玻璃开度的调节、空调系统及其送风装置、天窗装置。
开关侧窗玻璃，目的是为了通风换气，但效果不理想，如图1所示。其主要的问题是:①造成气体旋流，空气的交换率差;②空气沿着车身侧边流动，产生很大的噪声;③从空气动力学方面考虑，气体旋流会降低车速，增加油耗。
空调系统及送风装置在一定程度上可以调节车内的温度和湿度。但车内是一个封闭的空间，因而换气效果不理想，并会造成车内温度和湿度的分布不均匀。
天窗装置利用流体力学的原理，将车内的浊气“抽”出，使空气得到充分的交换，如图2所示。天窗结合车内的空调系统及送风装置的使用，可以较理想地改善车内空气的质量。
图1                      图2
2　天窗的型式
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，将动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。
天窗玻璃的运动有外开式及内藏式两种型式，如图3所示。两者特点的比较见表1。
a.外开式
b.内藏式
图3
表1　外开式天窗与内藏式天窗的特点比较
型　式外开式内藏式
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    　
关闭→倾斜→倾斜后移
  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   
关闭→倾斜→后移
开度
a.倾斜高度
b.向后滑动≈40～60mm 
≈60%的玻璃宽度
≈40～50mm  　
≈100%的玻璃宽度
车内头顶空间损失≈35～45mm≈50～60mm
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相对偏小车型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2～3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a.在后加装天窗时使用，可应用于车身顶盖曲面及结构
相接近的多种车型上;            　
b.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，不能与其它车型匹配           
3　天窗的主要结构特点
3.1　天窗的结构以及与车身的安装配合
3.1.1　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及内侧，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，如图4所示。
3.1.2　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，如图5所示。
图4
图5
表2　天窗夹紧式结构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(三明治式)                  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，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总成;        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
车身制造周期较长，制造费用较高
3.2　天窗的密封(排水)设计3.2.1　主动式密封设计
通过天窗与车顶之间的密封(密封条1)，以及天窗玻璃与天窗开口处密封条的密封(密封条2)，阻止灰尘及雨水等进入天窗及车身内部，见图4。3.2.2　被动式密封(排水)设计
通过天窗玻璃周边的密封条与车顶翻边的密封接合，阻挡灰尘及大部分的雨水；同时，天窗总成内部需要设计有流水槽及排水导管，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，见图5。
在天窗总成内部框架的4个拐角处各设计一个排水导管，排水导管连通流水槽并外接排水软管，前部的排水软管通过车身A 柱，后部的排水软管通过车身B 柱，将雨水导出车身。天窗流水槽及排水导管的结构如图6所示。
图6
4　天窗的性能要求
作为整车的一个功能性零部件，天窗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。
同时，根据天窗的特点，天窗应满足以下方面要求。
4.1　安全性
安全性方面，天窗系统应满足表3所列的各项要求。
表3　天窗系统应满足的安全性要求
要求
型
式
外开式
内藏式
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
天窗玻璃在与总成框架的连接失效前，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)      <10mm
<25mm
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 的垂直载荷(向上或向下)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<10mm
  同时，天窗应具有安全防夹功能，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。
4.2　舒适性
4.2.1　天窗玻璃的光学性能油耗低的车
天窗玻璃光学性能的考核主要有以下几个指标:①透光率;②光反射率;③总能量传导率;④总能量反射率;⑤紫外线传导率。
这些指标的百分比越小越好，通常在10%以下。对紫外线的阻挡率应在99%以上。
4.2.2　天窗系统对风噪的影响
1)一定车速下打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9dB ;
2)天窗玻璃密封条与车身接合的部位也可能产生风噪，在设计时应考虑接合部位的间隙以及平整度，将其噪声对车内的影响控制在2dB 以内;
3)天窗系统中的空气导流板也可能产生风噪，应注意其形状、角度和高度，将其产生的风噪控制在3dB 以内。4.3　满足整车设计要求
此外，对于整车而言，天窗安装部位的车身结构是一个开放性的结构，在设计时应注意该部位对车身整体的刚性及振动频率的影响，并通过CA E 对其进行分析，使其满足整车设计要求。