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汽车天窗的整体结构设计论文
汽车天窗的整体结构设计
摘要
汽车天窗作为汽车行驶时的地唤起设备，已经逐渐成为各个汽车厂家生产轿车的标准配置。
在汽车天窗市场竞争中电动汽车天窗具有很强的优势，如结构简单、使用方便、可靠性高、具有很好的市场潜力等。
因此选择设计电动式天窗具有良好的市场前景，也可使整车在汽车竞争白热化的今天占领了更大份额的市场。
本次设计首先了解了天窗的作用、种类、特点和天窗各种零部件执行标准。
然后，对天窗的密封排水方式、性能要求、也天窗对风噪声的影响做出了说明和分析。
在掌握天窗的工作原理后在天窗设计部分，依据了蜗轮蜗杆减速器的原理设计了电动机换向减速传动机构，结合天窗的结构性能对天窗进行了设计与强度校核，对动向蜗轮传动杆的主要参数和尺寸分析，选择传动材料和类型，按蜗轮齿面接触疲劳强度计算校核蜗轮齿根疲劳强度，对蜗杆蜗轮各部分尺寸计算，天窗电机最终动力输出选择。
最后，分析并绘制了汽车天窗滑动机构、连接机构、驱动机构的CAD零件图和装配图，同时也对车顶开关的工作过程进行了简要分析。
关键词：
汽车天窗；换向减速机构；滑动机构；强度校核
TheOverallStructureDesignofAutomobileSunroofs
Abstract
Astheventilationdevicewhendrivingacar,sunroofshavegraduallybecomethestandardequipmentfornearlyeverycarmanufacture.Inthemarketcompetitionforsunroofs,electriconesenjoygreatpopularityforitssimplestructure,easyhandling,highreliabilityandmarketpotential,etc.Therefore,choosingtodesignelectricsunroofhasverygoodmarketprospect,makingthewholecaroccupymoremarketshareintheenormouslyfiercecompetitionofautomobile.
Thedesignofthethoughtsandideasfirstunderstandtheskylight,types,characteristicsandvariouspartsoftheimplementationofstandards.Thenmakeadescriptionandanalysisoftheperformanceofthesealingdrainageway,skylightrequirementsinfluenceonwindnoise.Theworkingprincipleofskylightskylightdesignmasterinpart,onthebasisoftheprincipleofthewormreducerdesignthemotorreversingspeedreducer,combinedwiththestructurepropertiesofskylightandrequirementstotheroofforthedesignandstrengthcheck,themainanalysisofthetrendofwormgeardriverodparametersandsize,selectgearmaterialsandtypes,accordingtotheturbinegearsurfacecontactfatiguestrengthcalculation,checkingthefatiguestrengthcalculationofthewormandwormwheelwormgeartoothroot,thesizeofeachpartoftheroof,andclickonthefinalpoweroutputselection.Finally,analysisanddrawacarsunroofslidingmechanism,connectingmechanism,drivingmechanismoftheCADpartdrawingsandassemblydrawings,alsomakesabriefanalysisontheworkingprocessoftheswitchforroof.
KeyWords:
sunroof;reversingdecelerationstructure;slidingmechanism;strengthcheck
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摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题研究的目的和意义1
1.2汽车天窗的国外发展状况2
1.3研究容与方法4
第2章天窗结构及性能要求6
2.1天窗工作原理6
2.2汽车天窗的作用6
2.3天窗的种类及特点7
2.3.1汽车天窗种类7
2.3.2汽车天窗特点及各部件执行标准7
2.4天窗的结构型式9
2.4.1天窗的结构9
2.4.2天窗的密封（排水）方式10
2.5天窗的性能要求11
2.5.1安全性11
2.5.2性能要求12
2.5.3天窗系统对风噪的影响14
2.6本章小结14
第3章汽车天窗设计15
3.1天窗结构和工作原理设计15
3.1.1滑动机构15
3.1.2连接机构15
3.2汽车天窗动力机构17
3.2.1驱动机构17
3.2.2车顶开关18
3.3本章小结21
第4章天窗行进的相关计算22
4.1动机换向蜗轮蜗杆主要参数和几何尺寸22
4.1.1选择传动的类型和材料22
4.1.2按蜗轮齿面接触疲劳强度计算23
4.1.3校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度23
4.1.4蜗杆、蜗轮各部分尺寸计算24
4.1.5天窗电机最终动力输出齿轮选择26
4.2本章小结26
结论27
参考文献28
致29
附录30
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第1章绪论
1.1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，我国汽车天窗业起步较晚，过去国天窗一直依赖进口。
现在，这一局面被打破，本土企业也开始有了一定市场。
但本土企业底气并不足。
汽车天窗产业链是围绕满足汽车天窗企业生产过程所涉及到的一系列具有上下游关系的企业集合。
汽车天窗属于交通运输设备制造业，属于最终需求型制造业，其特点前向关联效应小，后向关联效应较大。
在我国加入WTO后，国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，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。
使用天窗还有节能的功效，在太阳的暴晒下1小时，车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2—3倍，还能节省下使用开车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。
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。
国外的天窗生产已形成一定的规模，而国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3000—5000计算，一年会生产3000—5000万元的市场份额，在现有的技术基础上，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。
1.2汽车天窗的国外发展状况
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，车的空气就越浑浊。
如果在车吸烟，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），污染车空气。
但若车无新鲜空气补充，会使车空气中二氧化碳含量增大、氧气含量下降；车还会因抽烟、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。
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。
Smith的观点，又称“规性”、“道德性”或“态度性”观点的组织承诺，这种观点受到需求满足理论和双因素理的启发，强调激励和自我实现来探讨组织承诺，认为组织承诺是成员对组织有积极、高度、正面的倾向，包括对组织目标与价值的认同，对工作活动高度的投入以及对组织的忠诚。
我国汽车天窗业起步较晚，过去国天窗一直依赖进口。
现在，这一局面被打破，本土企业也开始有了一定市场。
但本土企业底气并不足。
汽车天窗产业链是围绕满足汽车天窗企业生产过程所涉及到的一系列具有上下游关系的企业集合。
汽车天窗属于交通运输设备制造业，属于最终需求型制造业，其特点前向关联效应小，后向关联效应较大。
随着计算机技术的发展，我国虚拟样机技术作为一种新兴的并行设计技术，越来越广泛的运用，在轿车天窗这里也不例外。
我国虚拟样机技术用逼真的数字模型表示物理样机，可以在虚拟环境中真实的模拟系统的运动，并对其运动过程和受力情况进行仿真分析，不仅大大缩短研发时间，而且降低研发成本。
ADAMS是虚拟样机技术在机械系统动力学仿真分析应用中的杰出代表，与仿真技术结合能真实反映天窗的运动过程进行分析和比较，最终获得最优工作性能的天窗[1]。
我国亦有专家学者研究天窗设计参数对齿轮槽转矩影响，并对其优化，辉、超等人以某种汽车为例，针对极槽配合和极弧设计以及转子静态偏心时的齿槽转矩进行计算[2]，得到主要设计参数对齿槽参数大小的影响规律。
最后，以天窗齿轮槽最小为目标，建立基于遗传算法的优化设计模型，获得了最优槽口宽、极弧系数和斜槽设计的方案，优化后的齿槽转矩明显小于原始方案。
就市场而言，我国汽车天窗企业的规模普遍较小，更应该坚定地走专业化道路。
国际产业转移加速，并购重组活跃。
20世纪90年代后期以来，为有效降低生产成本，开拓新兴市场，汽车天窗企业不但向低成本国家和地区大规模转移生产制造环节，而且将转移围逐渐延伸到了研发、设计、采购、销售和售后服务环节，转移的规模越来越大，层次越来越高。
与此同时，整车与天窗生产企业之间关系的调整，打破了原有的全球配套体系，推动了汽车产业链的全球化发展。
在此背景下，汽车天窗行业的并购重组更趋活跃。
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。
曾经全景天窗在国外的高端车上都是一种奢华的配置，伟巴斯特是获得国际ISO9001、TUV-ABE（德国）、UTAC（法国）、FMVSS（美国）等质量认证的生产企业，在汽车天窗的研发、生产和销售等诸多环节均处于世界领先地位。
国外的天窗生产已形成一定的规模，而国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3000—5000计算，一年会生产3000—5000万元的市场份额，因此国外利用Inventor对天窗进行设计开拓汽车零部件生产市场有。
在现有的技术基础上，选择有力的运行机制，标准化的汽车零部件。
UnigraphicsSolutionnsInc.等人利用UG软件[4]分析汽车天窗的结构,首先采用逆向设计,对于空间曲面造型的天窗玻璃进行数据采集、数据处理和实体生成；并以生成的天窗玻璃实体为主要基准零件，对天窗的其它大型覆盖组件进行正向设计，生成二维图；对于把手组件和定位组件则采取从二维设计到三维设计，以及利用UG的装配功能对天窗进行装配；最后采用参数化设计方法，主要利用草图、表达式、子装配等参数化设计方法，对于汽车天窗的零部件和子装配以及整体设计进行参数化，对于设计中使用的标准件则利用电子表格方法建立了标准件库。
天窗由电机和驱动齿轮的驱动,通过链条带动机械组运动，使天窗玻璃开启、倾斜、关闭。
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的空气和车外的新鲜空气进行交换，从而使汽车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。
中国国生产汽车天窗的厂家少之又少，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，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藏式。
外掀式的手动天窗多用于经济型轿车，而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。
1.3研究容与方法
本论文主要研究的是汽车天窗的结构性能，对天窗进行设计、材料选择、强度校核等，具体容和主要问题归纳如下：
1、根据设计题目的参数要求拟定总体设计方案：
选定一种天窗结构利用CAD等软件进行实体建模或运动模拟系统原理图和零件图。
2、天窗的结构和性能要求：
掌握天窗的工作原理，对天窗要求的安全性、密封性以及天窗玻璃的光学性能加以分析。
3、对天窗进行相设计计算及强度校核：
选择传动的类型和材料，涡轮齿面解除疲劳强度计算，校核涡轮齿根圆弯曲疲劳强度，蜗杆、涡轮各部分尺寸计算。
4、天窗的结构形式及选择：
对天窗的结构类型有一定了解，选择适合的种类进行整体结构的设计、绘图。
研究过程中的主要问题和解决办法：
1、天窗的密封排水如何设计
解决方法：
通过天窗玻璃周围的密封条与车顶翻边的密封条相结合，阻挡灰尘及大部分雨水，同时天窗总成部需要设计流水槽及排水管，将少量从玻璃密封条与车顶结合处渗入雨水排到车身外部。
2、就天窗装配质量，天窗设计工艺如何提高
解决方法：
优化车身车顶的结构设计，可将车顶开口设计成梯形、调整匹配尺寸链、合理确定尺寸公差，或者设计时使天窗翘起时，前支点会同时向后有较小的平移量，使密封条的运动随前支点的平动和绕前支点转动的合成，在一定程度上减轻车窗密封条与车顶翻边的摩擦阻力。
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空气对汽车顶盖的压力，车空气向车外流动，压力变小，外部新鲜空气补充进车，这样，车空气得到循环，汽车部就可以保持新鲜的空气[7]。
2.2汽车天窗的作用
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,吹到人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都疼。
通过天窗通风会克服上述缺点。
天窗打开之后,是一个负压换气的方式。
长时间地驾驶车辆，车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，效果不理想，其主要的问题是：
造成气体旋流，如空气的交换率差；空气沿着车身侧边流动，产生很大的噪声；从空气动力学方面考虑，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的温度和湿度。
但车是一个封闭的空间，而换气效果不理想，会造成车温度和湿度的分布不均匀。
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，是改善汽车部温度和空气质量的一种方法，而汽车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，使车空气循环，使汽车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。
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，降低车温度。
4、天窗本身配有的顶盖支架增加了车的安全性，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。
2.3天窗的种类及特点
2.3.1汽车天窗种类
在现存市场上天窗有两大类型，即固定式玻璃天窗和活动式玻璃天窗，其中固定或活动式玻璃天窗种类如表2-1所示。
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
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。
2.3.2汽车天窗特点及各部件执行标准
1、手动式玻璃天窗的特点，如表2-2所示。
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，车头顶空间损失小
2、电动式玻璃天窗（如表2-3所示）。
表2-3天窗特点
型式
外滑式
滑式
特点
1.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，同样自然循环车空气。
在天窗玻璃关闭时仍然可以通过遮阳板来遮避太的照射。
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（侧）向后滑动打开。
开度
a.倾斜高度
b.向后滑
≈40～60mm
≈60﹪的玻璃宽度
≈40～50mm
≈100﹪的玻璃宽度
结构与安装
天窗上的螺钉应紧固，无松动现象；滑槽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。
安装布置空间要求
安装布置围小，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2～3年的开发制造周期
各部件组成零件执行标准
QC/T625汽车用涂镀层和化学处理层
GB/T17340汽车安全玻璃的尺寸、形状、外观
GB9656汽车用安全玻璃
GB/T12421客车门窗用橡胶密封条
QC/T413汽车电器设备基本技术条件
QC/T625汽车用涂镀层和化学处理层
GB/T17340汽车安全玻璃的尺寸、形状、外观
GB9656汽车用安全玻璃
GB/T12421客车门窗用橡胶密封条
QC/T413汽车电器设备基本技术条件
应用围
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；
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