李海帆，衣世濤,于喜海

(煙臺(tái)正海合泰科技股份有限公司山東省汽車內(nèi)飾材料工程技術(shù)研究中心，山東煙臺(tái) 265500)

電動(dòng)天窗遮陽簾的同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)

李海帆，衣世濤,于喜海

(煙臺(tái)正海合泰科技股份有限公司山東省汽車內(nèi)飾材料工程技術(shù)研究中心，山東煙臺(tái) 265500)

在電動(dòng)天窗遮陽簾上采用移動(dòng)梁與鐵芯同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)，把鐵心以可轉(zhuǎn)動(dòng)的方式裝配并與電機(jī)相連，使電動(dòng)天窗遮陽簾的開關(guān)過程中卷?xiàng)U與鐵芯同向轉(zhuǎn)動(dòng)，使卷?xiàng)U內(nèi)螺旋彈簧的功能由蓄積彈性勢(shì)能變成緩沖卷?xiàng)U和鐵芯轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的角度差。與傳統(tǒng)的只驅(qū)動(dòng)移動(dòng)梁的技術(shù)相比，采用同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)后，螺旋彈簧的圈數(shù)在開關(guān)過程中變化很小，天窗遮陽簾的張力更加穩(wěn)定。

電動(dòng)天窗遮陽簾；同步驅(qū)動(dòng)；簾布張力

0 引言

近年來，國內(nèi)汽車市場(chǎng)發(fā)展迅速，汽車天窗因親近自然、享受陽光、可以在很小的噪聲和風(fēng)阻的情況下通風(fēng)換氣而受到廣大消費(fèi)者的青睞。曾幾何時(shí)，天窗是高級(jí)轎車才有的配置，現(xiàn)在大量的經(jīng)濟(jì)型轎車也有了天窗版，高級(jí)轎車則向雙天窗、全景天窗方向發(fā)展。

單天窗和小天窗一般采用天窗遮陽板結(jié)構(gòu)來遮擋陽光，材質(zhì)多為GMPU結(jié)構(gòu)、PHC結(jié)構(gòu)。最近，一步濕法的軟PU結(jié)構(gòu)由于成本較低的優(yōu)勢(shì)取得了越來越大的市場(chǎng)份額；而干法PP玻纖板結(jié)構(gòu)的天窗遮陽板以散發(fā)性低、材料可回收等優(yōu)勢(shì)也占有一席之地[1]。

剛性的天窗遮陽板作為遮光部件，在天窗打開時(shí)，天窗遮陽板藏在天窗口之后的頂棚上方；而全景天窗由于開窗面積大，天窗打開時(shí)，硬質(zhì)的天窗遮陽板將無處藏身，所以只能采用可卷繞的天窗遮陽簾作為遮光部件。

用柔軟可卷繞的遮陽簾代替剛性的遮陽板，卷收后不需要很大的隱藏空間，使天窗口的大小不再受遮陽部件隱藏空間的限制，適用于全景天窗、雙天窗等大天窗結(jié)構(gòu)。

1 天窗遮陽簾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

天窗遮陽簾的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要部件包括：框架1、簾布3、簾布前端的移動(dòng)梁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2、簾布后端的卷繞系統(tǒng)4?？蚣苡职▋蓚?cè)的滑道、前梁、后梁等結(jié)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、拉索以及位于簾布前端的移動(dòng)梁；卷繞系統(tǒng)包括固定簾布后端的卷?xiàng)U、卷?xiàng)U內(nèi)設(shè)置的蓄能機(jī)構(gòu)以及彈性堵頭。

簾布的前端固定在移動(dòng)梁上，移動(dòng)梁的兩端裝配在框架兩側(cè)的滑道上，并通過拉索機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連接。電機(jī)驅(qū)動(dòng)拉索，帶動(dòng)移動(dòng)梁前后移動(dòng)，使簾布卷繞和開卷,實(shí)現(xiàn)簾布的遮光功能。

簾布3的后端連接在卷?xiàng)U4.1上，可在卷?xiàng)U上卷繞和開卷。卷?xiàng)U通過彈性堵頭和蓄能機(jī)構(gòu)的鐵芯裝配在框架上。彈性堵頭可以伸縮，以便于卷?xiàng)U的裝配。蓄能機(jī)構(gòu)主要包括螺旋彈簧4.3、鐵芯4.2以及必要的連接件。螺旋彈簧4.3的一端與卷?xiàng)U4.1固定連接，另一端與鐵芯4.2固定連接。鐵芯4.2裝配在框架上，不可轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)卷?xiàng)U4.1發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋彈簧4.3的圈數(shù)變化，影響面料的張力[2]。

圖1 天窗遮陽簾的結(jié)構(gòu)

2 問題的提出

當(dāng)通過電機(jī)關(guān)閉天窗遮陽簾時(shí)，移動(dòng)梁帶動(dòng)簾布向前移動(dòng)，簾布帶動(dòng)卷?xiàng)U轉(zhuǎn)動(dòng)而鐵芯不動(dòng)，卷?xiàng)U與鐵芯產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，在螺旋彈簧中蓄積彈性勢(shì)能，簾布的張力增加。當(dāng)通過電機(jī)打開天窗遮陽簾時(shí)，移動(dòng)梁向后移動(dòng)，簾布張力減小，在螺旋彈簧的作用下簾布卷繞在卷?xiàng)U上，使簾布的張力得到一定程度的恢復(fù)，達(dá)到一個(gè)新的平衡。

簾布的張力，一方面是為了保持遮陽簾的平整美觀，另一方面也是為了保證卷收的順利。張力過小時(shí)，會(huì)使簾布下垂，影響視覺效果，甚至產(chǎn)生收卷故障；張力過大時(shí)，會(huì)增加電機(jī)的負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)檫^度拉伸簾布產(chǎn)生縱向條紋，影響視覺效果。

從上面的分析可以看出，簾布的張力是由螺旋彈簧決定的。而螺旋彈簧在簾布開卷和卷繞過程中的圈數(shù)變化與簾布的圈數(shù)相對(duì)應(yīng)，也就是與天窗口的長度相對(duì)應(yīng)。當(dāng)天窗尺寸不大時(shí)，簾布的開卷和卷繞過程中螺旋彈簧的圈數(shù)變化不大，簾布的最大張力和最小張力都很容易控制在適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)，既不會(huì)因?yàn)閺埩Σ蛔惝a(chǎn)生收卷故障，又不會(huì)因?yàn)檫^度拉伸產(chǎn)生縱向條紋。

但是，目前全景天窗的尺寸越來越大，簾布開卷和卷繞過程中螺旋彈簧變化的圈數(shù)越來越多，張力變化越來越大，控制起來非常困難。目前的方案是：降低彈簧的彈性系數(shù)，減小圈數(shù)變化導(dǎo)致的張力變化。但是為了維持最小的簾布張力，彈簧在簾布完全卷繞狀態(tài)下也必須達(dá)到足夠的圈數(shù)，增加了彈簧的質(zhì)量，也增加了遮陽簾的成本。

3 解決的方案

3.1 原理

目前采用的方案，電機(jī)僅限于簾布的開關(guān)，也就是簾布前端的前橫梁的驅(qū)動(dòng)，簾布卷繞仍然是采用螺旋彈簧驅(qū)動(dòng)。采用螺旋彈簧驅(qū)動(dòng)，必然會(huì)隨著彈性勢(shì)能的釋放而導(dǎo)致簾布張力的減小。

如果簾布開卷和卷繞的過程中，隨著移動(dòng)梁的前后移動(dòng)，卷?xiàng)U也由電機(jī)驅(qū)動(dòng)做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，即采用同步驅(qū)動(dòng)方案，就可以避免卷?xiàng)U由螺旋彈簧驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)致的簾布張力變化問題。

理論上只要把卷?xiàng)U與電機(jī)相連，設(shè)置好電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以了。實(shí)際上，直接用電機(jī)來驅(qū)動(dòng)卷?xiàng)U還是有問題的，因?yàn)楹煵季砝@過程中，卷?xiàng)U上積累的簾布越來越多，當(dāng)卷?xiàng)U轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度不變時(shí)，簾布卷收的線速度卻越來越大，而簾布前端的前橫梁的線速度是恒定的，二者不能匹配，導(dǎo)致簾布的張力變化問題更加嚴(yán)重。

可行的方案是仍然保留螺旋彈簧和鐵芯結(jié)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)鐵芯，卷?xiàng)U上的簾布積累導(dǎo)致的移動(dòng)梁線速度與鐵芯角速度不匹配的問題用螺旋彈簧來解決，由螺旋彈簧結(jié)構(gòu)來吸收卷?xiàng)U和鐵芯轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度差值。這個(gè)方案中，螺旋彈簧仍然提供簾布的張力，但是螺旋彈簧不再作為主要的蓄能機(jī)構(gòu)，僅僅是為了吸收卷?xiàng)U與鐵芯的轉(zhuǎn)速差，所以圈數(shù)變化大大減少，對(duì)應(yīng)到簾布上的張力變化也大大減少。

在簾布開卷過程中，移動(dòng)梁驅(qū)動(dòng)需要功率輸入，而鐵芯驅(qū)動(dòng)不需要功率輸入；在簾布卷繞過程中，鐵芯驅(qū)動(dòng)需要功率輸入，移動(dòng)梁驅(qū)動(dòng)不需要功率輸入，如果采用同一只電機(jī)，通過同時(shí)連接不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來同時(shí)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)梁和鐵芯，由于二者給電機(jī)的負(fù)荷方向是相反的，可以采用比常規(guī)設(shè)計(jì)功率更小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3.2 計(jì)算部分

螺旋彈簧的彈性系數(shù)為k，簾布開卷和卷繞過程中的圈數(shù)變化Δx，則扭力變化依據(jù)胡克定律有：

ΔF=k·Δx

傳統(tǒng)方案中，天窗長度對(duì)應(yīng)于簾布開卷和卷繞過程中的圈數(shù)變化，圈數(shù)變化直接對(duì)應(yīng)于Δx，所以扭力變化ΔF也越大。

作者的目標(biāo)是降低ΔF，ΔF越小，張力變化越小，越不容易出問題。

(1)彈簧優(yōu)化方案

對(duì)于既定的天窗尺寸，當(dāng)采用降低螺旋彈簧的彈性系數(shù)k的方案時(shí)，圈數(shù)變化Δx不變，扭力變化ΔF會(huì)減小。

但是，為了保持簾布的平整和簾布卷繞順利，扭力必須保持最小值Fmin，當(dāng)k變小時(shí)，xmin需要增加，而Δx不變，所以xmax也會(huì)增加。

彈簧的圈數(shù)增加，會(huì)增加彈簧的質(zhì)量和長度，一方面會(huì)增加成本，另一方面xmax還會(huì)受到卷?xiàng)U內(nèi)部空間的限制。

(2)同步驅(qū)動(dòng)方案

同步驅(qū)動(dòng)方案的原理如圖2所示。

采用移動(dòng)梁和鐵芯都由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步驅(qū)動(dòng)方案，開卷和卷繞過程中螺旋彈簧的圈數(shù)變化Δx會(huì)減小，從而減小彈簧扭力也就是面料張力的變化ΔF。計(jì)算過程如下：

卷?xiàng)U4.1在未卷繞面料時(shí)外徑為d1，面料完全卷繞時(shí)外徑為d2，簾布厚度為t，則有面料層數(shù)為(d2-d1)/2t，(d2-d1)/2t也就是開卷和卷繞過程中卷?xiàng)U的轉(zhuǎn)數(shù)。

圖2 同步驅(qū)動(dòng)方案

面料3的長度l為：

如果設(shè)定鐵芯的轉(zhuǎn)速在簾布完全卷繞時(shí)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相匹配，即鐵芯每轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)的面料長度l1為：

l1=π·d2

則鐵芯的轉(zhuǎn)數(shù)n為：

此時(shí)，卷?xiàng)U與鐵芯的圈數(shù)差，即彈簧的圈數(shù)變化Δx為：

某SUV天窗遮陽簾的d2=40，d1=20 mm，簾布厚度t=0.8 mm，采用傳統(tǒng)的移動(dòng)梁驅(qū)動(dòng)方案時(shí)，螺旋彈簧圈數(shù)變化

Δx=12.5：采用移動(dòng)梁與鐵芯同步驅(qū)動(dòng)方案之后，螺旋彈簧圈數(shù)變化Δx=3.1，所以對(duì)應(yīng)的簾布張力變化ΔF也只有原來傳統(tǒng)方案的25%。

通過調(diào)整鐵芯的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，也可以優(yōu)化到在簾布完全開卷和完全卷繞的狀態(tài)下，螺旋彈簧的圈數(shù)相同，但是由于卷?xiàng)U的轉(zhuǎn)速是變化的，而鐵芯的轉(zhuǎn)速設(shè)為固定值，在簾布開卷和卷繞的過程中，仍然會(huì)存在張力的波動(dòng)，并沒有太大的意義。

即使按照前面的方案，簡單地把鐵芯的轉(zhuǎn)速設(shè)定為面料完全卷繞時(shí)的卷?xiàng)U轉(zhuǎn)速，從上面的分析結(jié)果中也可以分析出，當(dāng)d2>>d1時(shí)，d2-d1≈d2，面料層數(shù)為d2/2t，螺旋彈簧圈數(shù)變化Δx為d2/4t，就是說，圈數(shù)變化Δx可以減少一半。實(shí)際過程中，d1越大，d2與d1越接近，則螺旋彈簧的圈數(shù)變化Δx越小，這種同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的效果越明顯。

4 結(jié)論

經(jīng)過上述分析和計(jì)算，采用移動(dòng)梁運(yùn)動(dòng)的同時(shí)鐵芯也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的同步驅(qū)動(dòng)方案，可以大大降低遮陽簾在簾布開關(guān)過程中的張力變化，對(duì)于目前尺寸越來越大的天窗遮陽簾，是一種非常可行的方案。如果采用同一只電機(jī)驅(qū)動(dòng)，更有降低電機(jī)功率和能耗的效果。

【1】朱維珍.乘用車天窗遮陽板材料及工藝的運(yùn)用[J].汽車工程師，2014(5)：61-62. ZHU W Z.Application of Material and Technical Drocess in Passenger Car Sunroof Visor[J].Auto Engineer,2014(5):61-62.

【2】朱嘉斌.電動(dòng)天窗遮陽簾:CN205097896U[P].2016-03-23.

Synchronous Driving Technology for Electric Sunshade Curtain

LI Haifan，YI Shitao，YU Xihai

(Automobile Inner Trimming Material Engineering and Technology Research Center of Shandong Province,Yantai Zhenghai Hi-Tech Co., Ltd.,Yantai Shandong 265500,China)

In electric sunshade curtain， the iron core in the roll bar was assembled in rotatable mode and connected with the motor，synchronous drive technology of moving beam and the iron core was adopted. When sunshade curtain was switching,the roll bar and iron core rotated to the same direction, the spiral spring connecting the roll bar and the iron core served as buffer to decrease the rotation angle difference between the roll bar and the iron core,compared with traditional drive method in which the spiral spring served as the accumulation of elastic potential energy. When this synchronous drive technology is adopted, the coil number of spiral spring changes very little, the tension of sunshade curtain gets more stable.

Electric sunshade curtain; Synchronous driving; Tension of sunshade curtain

2016-11-08

李海帆(1975—)，男，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠噧?nèi)飾件的材料和工藝。E-mail:ulhf@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.02.013

U463.83+5

B

1674-1986(2017)02-052-03