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[摘 要]随着汽车行业的快速发展，天窗已经成为汽车配件中非常重要的部分，起重汽车电动天窗的布置和校核方法备受人们的关注。本文针对汽车电动天窗布置和校核方法进行了详细的分析，供相关设计人员参考。
[关键词]汽车电动；天窗布置；校核方法
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）33-0063-01
1 前言
近年来，国内汽车市场发展迅速，汽车天窗因亲近自然、享受阳光、可以在很小的噪声和风阻的情况下通风换气而受到广大消费者的青睐。曾几何时，天窗是高级轿车才有的配置，现在大量的经济型轿车也有了天窗版，高级轿车则向双天窗、全景天窗方向发展。单天窗和小天窗一般采用天窗遮阳板结构来遮挡阳光，材质多为GMPU结构、PHC结构。
2 天窗系统布置
主要部件包括：框架1、帘布3、帘布前端的移动梁驱动系统2、帘布后端的卷绕系统4。框架又包括两侧的滑道、前梁、后梁等结构；驱动系统包括电机、拉索以及位于帘布前端的移动梁；卷绕系统包括固定帘布后端的卷杆、卷杆内设置的蓄能机构以及弹性堵头。帘布的前端固定在移动梁上，移动梁的两端装配在框架两侧的滑道上，并通过拉索机构与驱动电机相连接。电机驱动拉索，带动移动梁前后移动，使帘布卷绕和开卷，实现帘布的遮光功能。帘布3的后端连接在卷杆4.1上，可在卷杆上卷绕和开卷。卷杆通过弹性堵头和蓄能机构的铁芯装配在框架上。弹性堵头可以伸缩，以便于卷杆的装配。蓄能机构主要包括螺旋弹簧4.3、铁芯4.2以及必要的连接件。螺旋弹簧4.3的一端与卷杆4.1固定连接，另一端与铁芯4.2固定连接。铁芯4.2装配在框架上，不可转动。当卷杆4.1发生转动时，螺旋弹簧4.3的圈数变化，影响面料的张力。
3 问题的提出
当通过电机关闭天窗遮阳帘时，移动梁带动帘布向前移动，帘布带动卷杆转动而铁芯不动，卷杆与铁芯产生相对转动，在螺旋弹簧中蓄积弹性势能，帘布的张力增加。当通过电机打开天窗遮阳帘时，移动梁向后移动，帘布张力减小，在螺旋弹簧的作用下帘布卷绕在卷杆上，使帘布的张力得到一定程度的恢复，达到一个新的平衡。帘布的张力，一方面是为了保持遮阳帘的平整美观，另一方面也是为了保证卷收的顺利。张力过小时，会使帘布下垂，影响视觉效果，甚至产生收卷故障；张力过大时，会增加电机的负荷，严重时会因为过度拉伸帘布产生纵向条纹，影响视觉效果。从上面的分析可以看出，帘布的张力是由螺旋弹簧决定的。而螺旋弹簧在帘布开卷和卷绕过程中的圈数变化与帘布的圈数相对应，也就是与天窗口的长度相对应。当天窗尺寸不大时，帘布的开卷和卷绕过程中螺旋弹簧的圈数变化不大，帘布的最大张力和最小张力都很容易控制在适当的范围之内，既不会因为张力不足产生收卷故障，又不会因为过度拉伸产生纵向条纹。但是，目前全景天窗的尺寸越来越大，帘布开卷和卷绕过程中螺旋弹簧变化的圈数越来越多，张力变化越来越大，控制起来非常困难。目前的方案是：降低弹簧的弹性系数，减小圈数变化导致的张力变化。但是为了维持最小的帘布张力，弹簧在帘布完全卷绕状态下也必须达到足够的圈数，增加了弹簧的质量，也增加了遮阳帘的成本。
4 解决的方案
4.1 原理
目前采用的方案，电机仅限于帘布的开关，也就是帘布前端的前横梁的驱动，帘布卷绕仍然是采用螺旋弹簧驱动。采用螺旋弹簧驱动，必然会随着弹性势能的释放而导致帘布张力的减小。如果帘布开卷和卷绕的过程中，随着移动梁的前后移动，卷杆也由电机驱动做相应的转动，即采用同步驱动方案，就可以避免卷杆由螺旋弹簧驱动而导致的帘布张力变化问题。理论上只要把卷杆与电机相连，设置好电机的转速就可以了。实际上，直接用电机来驱动卷杆还是有问题的，因为帘布卷绕过程中，卷杆上积累的帘布越来越多，当卷杆转动的角速度不变时，帘布卷收的线速度却越来越大，而帘布前端的前横梁的线速度是恒定的，二者不能匹配，导致帘布的张力变化问题更加严重。可行的方案是仍然保留螺旋弹簧和铁芯结构，由电机驱动铁芯，卷杆上的帘布积累导致的移动梁线速度与铁芯角速度不匹配的问题用螺旋弹簧来解决，由螺旋弹簧结构来吸收卷杆和铁芯转动的角速度差值。这个方案中，螺旋弹簧仍然提供帘布的张力，但是螺旋弹簧不再作为主要的蓄能机构，仅仅是为了吸收卷杆与铁芯的转速差，所以圈数变化大大减少，对应到帘布上的张力变化也大大減少。在帘布开卷过程中，移动梁驱动需要功率输入，而铁芯驱动不需要功率输入；在帘布卷绕过程中，铁芯驱动需要功率输入，移动梁驱动不需要功率输入，如果采用同一只电机，通过同时连接不同的传动机构来同时驱动移动梁和铁芯，由于二者给电机的负荷方向是相反的，可以采用比常规设计功率更小的驱动电机。
4.2 计算部分
螺旋弹簧的弹性系数为k，帘布开卷和卷绕过程中的圈数变化Δx，则扭力变化依据胡克定律有：ΔF=k·Δx传统方案中，天窗长度对应于帘布开卷和卷绕过程中的圈数变化，圈数变化直接对应于Δx，所以扭力變化ΔF也越大。作者的目标是降低ΔF，ΔF越小，张力变化越小，越不容易出问题。（1）弹簧优化方案对于既定的天窗尺寸，当采用降低螺旋弹簧的弹性系数k的方案时，圈数变化Δx不变，扭力变化ΔF会减小。但是，为了保持帘布的平整和帘布卷绕顺利，扭力必须保持最小值Fmin，当k变小时，xmin需要增加，而Δx不变，所以xmax也会增加。弹簧的圈数增加，会增加弹簧的质量和长度，一方面会增加成本，另一方面xmax还会受到卷杆内部空间的限制。（2）同步驱动方案，采用移动梁和铁芯都由电机驱动的同步驱动方案，开卷和卷绕过程中螺旋弹簧的圈数变化Δx会减小，从而减小弹簧扭力也就是面料张力的变化ΔF。计算过程如下：卷杆4.1在未卷绕面料时外径为d1，面料完全卷绕时外径为d2，帘布厚度为t，则有面料层数为（d2-d1）/2t，（d2-d1）/2t也就是开卷和卷绕过程中卷杆的转数。
通过调整铁芯的转速设定值，也可以优化到在帘布完全开卷和完全卷绕的状态下，螺旋弹簧的圈数相同，但是由于卷杆的转速是变化的，而铁芯的转速设为固定值，在帘布开卷和卷绕的过程中，仍然会存在张力的波动，并没有太大的意义。
即使按照前面的方案，简单地把铁芯的转速设定为面料完全卷绕时的卷杆转速，从上面的分析结果中也可以分析出，当d2>>d1时，d2-d1≈d2，面料层数为d2/2t，螺旋弹簧圈数变化Δx为d2/4t，就是说，圈数变化Δx可以减少一半。实际过程中，d1越大，d2与d1越接近，则螺旋弹簧的圈数变化Δx越小，这种同步驱动技术的效果越明显。
5 结语
经过上述分析和计算，采用移动梁运动的同时铁芯也发生转动的同步驱动方案，可以大大降低遮阳帘在帘布开关过程中的张力变化，对于目前尺寸越来越大的天窗遮阳帘，是一种非常可行的方案。如果采用同一只电机驱动，更有降低电机功率和能耗的效果。
参考文献
[1] 郑海，杨立峰.轿车电动天窗运动机构设计与动力学分析[J].汽车零部件， 2016（2）：62-64.
[2] 郑林涛，冀兆良等.广州地区图书馆建筑中庭天窗优化设计[J].建筑节能， 2015（7）：63-67.
[3] 崔光宇，郭兴龙，刘牧之. 一种新型防夹天窗的设计[J].汽车电器， 2015（11）：28-30.
[关键词]汽车电动；天窗布置；校核方法
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）33-0063-01
1 前言
近年来，国内汽车市场发展迅速，汽车天窗因亲近自然、享受阳光、可以在很小的噪声和风阻的情况下通风换气而受到广大消费者的青睐。曾几何时，天窗是高级轿车才有的配置，现在大量的经济型轿车也有了天窗版，高级轿车则向双天窗、全景天窗方向发展。单天窗和小天窗一般采用天窗遮阳板结构来遮挡阳光，材质多为GMPU结构、PHC结构。
2 天窗系统布置
主要部件包括：框架1、帘布3、帘布前端的移动梁驱动系统2、帘布后端的卷绕系统4。框架又包括两侧的滑道、前梁、后梁等结构；驱动系统包括电机、拉索以及位于帘布前端的移动梁；卷绕系统包括固定帘布后端的卷杆、卷杆内设置的蓄能机构以及弹性堵头。帘布的前端固定在移动梁上，移动梁的两端装配在框架两侧的滑道上，并通过拉索机构与驱动电机相连接。电机驱动拉索，带动移动梁前后移动，使帘布卷绕和开卷，实现帘布的遮光功能。帘布3的后端连接在卷杆4.1上，可在卷杆上卷绕和开卷。卷杆通过弹性堵头和蓄能机构的铁芯装配在框架上。弹性堵头可以伸缩，以便于卷杆的装配。蓄能机构主要包括螺旋弹簧4.3、铁芯4.2以及必要的连接件。螺旋弹簧4.3的一端与卷杆4.1固定连接，另一端与铁芯4.2固定连接。铁芯4.2装配在框架上，不可转动。当卷杆4.1发生转动时，螺旋弹簧4.3的圈数变化，影响面料的张力。
3 问题的提出
当通过电机关闭天窗遮阳帘时，移动梁带动帘布向前移动，帘布带动卷杆转动而铁芯不动，卷杆与铁芯产生相对转动，在螺旋弹簧中蓄积弹性势能，帘布的张力增加。当通过电机打开天窗遮阳帘时，移动梁向后移动，帘布张力减小，在螺旋弹簧的作用下帘布卷绕在卷杆上，使帘布的张力得到一定程度的恢复，达到一个新的平衡。帘布的张力，一方面是为了保持遮阳帘的平整美观，另一方面也是为了保证卷收的顺利。张力过小时，会使帘布下垂，影响视觉效果，甚至产生收卷故障；张力过大时，会增加电机的负荷，严重时会因为过度拉伸帘布产生纵向条纹，影响视觉效果。从上面的分析可以看出，帘布的张力是由螺旋弹簧决定的。而螺旋弹簧在帘布开卷和卷绕过程中的圈数变化与帘布的圈数相对应，也就是与天窗口的长度相对应。当天窗尺寸不大时，帘布的开卷和卷绕过程中螺旋弹簧的圈数变化不大，帘布的最大张力和最小张力都很容易控制在适当的范围之内，既不会因为张力不足产生收卷故障，又不会因为过度拉伸产生纵向条纹。但是，目前全景天窗的尺寸越来越大，帘布开卷和卷绕过程中螺旋弹簧变化的圈数越来越多，张力变化越来越大，控制起来非常困难。目前的方案是：降低弹簧的弹性系数，减小圈数变化导致的张力变化。但是为了维持最小的帘布张力，弹簧在帘布完全卷绕状态下也必须达到足够的圈数，增加了弹簧的质量，也增加了遮阳帘的成本。
4 解决的方案
4.1 原理
目前采用的方案，电机仅限于帘布的开关，也就是帘布前端的前横梁的驱动，帘布卷绕仍然是采用螺旋弹簧驱动。采用螺旋弹簧驱动，必然会随着弹性势能的释放而导致帘布张力的减小。如果帘布开卷和卷绕的过程中，随着移动梁的前后移动，卷杆也由电机驱动做相应的转动，即采用同步驱动方案，就可以避免卷杆由螺旋弹簧驱动而导致的帘布张力变化问题。理论上只要把卷杆与电机相连，设置好电机的转速就可以了。实际上，直接用电机来驱动卷杆还是有问题的，因为帘布卷绕过程中，卷杆上积累的帘布越来越多，当卷杆转动的角速度不变时，帘布卷收的线速度却越来越大，而帘布前端的前横梁的线速度是恒定的，二者不能匹配，导致帘布的张力变化问题更加严重。可行的方案是仍然保留螺旋弹簧和铁芯结构，由电机驱动铁芯，卷杆上的帘布积累导致的移动梁线速度与铁芯角速度不匹配的问题用螺旋弹簧来解决，由螺旋弹簧结构来吸收卷杆和铁芯转动的角速度差值。这个方案中，螺旋弹簧仍然提供帘布的张力，但是螺旋弹簧不再作为主要的蓄能机构，仅仅是为了吸收卷杆与铁芯的转速差，所以圈数变化大大减少，对应到帘布上的张力变化也大大減少。在帘布开卷过程中，移动梁驱动需要功率输入，而铁芯驱动不需要功率输入；在帘布卷绕过程中，铁芯驱动需要功率输入，移动梁驱动不需要功率输入，如果采用同一只电机，通过同时连接不同的传动机构来同时驱动移动梁和铁芯，由于二者给电机的负荷方向是相反的，可以采用比常规设计功率更小的驱动电机。
4.2 计算部分
螺旋弹簧的弹性系数为k，帘布开卷和卷绕过程中的圈数变化Δx，则扭力变化依据胡克定律有：ΔF=k·Δx传统方案中，天窗长度对应于帘布开卷和卷绕过程中的圈数变化，圈数变化直接对应于Δx，所以扭力變化ΔF也越大。作者的目标是降低ΔF，ΔF越小，张力变化越小，越不容易出问题。（1）弹簧优化方案对于既定的天窗尺寸，当采用降低螺旋弹簧的弹性系数k的方案时，圈数变化Δx不变，扭力变化ΔF会减小。但是，为了保持帘布的平整和帘布卷绕顺利，扭力必须保持最小值Fmin，当k变小时，xmin需要增加，而Δx不变，所以xmax也会增加。弹簧的圈数增加，会增加弹簧的质量和长度，一方面会增加成本，另一方面xmax还会受到卷杆内部空间的限制。（2）同步驱动方案，采用移动梁和铁芯都由电机驱动的同步驱动方案，开卷和卷绕过程中螺旋弹簧的圈数变化Δx会减小，从而减小弹簧扭力也就是面料张力的变化ΔF。计算过程如下：卷杆4.1在未卷绕面料时外径为d1，面料完全卷绕时外径为d2，帘布厚度为t，则有面料层数为（d2-d1）/2t，（d2-d1）/2t也就是开卷和卷绕过程中卷杆的转数。
通过调整铁芯的转速设定值，也可以优化到在帘布完全开卷和完全卷绕的状态下，螺旋弹簧的圈数相同，但是由于卷杆的转速是变化的，而铁芯的转速设为固定值，在帘布开卷和卷绕的过程中，仍然会存在张力的波动，并没有太大的意义。
即使按照前面的方案，简单地把铁芯的转速设定为面料完全卷绕时的卷杆转速，从上面的分析结果中也可以分析出，当d2>>d1时，d2-d1≈d2，面料层数为d2/2t，螺旋弹簧圈数变化Δx为d2/4t，就是说，圈数变化Δx可以减少一半。实际过程中，d1越大，d2与d1越接近，则螺旋弹簧的圈数变化Δx越小，这种同步驱动技术的效果越明显。
5 结语
经过上述分析和计算，采用移动梁运动的同时铁芯也发生转动的同步驱动方案，可以大大降低遮阳帘在帘布开关过程中的张力变化，对于目前尺寸越来越大的天窗遮阳帘，是一种非常可行的方案。如果采用同一只电机驱动，更有降低电机功率和能耗的效果。
参考文献
[1] 郑海，杨立峰.轿车电动天窗运动机构设计与动力学分析[J].汽车零部件， 2016（2）：62-64.
[2] 郑林涛，冀兆良等.广州地区图书馆建筑中庭天窗优化设计[J].建筑节能， 2015（7）：63-67.
[3] 崔光宇，郭兴龙，刘牧之. 一种新型防夹天窗的设计[J].汽车电器， 2015（11）：28-30.