某款車型擋風(fēng)網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究

摘要：全景天窗的擋風(fēng)網(wǎng)，不僅可以讓車在行駛過(guò)程中降低風(fēng)燥，還能遮擋異物進(jìn)入車內(nèi)，也保持車內(nèi)良好的通風(fēng)，增加車內(nèi)乘客的舒適性，提升整車的豪華感。文中從可開(kāi)啟的全景天窗擋風(fēng)網(wǎng)扭簧支撐固定結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合塑料框架的制造工藝、扭簧線圈的空間大小，而增加扭簧的限位結(jié)構(gòu);這樣既提供了其工程可行性，又去除了天窗漏水的風(fēng)險(xiǎn);還避免扭簧從框架中蹦出誤傷他人，為后續(xù)天窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性和安全性提供了有利的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：全景天窗擋風(fēng)網(wǎng);擋風(fēng)網(wǎng)扭簧;扭簧支撐固定結(jié)構(gòu);可靠性

0 引 言

近年來(lái)，在汽車相對(duì)封閉的狹小空間，消費(fèi)者越來(lái)越重視車內(nèi)舒適性;而追求的舒適性，自然少不了天窗的配置;畢竟天窗不僅可以保持車內(nèi)空氣新鮮，而且還可以讓車內(nèi)乘客欣賞更多的車外風(fēng)景。于是可開(kāi)啟式的全景天窗成為了各大主機(jī)廠的最佳選擇。

可開(kāi)啟式的全景天窗，在車輛行駛過(guò)程中打開(kāi)天窗玻璃，將會(huì)有刺耳的風(fēng)嘯聲，同時(shí)也會(huì)有異物容易落入車內(nèi)，大大降低了乘客的舒適性;由此就需要增加對(duì)應(yīng)的擋風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)避免;而為了保證擋風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其支撐結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵性的作用。本文主要展現(xiàn)了平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程中擋風(fēng)網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，結(jié)合自身和周邊零件裝配、功能的要求，使其更為可靠;這種結(jié)構(gòu)不僅得到客戶的認(rèn)可并成功上市，同時(shí)還在多國(guó)申請(qǐng)了專利;最終讓消費(fèi)者在享受舒適性的同時(shí)，還獲得更高的可靠性和安全性。

1 擋風(fēng)網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)的要求

擋風(fēng)網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)的布置空間，主要受周邊零件的影響;根據(jù)天窗機(jī)械組帶著前玻璃運(yùn)動(dòng)的軌跡而帶動(dòng)擋風(fēng)網(wǎng)的起翹和關(guān)閉狀態(tài)，繼而確定了擋風(fēng)網(wǎng)的布置空間;再結(jié)合擋風(fēng)網(wǎng)與導(dǎo)軌及前框架的固定結(jié)構(gòu)，最終確定了擋風(fēng)網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)的形式和位置。

1.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的原理

根據(jù)客戶對(duì)于此車型的定位，此款車型為客戶主打的高端SUV，其同時(shí)供貨于汽油車和新能源車。而當(dāng)下由于汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，為了獲得更有利的競(jìng)爭(zhēng)力，降低成本成為了各大主機(jī)廠和零部件公司的首要目標(biāo)。結(jié)合客戶的要求及公司的目標(biāo)，平臺(tái)開(kāi)發(fā)時(shí)確定采用成熟的支撐結(jié)構(gòu)，即將扭簧短臂固定在前框上，長(zhǎng)臂固定在擋風(fēng)桿上。其運(yùn)行原理如下：當(dāng)天窗玻璃處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，機(jī)械組上的滑腳壓住擋風(fēng)桿，底部靠扭簧頂住，防止車輛在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生異響;當(dāng)機(jī)械組帶動(dòng)天窗玻璃向后打開(kāi)時(shí)，機(jī)械組滑腳在擋風(fēng)桿上滑行逐漸后退，而擋風(fēng)網(wǎng)總成在扭簧的作用下逐漸升起，繼而起翹到最大的高度;當(dāng)機(jī)械組帶動(dòng)天窗玻璃向前關(guān)閉時(shí)，滑腳逐漸接觸到擋風(fēng)桿，并在擋風(fēng)桿上滑行并下壓，完成擋風(fēng)網(wǎng)總成的關(guān)閉。

1.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的需求

擋風(fēng)網(wǎng)作為天窗總成中的一個(gè)分總成零件，售后市場(chǎng)有更換便利性的要求。為了滿足客戶售后市場(chǎng)的需求，其扭簧①與擋風(fēng)桿②的配合是通過(guò)將扭簧長(zhǎng)臂藏于擋風(fēng)桿的凹槽中，凹槽兩側(cè)采用筋限位的方式，減少與扭簧的接觸點(diǎn)以便避免扭簧工作過(guò)程中的異響缺陷;同時(shí)扭簧設(shè)計(jì)時(shí)，長(zhǎng)臂的安裝角度大于工作角度，讓扭簧一直處于壓縮狀態(tài)中，避免扭簧從擋風(fēng)桿中脫出;而扭簧短臂直接插入前框③的孔中即可。安裝時(shí)，先將天窗玻璃打開(kāi)，將擋風(fēng)桿其它結(jié)構(gòu)固定在前框和導(dǎo)軌上，然后將扭簧短臂固定在前框，再將扭簧長(zhǎng)臂固定在擋風(fēng)桿中;更換拆卸時(shí)，按照其反操作即可，詳細(xì)的裝配方式如下圖1所示。

1.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性

天窗布置的要求，在乘客享受到溫暖陽(yáng)光的同時(shí)，也需要避免雨水滲入車內(nèi);此要求對(duì)于擋風(fēng)網(wǎng)的布置，也是同等重要。以往量產(chǎn)項(xiàng)目扭簧的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是在前框上增加一個(gè)通孔，扭簧的短臂設(shè)計(jì)成后翻結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)前框的通孔旋轉(zhuǎn)安裝插入到其背面的凹槽中，而扭簧的長(zhǎng)臂固定在擋風(fēng)桿上;扭簧的旋轉(zhuǎn)受力過(guò)程中，將力由長(zhǎng)臂傳遞到斷臂，繼而讓前框背面受力，以保持扭簧工作過(guò)程中的穩(wěn)定性。雖然這種成熟結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目上百萬(wàn)臺(tái)天窗的量產(chǎn)驗(yàn)證，確保了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定;但因前框中增加通孔，且又靠近天窗的濕區(qū)，客戶擔(dān)心極端情況下可能會(huì)導(dǎo)致漏水缺陷。基于客戶的顧慮，我們結(jié)合扭簧自身有自由角度折彎的特點(diǎn)，并參考其他項(xiàng)目的優(yōu)化思路，將扭簧的短臂后翻結(jié)構(gòu)更改成下翻，前框上的通孔更改為盲孔，由上而下將扭簧短臂直接裝配到前框中，并在下翻的短臂兩側(cè)增加了限位，防止扭簧繞短臂而產(chǎn)生自身的旋轉(zhuǎn)。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，完全解決了客戶擔(dān)心的漏水風(fēng)險(xiǎn)。詳細(xì)如下圖：

1.4 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的安全性

雖然按照客戶的需求，使擋風(fēng)網(wǎng)的支撐結(jié)構(gòu)更為合理，避免了天窗漏水的風(fēng)險(xiǎn);但在后續(xù)的試裝過(guò)程中，此結(jié)構(gòu)卻易引發(fā)出風(fēng)險(xiǎn)更大的安全性問(wèn)題。在后期開(kāi)發(fā)試生產(chǎn)過(guò)程中，工人按照設(shè)計(jì)的裝配要求，先將扭簧短臂插入前框中，然后再將扭簧長(zhǎng)臂下壓受力固定擋風(fēng)桿上;但因周邊零件的布置，裝配空間有限，長(zhǎng)臂下壓受力過(guò)程中很容易從手中脫開(kāi)，而扭簧短臂也跟隨從盲孔中脫離，導(dǎo)致扭簧從前框中高比例的蹦出。這種存在安全隱患的結(jié)構(gòu)，無(wú)疑是違背了當(dāng)初優(yōu)化設(shè)計(jì)的初衷。這也就是需要繼續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的根本原因。

2 擋風(fēng)網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案

在近兩年的開(kāi)發(fā)周期內(nèi)，我們一直在探索更有效的改善方案。結(jié)合周邊零件的空間要求，我們將此處結(jié)構(gòu)做成一個(gè)小塊，然后在此合理的空間范圍內(nèi)，考慮多種不同的優(yōu)化方案來(lái)評(píng)估，并通過(guò)3D打印和機(jī)加工快速成型樣件進(jìn)行試裝和驗(yàn)證。

2.1 方案（1）

扭簧的短臂延長(zhǎng)到前端，并采用卡扣結(jié)構(gòu)在線圈的前端固定短臂，由上向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)下壓安裝，通過(guò)卡扣彈性變形以確保扭簧安裝到位;同時(shí)在短臂兩側(cè)增加Y向限位筋，以確保扭簧在使用過(guò)程中維持穩(wěn)定的狀態(tài);經(jīng)過(guò)對(duì)此處配合結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印并試裝，因扭簧安裝空間有限，導(dǎo)致扭簧安裝過(guò)程非常困難，不利于量產(chǎn)的裝配性要求;且安裝到位后，模擬擋風(fēng)網(wǎng)起翹和關(guān)閉過(guò)程中，由于扭簧扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力，通過(guò)短臂傳遞到前框卡扣結(jié)構(gòu)上，因無(wú)法承受其應(yīng)力，而導(dǎo)致卡扣結(jié)構(gòu)斷裂;結(jié)合以上兩點(diǎn)來(lái)分析，此方案無(wú)可行性，以失敗而告終。

2.2 方案（2）

結(jié)合方案（1）反饋的問(wèn)題點(diǎn)，為了解決扭簧安裝問(wèn)題，將扭簧的短臂前端增加一個(gè)折彎;扭簧安裝時(shí)，先將扭簧豎起，短臂折彎結(jié)構(gòu)插入到前框的盲孔中，兩側(cè)增加限位筋，以確保扭簧前后和左右方向均保持穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過(guò)3D打印結(jié)構(gòu)驗(yàn)證，但因短臂插入的深度很小，和框架的重疊量?jī)H有2.5mm，扭簧在運(yùn)行旋轉(zhuǎn)過(guò)程中受力傾斜導(dǎo)致短臂從框架中脫離;同時(shí)根據(jù)前框供應(yīng)商的反饋，前框的盲孔深度達(dá)到7.5mm，斜頂后端的退讓空間不足，導(dǎo)致模具上的斜頂結(jié)構(gòu)無(wú)法布置，繼而無(wú)法實(shí)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)。

2.3 方案（3）

按照方案（2）的試裝效果，按照前框模具供應(yīng)商的建議，將前框上盲孔深度調(diào)整到4mm，斜頂后退空間也有11.5mm;既讓模具具有制造的可行性;同時(shí)通過(guò)減少了扭簧的圈數(shù)，讓扭簧和框架的重疊量達(dá)到3.5mm，以便扭簧短臂不從盲孔中脫離;雖然解決了以上問(wèn)題，但是在試裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨著扭簧長(zhǎng)臂的受力，而短臂的旋轉(zhuǎn)軸也位于前端，此時(shí)整個(gè)扭簧就會(huì)以短臂前端為旋轉(zhuǎn)軸，后端線圈區(qū)域?qū)⒏S長(zhǎng)臂的受力而翹起，敲打擋風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致扭簧受力偏向外側(cè)，繼而導(dǎo)致扭簧從框架中脫離而失效;

2.4 方案（4）

根據(jù)之前的試裝結(jié)果表現(xiàn)，我們將前框?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu)跟隨扭簧短臂結(jié)構(gòu)調(diào)整到線圈后端，仍然保持扭簧的短臂折彎結(jié)構(gòu)插入到前框中，然后再線圈區(qū)域旋轉(zhuǎn)放置到前框中，當(dāng)扭簧長(zhǎng)臂裝配到擋風(fēng)桿底部受力下壓時(shí)，通過(guò)線圈的連接，短臂受力朝上，以保持前后手里均衡。經(jīng)過(guò)3D打印樣件的試裝，其試裝結(jié)果確實(shí)滿足要求。為了確保此方案設(shè)計(jì)有效，我們使用量產(chǎn)材質(zhì)，采用機(jī)加工的方式，組裝了整個(gè)天窗總成進(jìn)行疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證;在進(jìn)行到第7000次的疲勞試驗(yàn)中，扭簧仍從前框中脫出;結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)分析，扭簧短臂折彎結(jié)構(gòu)的受力較大，與前框的盲孔接觸面積小，使得前框局部受力磨損嚴(yán)重，繼而發(fā)生局部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂;同時(shí)扭簧線圈與其底部的前框結(jié)構(gòu)由于存在磨損，運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生異響而易引起客戶的抱怨;項(xiàng)目組評(píng)估因無(wú)法接受異響缺陷而放棄。

2.5 方案（5）

將單長(zhǎng)臂扭簧更改為雙長(zhǎng)臂扭簧：扭簧短臂變更為兩個(gè)，由上而下插入前框結(jié)構(gòu)中;扭簧中間結(jié)構(gòu)拉長(zhǎng)與擋風(fēng)桿連接固定，但是因擋風(fēng)桿受機(jī)械組及天窗玻璃空間限制，結(jié)構(gòu)布置后會(huì)周邊零件存在干涉而無(wú)法實(shí)現(xiàn);

2.6 方案（6）

在扭簧線圈區(qū)域增加軸：扭簧從外側(cè)裝配到前框中，將扭簧短臂往前延伸，減少與長(zhǎng)臂之間的長(zhǎng)度差異;通過(guò)軸的加持，讓扭簧在運(yùn)行過(guò)程中保持更加的穩(wěn)定;此方案需將前框干濕區(qū)分離的墻打通，以便有足夠的安裝空間;由此前框的干濕區(qū)將合并，但干區(qū)與導(dǎo)軌存在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于干涉分離墻高度的螺釘固定點(diǎn)，這將會(huì)導(dǎo)致前框漏水;而且按照裝配順序，扭簧拆卸過(guò)程中將會(huì)和機(jī)械組干涉，無(wú)法滿足售后市場(chǎng)更換的便利性要求。

3 擋風(fēng)網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化方案

在經(jīng)過(guò)多種方案的嘗試，仍然無(wú)法優(yōu)化現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);通過(guò)研發(fā)小組的多次討論，作者發(fā)現(xiàn)扭簧線圈之間的間隙是關(guān)鍵點(diǎn)，此間隙是為了避免扭簧在受力過(guò)程中每相鄰兩個(gè)線圈之間不會(huì)因有摩擦而產(chǎn)生異響;作者通過(guò)兩手指沿著徑向壓縮壓線圈，發(fā)現(xiàn)線圈的徑向能縮小;當(dāng)手指釋放力時(shí)，扭簧線圈會(huì)還原。

作者根據(jù)扭簧線圈的這種特性，來(lái)增加限位結(jié)構(gòu)以防止扭簧從前框中脫離。于是結(jié)合之前失敗的方案以及客戶的需求，優(yōu)化了限位結(jié)構(gòu)：在前框③放置扭簧線圈的軸心位置增加了圓形的斜坡卡扣，斜坡結(jié)構(gòu)是為了扭簧①更容易裝配到前框中，而當(dāng)線圈受力時(shí)，卡扣還能遮擋扭簧不會(huì)從前框中脫出;卡扣底部和扭簧線圈之間還保持有2.2mm的間隙，以確?？酆团せ删€圈之間不會(huì)有接觸磨損而造成異響缺陷，減少客戶的投訴抱怨;同時(shí)，在線圈外輪廓的后端也增加了預(yù)防性的限位筋，保持與扭簧較小的間隙，扭簧正常工作狀態(tài)是不會(huì)接觸到限位筋的;當(dāng)扭簧長(zhǎng)臂從擋風(fēng)桿②中脫離時(shí)，回彈的扭簧線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上和向后的力，通過(guò)線圈中的卡扣結(jié)構(gòu)來(lái)阻止扭簧向上飛出，而預(yù)防性的限位筋會(huì)直接頂住扭簧，減少扭簧自身的振動(dòng)，而讓扭簧快速停止下來(lái)。前框增加的卡扣限位結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)供應(yīng)商的評(píng)估分析，也可通過(guò)模具上增加斜頂機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。前框增加的限位結(jié)構(gòu)如下圖：

對(duì)于優(yōu)化有的方案，詳細(xì)的裝配過(guò)程如下圖所示。

此方案的優(yōu)化，減少了周邊結(jié)構(gòu)的更改，維持現(xiàn)有的扭簧結(jié)構(gòu)，僅優(yōu)化前框結(jié)構(gòu)即可滿足要求。同時(shí)對(duì)于售后市場(chǎng)更換扭簧也是極其方便，僅使用一字螺絲刀在卡扣位置插入扭簧線圈區(qū)域，壓緊扭簧使其變?yōu)閴嚎s狀態(tài);再將扭簧從前框中拔出短臂即可。經(jīng)過(guò)3D打印的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證，確實(shí)達(dá)到了扭簧不易蹦出的效果;后續(xù)前框模具更改后，使用合格的前框狀態(tài)裝配成天窗總成的疲勞耐久試驗(yàn)也完全符合要求。最終此方案的實(shí)施，也獲得了客戶的一致好評(píng)。

4 結(jié) 論

不同的擋風(fēng)網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)，是通過(guò)注塑、縫紉和折彎等多種工藝組合而成的。讓擋風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)處于一個(gè)穩(wěn)定、可靠和安全的狀態(tài);對(duì)車內(nèi)前排乘客的舒適性是很大的指標(biāo);這也是不斷優(yōu)化改進(jìn)的結(jié)果。所以在開(kāi)發(fā)時(shí)需要充分考慮其裝配和功能的需求，合理布置、吸取經(jīng)驗(yàn)、大膽創(chuàng)新、謹(jǐn)慎驗(yàn)證;加強(qiáng)和供應(yīng)商的溝通交流，內(nèi)部多進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)審、頭腦風(fēng)暴等方式來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，才能設(shè)計(jì)出合理又安全的產(chǎn)品。

姓名：卜運(yùn)泉 出生年月：1984年05月16日; 性別：男; 籍貫：江西省萍鄉(xiāng)市;學(xué)歷：本科;職稱：中級(jí)職稱; 研究方向：汽車專業(yè);